LXI總線在某核心機試驗臺數據采集系統中的應用

陳利 吳玉葉 譚雨晨 羅丹

摘要：針對某核心機試驗臺測試參數種類多、數量大、測點分散、數據同步要求高等測試難點，基于LXI總線為該試驗臺設計了數據采集系統，充分利用了LXI總線分布式架構、同步觸發功能等特點。應用結果表明，系統運行穩定可靠，采樣率達到50 Hz，該指標與國內外同行業數據采集軟件水平相當，數據同步精度達25 μs，可推廣應用到其他航空發動機試驗臺。

關鍵詞：LXI總線;核心機試驗臺;數據采集系統

0? ? 引言

核心機是燃氣渦輪發動機重要組成部分，包含發動機內承受壓力最大、溫度最高和轉速最高的零部件。核心機試驗是研制過程的重要階段，通過試驗和測試，可深入認識核心機規律，以驗證設計有效性并修正設計[1]。試驗要求的測量參數數量多，種類復雜，對測試系統要求高，本文基于LXI總線的優良特性，設計了一套適合上千通道、高采樣率、同步精度高的分布式數據采集系統。

1? ? 試驗臺測試需求

核心機結構復雜，要求測量的參數達數百上千個，且種類繁雜、測點分散，要求系統根據測點分布合理放置測試設備。試驗中的參數變化迅速，要求數據采集系統采集速率不低于50 Hz、同步精度不少于20 ms。試驗過程中對系統可靠性要求高，要求軟件具有較好的容錯和恢復能力，在某個硬件設備發生故障時，軟件能繼續正常采集，且可在硬件恢復之后，自動恢復采集。

2? ? LXI總線簡介

LXI總線技術基于LAN結構，采用分布式架構，具有高速數據傳輸、對等通信等特點，可用于構建功能強大的網絡分布式測試系統[2]。LXI儀器提供三種同步觸發機制：軟件觸發、IEEE 1588時鐘同步觸發和觸發總線觸發，三種方式的同步精度依次遞增。

3? ? 數據采集系統硬件組成

本文基于LXI總線技術構建數據采集系統，系統由EX1200機箱、EX10XXA系列模塊、PSI9116壓力測量模塊、數據采集/監測計算機等組成，滿足試驗中各類信號測量需求。

核心機試驗臺測點集中在試驗間，為減少線纜連接，將測量氣壓的壓力測量模塊集中安裝在壓力測試機柜中，測量溫度、轉速、液壓等信號的模塊安裝在數采測試機柜中，壓力測試機柜和數采測試機柜均放置在試驗間。數據采集/監測計算機都安裝在操縱間，分布在試驗間和操縱間的設備、計算機通過網線連接起來，構建成網絡分布式數據采集系統，如圖1所示。

系統采用硬件觸發來保證數據同步，即所有數據采集設備使用一個外部觸發源，同一時刻接收觸發信號，采集的時間間隔由外部觸發信號統一控制。

4? ? 數據采集處理軟件設計

數據采集處理軟件是系統的管理和調度中心，軟件的主要任務有系統配置、控制硬件、數據采集、計算、存儲、顯示等。若采用通常的軟件設計方法，程序繁瑣、維護困難且不易于擴展，故采用模塊化、結構化程序設計方法[3]。根據軟件功能，設計五大功能模塊：主控制模塊、硬件接口模塊、業務邏輯模塊、顯示模塊和數據庫模塊，模塊組成如圖2所示。

各模塊描述如下：

（1）主控制模塊：整個軟件核心，對數據采集、計算、顯示、存儲、分析等進行管理和統一調度，與用戶進行人機交互。

（2）硬件接口模塊：與硬件匹配，負責連接硬件、配置硬件、采集數據并解析、關閉設備。根據不同硬件類型，每類硬件單獨設計程序，構成一個組件。

（3）業務邏輯模塊：實現軟件所有業務功能，如軟件配置、開始采集、數據回放、系統校準、數據報表等。

（4）顯示模塊：負責數據的多功能顯示及顯示參數配置，包括全數據界面、曲線界面、虛擬儀表界面、核心機狀態顯示等。

（5）數據庫模塊：負責試驗數據存儲、數據回放、數據表導出以及數據庫備份和還原功能。

軟件對每個功能模塊的任務進行二次分解，細分成多個功能組件，各個組件單獨進行程序設計，封裝成動態鏈接庫，并提供標準接口函數。

5? ? 軟硬件調試

系統設計完成后，在該試驗臺進行軟硬件集成及聯合調試。根據硬件線纜連接情況在數據采集處理軟件中進行通道配置，采樣率設置為50 Hz，軟件運行期間，向電壓、熱電偶、頻率等通道輸入標準信號，軟件界面上顯示測量值，結果表明測量值與標準信號一致。當信號源輸入改變時，測量值也迅速變化，表明系統能實時響應輸入變化。為測試同步觸發精度，取出系統穩定運行12 h內EX10XXA、EX1538模塊的時間戳（由秒、納秒兩部分）構成，表示模塊的絕對時間，部分時間戳如表1所示。

系統采集的第一包數據，各模塊時間戳中秒部分完全相同，納秒部分最大值和最小值分別為：192 093 862和192 076 040，兩者之間的差值為17.822 μs。對后續兩包數據的時間間隔進行分析，EX10XXA、EX1538模塊的間隔均為20 ms，嚴格按照50 Hz速率同步更新。為確定系統的數據同步精度，對12 h每包數據的時間戳進行分析，同一包數據納秒部分的最大值和最小值分別為：612 097 046和612 072 240，時間差異為24.806 μs。由此表明，系統穩定運行采樣率達到50 Hz，數據同步精度高，達到25 μs。

6? ? 結語

本文基于LXI總線構建了分布式數據采集系統，系統采用靈活的軟硬件架構、先進的測量設備以及自主設計的測試軟件，較好地滿足了核心機各項測試需求。應用結果表明，該系統在50 Hz運行，數據同步精度達25 μs，采樣指標達到國內外同行業數據采集軟件同等水平，具有較高的工程技術推廣及應用價值。

[參考文獻]

[1] 張寶誠.航空發動機試驗和測試技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2] 李正榮.基于LXI總線的壓氣機試驗臺測試系統設計及應[J].計算機測量與控制，2016，24（7）：39-41.

[3] 溫昱.軟件架構設計[M].北京：電子工業出版社，2012.

收稿日期：2020-05-18

作者簡介：陳利（1989—），女，四川南充人，碩士研究生，工程師，研究方向：航空發動機測試。