地面模拟试验数据采集的分析

1功能概述

任何一款民用飞机的研制,从设备到系统集成再到全机,都需要经过一整套复杂而周密的试验项目来检验测试,而测试数据是支撑整个试验验证体系的原始依据。液压系统地面模拟试验属于系统综合级试验室台架设计验证试验,是民用飞机需求验证体系中一个重要的组成部分[1]。数据采集与分析系统(以下简称“数采系统”)则是试验中用于采集和分析被试系统中相关测试参数的关键试验设备[2],也是液压系统地面模拟试验的数据中心。它以硬件集成和数采软件开发为核心,旨在完成试验中液压压力信号、流量信号、温度信号、机械量信号(踏力、角位移、线位移等)、电压电流信号、离散信号和ARINC429总线信号的采集、显示、记录,并对事后数据进行管理、分析和判断。

2技术要求

液压数采系统的主要功能及指标要求如下:(1)完成液压系统加装传感器信号(如压力、流量、温度、力、位移、电压、电流等)的采集、显示、数据保存。(2)系统应满足各采集通道的精度要求。(3)可根据信号类型分别设置不同的采样速率。(4)应满足实时性要求,具有实时通讯、实时处理功能。(5)液压系统机载信号(系统压力、系统温度、系统油位、离散量以及ARINC429总线)的采集通道需要做好隔离措施,避免引入干扰。(6)系统应具有多重处理系统保护功能和数据保护功能。(7)系统应具有试验数据事后分析处理功能。(8)硬件必须具有可扩展能力,满足将来试验系统升级需要。(9)设备整体平均无故障时间(MTBF)不低于6000小时。

3数据采集与分析系统设计

3.1硬件组成

经过对液压地面模拟试验上述技术要求分析,以下给出数采系统的方案设计和实施。数采系统的硬件组成见图1所示。它主要由机柜、电源、信号分配箱、SCXI机箱、测试终端、服务器及客户端组成。电源、信号分配器、测试终端机服务器都安装在机柜上。信号分配箱是外部加装测试传感器、液压及起落架系统传感器和ARINC429信号与数采系统交联的接口,并留有故障检测端口。为了消除对系统工作的干扰,截取自系统的信号与数采系统之间采取了隔离措施。测试终端执行各类模拟信号与总线信号的数据采集,并将数据分别发送至服务器和客户端。部分模拟信号在经SCXI调理机箱调理后再发送到测试终端采集。测试终端及SCXI调理机箱的配置与采集处理的信号类型对应关系分别如表1、表2所示。服务器既承担试验数据、资源配置和文件的存储,又是系统指令调度与判断的中枢环节。客户端是用户与数采系统之间的人机接口。数采系统的资源配置、试验配置、监控显示以及(文秘站:)数据分析都是在客户端上操作完成的。

3.2通讯接口

三套网络配置将测试终端、服务器、客户端紧密的连接起来,并以此作为与其它试验设备交联数据的接口。它们分别是用于时间同步的1588网络、用于实时数据交换的VMIC网络以及用于控制命令与数据交换的千兆以太网。(1)1588同步网络接口。数采系统采用高性能hub组建同步网络,使用NI公司的1588同步模块,实现数采系统内部服务器和测试终端的时间同步,同步精度可以达到±210ns。数采系统还可以接入外部1588时钟源或IRIG-B时钟源,实现与外部系统的时间同步。(2)VMIC光纤反射内存网接口。反射内存网络拓扑结构采用星型结构,主要用于与其他系统进行实时数据的交互。其数据传输延迟可达到微秒级,能够达到实时通讯,满足本系统与其他系统之间数据实时传输要求在1ms内的需求。(3)千兆以太网接口。千兆以太网采用星型结构,主要用于数采系统内部传递试验指令和试验数据,也可以与其它外部系统进行网络通讯。

3.3软件架构及功能

如图2所示,数采系统软件采用模块化设计,依据系统硬件组成特点,分为客户端软件、服务器软件、和测试终端软件。三者之间通过TCP/IP网络通讯协议传输指令和试验数据。各软件模块功能如下:(1)客户端软件。客户端软件在Windows7操作系统下基于Labwindows/CVI2012平台开发。①用户管理:负责管理系统管理员、普通用户的用户名、密码及使用权限。②资源管理:创建、编辑、保存系统的板卡、采集通道、总线等资源,并形成配置文件下发至终端。③试验配置:参与试验的测试通道个数、采样率、人员、环境条件等。④试验监控:包括实时显示试验数据和试验数据记录的开始与结束的控制。两者并行工作互不影响。⑤数据管理:对所有历史试验数据的管理,包括查询、回放、分析、处理与导出等。⑥网络通讯:下发开始/停止数据记录的指令至服务器,接收来自测试终端的用于监控显示的试验数据。(2)服务器软件。服务器选用联想公司的IBMX3650M4,搭配windowsserver2008R2操作系统,基于Labwindows/CVI2012及SQLServer2008R2开发下列功能。①数据库:涉及所有数采系统的板卡、采集通道、计算公式、传感器、试验数据、用户等的数据库操作。②数据存储:用户执行数据记录开始操作后,将测试终端发来的试验数据实时存储在服务器上。③网络通讯:接收来自测试终端的试验数据以及来自客户端的操作指令。(3)测试终端软件。测试终端软件主要基于NI的LabViewRT开发相关功能。①数据采集:根据用户下发的硬件配置采集所有测试通道的数据,包括加装传感器信号、系统传感器信号及总线ARINC429信号。②数据计算:将采集到的传感器输出原始电压(电流)信号按照用户设置的计算公式进行运算,得到可用于监控和记录的最终试验数据。③网络通讯:将试验数据发送至服务器存储,发送至客户端用于监控。

4若干关键技术

4.1实时性

数采系统采用分布式网络结构,测试终端实时性要求1ms。实时性体现在两个方面,一是数采系统执行是实时的,二是网络传输是实时的,分别由实时操作系统和实时网络来保证。即1ms内必须完成数据采集,并到实时网络上。测试终端软件配置三个线程。为满足1ms实时数据交联,线程一采用1ms定时器,主要为执行数据采集、数据计算、光纤反射内存网数据程序。线程二采用200ms定时器,执行以太网数据程序,保证了客户端显示的实时性,以太网数据传输3~5次/s。线程三采用1s定时器,执行数据存储程序,每个1ms实时周期内仅占用时间小于52us,可以留给实时任务更多的裕度,实时周期的抖动更小,定时更稳定。按照优先级从高到低,线程一优先级最高,线程二次之,线程三优先级最低,这样防止优先级倒置,完全可以满足1ms的实时交联要求。网络传输的实时性,以太网传输延迟小于5ms,以200ms线程发送数据完全可以保证。光纤反射内存网数据传输延迟小于700ns,以1ms线程发送数据也是完全可以保证。

4.2信号隔离

在对液压系统的系统压力、系统温度、离散量等信号进行截取式采集时,数采系统本身尤其需要加强抗干扰设计,不应数采系统的引入而对被试系统计算机与传感器的正常工作造成影响,应综合考虑电路功能性设计、滤波、屏蔽以及接地搭接等[3]。为此,在数采系

统与液压系统之间采取了如图3所示的隔离电路。采用ISO124隔离运算放大器,其输入端增加一级JFET输入运算放大器作为缓冲放大器,可以使电路输入阻抗大于1012。隔离运算放大器的输入部分,采用DC/DC电源模块单独供电,可以确保该路输入信号和信号地完全隔离。ISO124隔离运算放大器的输出部分,统一供电与数据采集板卡共地。对于机载电压类信号,隔离电路的输出经缓冲放大器后,直接输入PXI控制器的AD模块;对于离散量信号,隔离电路的输出经一级NPN三极管变换成24V地信号后,直接输入测试终端的PXI-6528。 5结语

试验设备的研制是开展飞机系统地面模拟试验至关重要的前期准备工作。基于试验测试需求,本文从硬件组成、软件架构及功能等方面,给出了数据采集与分析系统的解决方案,并以此应用于某型民用飞机液压系统地面模拟试验,完成了对试验中各类加装传感器信号及液压系统内部截取信号的采集、显示、存储以及试验数据的事后分析处理。