多功能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

文維陽 ，劉漢青，楊 娟 ，劉 辰

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015；2.北京中科泛華測控技術(shù)有限公司沈陽辦事處，沈陽110168）

0 引言

隨著中國各型號航空發(fā)動機不斷裝配飛機，外場發(fā)動機的維護保障工作也變得日益增多。鑒于發(fā)動機所處外場環(huán)境與發(fā)動機內(nèi)場臺架環(huán)境不同[1]，振動、溫差、風(fēng)速、濕度、氣壓等環(huán)境條件變化范圍很大，常規(guī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法適應(yīng)外場惡劣環(huán)境。目前國內(nèi)航空發(fā)動機外場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)的研究仍然處于發(fā)展階段，雖已有一定數(shù)量的應(yīng)用，但仍存在系統(tǒng)功能單一，操作復(fù)雜，采集速率低，可靠性差等問題。例如目前使用的外場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由內(nèi)場遷移過去的，體積較大，抗干擾能力差，雖能完成外場試驗工作，但在外場惡劣工作環(huán)境下，系統(tǒng)的測試精度及可靠性均不能保證。國外的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比國內(nèi)完善，技術(shù)也相對成熟，如美國無論是硬件設(shè)備還是軟件技術(shù)都居世界首位，其軍用測試設(shè)備兼具通用性、多功能性和便攜性，但整套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)價格比較昂貴，系統(tǒng)后續(xù)的擴展和開發(fā)成本較高[2]。

為了順利、有效地完成發(fā)動機在外場的使用、維護保障工作，獲取裝機狀態(tài)下發(fā)動機在外場地面試驗中的寶貴數(shù)據(jù)，開發(fā)了1套多功能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠滿足外場測試要求，適應(yīng)不同外場環(huán)境，同時還具有體積小、方便攜帶等特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了設(shè)計1款高性能、高精度、高可靠性的測試系統(tǒng)，達到軍用裝備的使用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，在電子部件的選擇上要采用可靠性和測量精度高的軍用級別產(chǎn)品。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要考慮密封防水、防潮、防電磁干擾等性能要求，外殼選用金屬全封閉結(jié)構(gòu)；考慮到防振動和抗沖擊性能，內(nèi)部連接采用緊固連接方式；支撐采用懸掛減震結(jié)構(gòu)；選用軍用級電子元器件滿足寬溫的工作要求，內(nèi)部有調(diào)節(jié)控制單元，用于監(jiān)視溫度以及電源系統(tǒng)和蓄電池的實時狀況并進行合理的調(diào)節(jié)控制。

為了滿足以上要求，采用美國國家儀器公司（NI）的cDAQ平臺為核心搭建采集系統(tǒng)，包括測試與自檢、電源、遠程顯示以及接口等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的采集單元與顯示操作單元分開，采集單元用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號的采集與處理，只設(shè)置顯示電源、通訊等工作狀態(tài)指示燈；顯示操作單元采用軍用便攜式電腦以適應(yīng)運輸安全和各種應(yīng)用環(huán)境下的可靠運行。采集單元得到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到遠處的顯示操作單元。為了避免數(shù)據(jù)通訊干擾，提高數(shù)據(jù)通訊速度，采集單元與顯示操作單元之間用光纜連接。

系統(tǒng)具有通道自檢功能。系統(tǒng)自身向測試通道模塊發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)信號，如電壓、頻率等信號，對測量值與標(biāo)準(zhǔn)信號值進行比較，其差值在允許范圍內(nèi)則認(rèn)定該通道通過自檢。對測試通道的自檢在試驗前進行，以保證設(shè)備正常使用以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性；在測試異常時可應(yīng)用該功能對故障進行快速定位。

系統(tǒng)正常工作供電電源為220 V交流電，同時配有軍品寬溫級鋰電池，保證系統(tǒng)在沒有交流供電的情況下續(xù)航時間不小于4 h；系統(tǒng)所有的電氣連接都采用密閉性好的軍用航空插頭。在物理結(jié)構(gòu)方面著重考慮規(guī)范性、合理性，以及安裝、使用和日后維修的方便性。

系統(tǒng)配備2個專用運輸箱，1個是數(shù)據(jù)采集設(shè)備、筆記本電腦及軍品鋰電池運輸箱，另1個是附件運輸箱。運輸箱需要防水、防振動、抗沖擊，其結(jié)構(gòu)為拉桿式，配有4個萬向輪。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)測量參數(shù)要求，數(shù)據(jù)采集選用NI的cDAQ采集設(shè)備及各工業(yè)級輸入輸出模塊[3]，各模塊名稱及功能見表1。

表1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要模塊

表中序號2～6為系統(tǒng)測試模塊，分別測試電壓、數(shù)字量、電偶、RTD、頻率信號。系統(tǒng)采用自主研發(fā)的MX-605電路板，完成8通道數(shù)字輸入信號隔離，以及8通道頻率信號調(diào)理，將變幅變頻信號調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。序號7～9為系統(tǒng)自檢模塊，分別對應(yīng)電壓輸出、數(shù)字量輸出及頻率輸出。自檢模塊的信號輸出直接進入測試模塊的輸入端來完成通道自檢。另外，熱電偶的自檢功能也通過輸出溫度對應(yīng)的電壓值來完成。RTD的自檢通過測量系統(tǒng)自帶的高精密電阻來完成。

數(shù)字量輸入信號隔離電路如圖2所示。輸入信號DI_P串4.7 kΩ電阻給光耦，信號經(jīng)過隔離后輸出，高、低電平輸出電壓分別為24、0 V。

圖2 數(shù)字量輸入隔離電路

頻率信號輸入調(diào)理電路如圖3所示。頻率信號的輸入為0～5000 Hz，幅值為0～40 V，為了保護采集設(shè)備，F(xiàn)req_P信號串10 kΩ電阻接入運算放大器ADA4891，加了穩(wěn)壓二極管MM3Z3V3進行保護，最高電壓不會超過3.3 V。信號反向接入，正向比較端是25∶1，取輸出電平電壓為比較電壓。當(dāng)Freq-P信號由低到高變化至大于0.2 V時，ADA4891輸出低電平0 V。當(dāng)輸入信號由高電平降低至0 V時，ADA4891輸出5 V。ADUM5241為信號隔離芯片，5 V轉(zhuǎn)5 V。頻率輸入信號經(jīng)過調(diào)理電路后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號進入cDAQ。

圖3 頻率信號輸入調(diào)理電路

數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入電源為220 V交流電，經(jīng)交/直流轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)為24 V直流電。數(shù)據(jù)采集、壓力變送器、外接設(shè)備均為24 V直流供電[4]。電源適配器需滿足防水、寬溫、電源功率的要求。目前市面上沒有現(xiàn)成產(chǎn)品，按照上述3個需求進行了定制。

軍品鋰離子電池組為系統(tǒng)和傳感器正常供電，續(xù)航時間不少于4 h。低溫鋰電池需滿足使用溫度、電池容量、現(xiàn)場環(huán)境的要求，最終選擇了軍用低溫鋰電池，并做防水外殼設(shè)計，與機箱分離，需要時可攜帶。

根據(jù)需求，系統(tǒng)最多可同時連接4臺電腦進行系統(tǒng)操作和監(jiān)控，故主機箱內(nèi)配備的以太網(wǎng)交換機具有5個RJ45端口。

為保證系統(tǒng)在高、低溫環(huán)境下均能夠正常工作，在機箱內(nèi)部配備溫度調(diào)節(jié)單元，采用通過硅膠加熱片進行低溫加熱、散熱槽進行高溫散熱的方式，使系統(tǒng)滿足外場試驗的技術(shù)要求（工作溫度為-40~70℃）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了開發(fā)的便捷性，軟件設(shè)計也采用了NI公司的虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，實現(xiàn)軟件各功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集包含的主要功能模塊有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、軟件通訊等模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)用了板卡的DLL驅(qū)動程序，按照編程規(guī)范實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能[5]。數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)板卡參數(shù)設(shè)置、板卡開始采集、板卡數(shù)據(jù)讀取、板卡停止采集等一系列功能。以壓力采集為例，其程序如圖4所示。

圖4 板卡參數(shù)設(shè)置

數(shù)據(jù)存儲是將本地采集到的數(shù)據(jù)進行本地存儲，存儲格式為TDMS[6]。數(shù)據(jù)存儲子程序分為3個步驟：打開文件、存儲數(shù)據(jù)、關(guān)閉文件，其程序如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)存儲程序

本系統(tǒng)設(shè)置了與其他計算機進行通訊的功能。通訊的方式為TCP/IP[7]，傳遞的數(shù)據(jù)為當(dāng)前采集的所有數(shù)據(jù)，其程序如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)通訊程序

3.2 數(shù)據(jù)回放軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)回放軟件與便攜式數(shù)據(jù)采集軟件相互獨立，其功能包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)入庫。

數(shù)據(jù)讀取是指將存于本地文件中的TDMS數(shù)據(jù)讀取到軟件中進行顯示分析和處理。讀取數(shù)據(jù)采用TDMS相關(guān)函數(shù)進行操作，其程序如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)讀取程序

讀取到的數(shù)據(jù)根據(jù)選擇顯示，并根據(jù)選擇的曲線進行動態(tài)游標(biāo)顯示[8]。該功能使用的是波形圖表的游標(biāo)顯示功能，其程序如圖8所示。

數(shù)據(jù)入庫是將存于本地的數(shù)據(jù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫中進行遠程數(shù)據(jù)回放[9]。存儲方法是將試車序列號存入1個固定的表中，其他的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)的名稱存成2個表[10]：配置文件表和數(shù)據(jù)列表。數(shù)據(jù)入庫采用的軟件功能模塊是Database相關(guān)的函數(shù)模塊[11]。其程序如圖9所示。

圖8 數(shù)據(jù)按需顯示程序

3.3 通道自檢軟件設(shè)計

通道自檢功能包括5個功能性檢測：即電壓通道自檢、熱電偶通道自檢、RTD通道自檢、頻率通道自檢和開關(guān)量通道自檢。該軟件使用流程為設(shè)置輸出固定數(shù)值，點擊開始測試，可在右側(cè)通道中看到測試的值，如果測試值與輸出值相差在誤差允許范圍內(nèi)，視為該類自檢通過。電壓通道、熱電偶通道、頻率通道使用此方法進行自檢。

RTD的自檢采用1個高精密電阻（固定阻值為100 Ω）模擬成Pt100的方式，由于Pt100在阻值為100 Ω時溫度約為0℃[12]，所以測試RTD模塊時，如果顯示值為0℃左右，則視為自檢通過。

開關(guān)量通道自檢通過點擊開關(guān)按鈕來操作，如測試值與給定開關(guān)按鈕狀態(tài)一致，則自檢通過。

4 系統(tǒng)測試

為了考核系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求，需要在內(nèi)場對系統(tǒng)進行性能考核試驗[13]。測試對象為某型航空發(fā)動機，測試環(huán)境的溫度、振動、電磁環(huán)境等與外場環(huán)境相似，測試參數(shù)為油壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、滑油溫度、進氣溫度、控制信號等多種類型信號。

首先將多功能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖10所示）運抵現(xiàn)場，在試驗前進行系統(tǒng)自檢，確認(rèn)系統(tǒng)各模塊工作正常。

在試車過程中，系統(tǒng)采集功能正常，參數(shù)曲線及各指示燈均顯示正常，如圖11所示。

試車結(jié)束后，停止數(shù)據(jù)記錄，通過數(shù)據(jù)回放軟件分析數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)記錄正常，回放軟件功能達到設(shè)計要求，如圖12所示。

圖12 回放軟件界面

多功能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在內(nèi)場某型航空發(fā)動機上經(jīng)過10天共20個周期累計50 h的性能考核試驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，參數(shù)測量準(zhǔn)確且滿足精度要求，無死機現(xiàn)象發(fā)生；測試軟件采集、顯示、存儲及回放功能均滿足設(shè)計要求。

圖10 系統(tǒng)主機實物

圖11 數(shù)據(jù)顯示界面

5 系統(tǒng)應(yīng)用

目前多功能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已多次應(yīng)用于外場（包括多家航空發(fā)動機廠所）發(fā)動機排故試驗。同時該系統(tǒng)也可以做為內(nèi)場發(fā)動機試驗測試的補充。在內(nèi)場整機試驗中，如遇到測試通道數(shù)量不夠，或是測試設(shè)備無法正常工作的情況，多功能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以作為臺架測試系統(tǒng)的補充參與整機試驗，通過網(wǎng)絡(luò)通訊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到臺架測試系統(tǒng)中[14]。下面列舉1個該系統(tǒng)外場應(yīng)用的試驗。

依據(jù)某型號發(fā)動機持久試車任務(wù)書及試車大綱，需進行發(fā)動機外場試驗來驗證發(fā)動機主機部分的性能并進行發(fā)動機表面溫度測試。

根據(jù)測試要求，需對所有熱電偶測試項目、高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、管路油壓、發(fā)動機控制信號、發(fā)動機排氣溫度同時進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集，并在試車過程中對數(shù)據(jù)進行瞬態(tài)顯示。試驗最終的測試方案為：轉(zhuǎn)速頻率信號、壓力信號、控制信號等進入便攜式數(shù)據(jù)采集cDAQ[15]；由于溫度測試點較多，故采用2個溫度采集模塊3250（每個32路）來測量電偶溫度；cDAQ與溫度采集模塊3250將采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)采集計算機匯總及處理[16]；2個顯示程序分別顯示主機性能與部件壁溫。

6 結(jié)束語

多功能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是根據(jù)多年的航空發(fā)動機整機試車的經(jīng)驗，并結(jié)合當(dāng)今最前沿的測控技術(shù)研發(fā)出來的1套應(yīng)用于外場航空發(fā)動機試驗的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，并受到了多家用戶的好評，同時也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。