冉景洪，趙 玲，季 辰，劉子強

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074）

基于LabVIEW的顫振激勵信號生成與測試系統(tǒng)研究

冉景洪，趙 玲，季 辰，劉子強

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074）

基于NI公司的數據采集硬件設備，結合跨音速風洞顫振試驗特點，用LabVIEW語言為顫振試驗設計了一套激勵信號生成與多通道同步動態(tài)信號采集系統(tǒng)。設計的系統(tǒng)成功實現(xiàn)了新型IEPE傳感器和傳統(tǒng)電荷式傳感器兼容、加速度信號與應變信號同步采集、激勵信號生成與多通道數據采集同步、直接內存讀取數據、數據無限時存盤、信號實時顯示等方面的功能。經試驗驗證，該系統(tǒng)設計方案完全滿足顫振試驗數據采集的要求，獲得良好的測試結果，在多功能同步采集系統(tǒng)設計方面取得了技術性應用成果。

顫振試驗；信號生成；數據采集；風洞試驗；LabVIEW語言

1 引 言

氣動彈性問題的研究對設計高性能飛行器有著舉足輕重的作用。特別是近空間高超音速飛行器，它有廣闊的飛行包線，并對結構重量有著嚴格的限制，大量使用超輕質、高強韌材料，因而機體整體和部件的柔性變形不可忽略。它還需要經歷長時間氣動加熱的影響，一方面導致結構材料的機械性能變化，另一方面氣動加熱產生的熱應力對結構振動和氣動彈性特性都會產生復雜的影響[1-2]?；谶@些原因，氣動彈性研究特別是顫振、抖振和發(fā)散現(xiàn)象的研究就顯得更加重要。

眾所周知，理論分析、試驗探索和數值計算三種研究手段中，試驗分析是獲得新型結構特性和氣動性能的最可靠的手段。考慮到風洞試驗流動速度高、干擾大、試驗空間小、顫振現(xiàn)象發(fā)生時間不確定等因素的存在，一套性能優(yōu)異、功能齊全的數采系統(tǒng)必然也就成了試驗研究中必不可少的工具。

氣動彈性試驗特別是顫振試驗需要測量的參數比較多，通常要求在具備生成激勵信號功能的同時，還要能夠同步地采集力、多通道的加速度以及應變信號。為了捕捉顫振現(xiàn)象發(fā)生時的響應特性，還要求數采系統(tǒng)能夠不限時間地連續(xù)采集和存儲，并實時顯示與監(jiān)測分析，這對硬件定時的高速采集、數據存儲的可靠性都提出了很高的要求。該文針對氣動彈性研究中的顫振試驗用LabVIEW語言為相應的硬件設備設計了一套激勵信號生成與多通道同步的動態(tài)信號采集系統(tǒng)，經試驗驗證該設計方案滿足試驗要求。

2 顫振試驗對數據采集系統(tǒng)的要求

（1）顫振試驗常需要對模型輸入激勵信號，故數據采集系統(tǒng)須具備信號生成功能，將生成的信號通過功放后輸入激振器激勵模型振動。

（2）試驗中必須記錄下激振器傳給模型的激勵力。因此，要能夠采集力信號。與此同時，模型的振動響應將以加速度和應變的形式輸出，數采系統(tǒng)還要能夠同時采集快速響應的加速度信號和緩慢變化的應變信號。

（3）數據分析理論要求激勵源、力、加速度和應變信號同步采集，且因試驗中可能同時使用或在不同實驗室用分別使用傳統(tǒng)電荷式和新型IEPE兩種加速度傳感器，還要求數據采集系統(tǒng)具備兼容帶激勵電流測量和不帶激勵電流的測量這兩個功能。

（4）為捕捉顫振現(xiàn)象發(fā)生時刻的響應特性，數據采集必須能夠實時記錄整個非定常的試驗過程，包括所有物理量變化過程和時間同步，即要實現(xiàn)大量數據的無限時高速流盤，并實時同步地顯示流動參數變化情況，以便監(jiān)測之用。

（5）由于試驗中流速較高，風洞振動和環(huán)境干擾比較大，因此要求系統(tǒng)具備較高的抗干擾能力。

3 試驗硬件設備

激振器（含功放）1臺、ENDEVCO牌IEPE力傳感器1只及IEPE加速度傳感器2只、BK牌電荷式加速度傳感器及電荷放大器1套、已貼好2路全橋應變橋的機翼模型、NI公司PXI-1042機箱1臺、PXI-8106嵌入式控制器1塊、PXI-4461信號生成與快信號采集卡1塊、PXI-4462快信號采集卡1塊、PXI-4220應變信號采集卡2塊，具體連接情況如圖1所示。

圖1 試驗設備連接示意圖

4 系統(tǒng)結構及關鍵技術

因PXI構架采用了PC技術，保持了PC總線技術的優(yōu)點。同時，NI公司的PXI平臺堅固耐用[3]。因此，設計方案采用了結構化和模塊化設計原則，建立了一套基于PXI總線的數據采集系統(tǒng)。其關鍵技術描述如下：

4.1 任意波形信號的生成

顫振試驗有時需對模型進行激振，常用的有正弦、脈沖和隨機白噪聲等激勵信號，LabVIEW語言都有這些信號的庫函數[4]。該文調用LabVIEW動態(tài)鏈接庫中的模塊Waveform Buffer Generation.vi子VI來實現(xiàn)信號生成。其工作原理如下：先基于PXI-4461采集卡Buffer（板卡內存而非計算機內存）的最大尺寸以數據個數的形式定義一個合適的使用空間Samples Per Buffer后，結合物理概念定義這個Buffer內全部數據是多少個周期即Cycles Per Buffer，同時給幅值、相位或白噪聲相關參數等賦值；程序運行后先生成Samples Per Buffer個數據存入板卡Buffer后，由板件硬件時鐘按指定速率發(fā)給DA轉換器，從而生成指定波形的激勵信號，見圖2。

圖2 信號生成模塊的程序框圖

4.2 電荷式傳感器與IEPE傳感器的兼容

電荷式加速度傳感器在使用過程中產生的電荷需經專門的電荷放大器后才能輸出電壓；而IEPE傳感器則是一種自帶集成電路芯片的新型傳感器，可在恒流激勵下感應加速度后直接輸出電壓。LabVIEW語言根據這一原理分別為它們設計了不同的庫函數，故使用兩者在同一系統(tǒng)中測量加速度時需區(qū)別對待。

該文設計兼容性時用LabVIEW的Case選擇結構在所有通道上都加入了選擇按鈕，要求指明輸入信號的傳感器類型。具體設計時對每塊多通道采集卡的獨立功能建一個任務，用數組的一個元素（簇）描述一個通道，該簇可記錄每通道的信息，比如輸入數值或輸入屬性等，循環(huán)執(zhí)行即可形成一個數組，與任務對應。用戶在前面板界面上滑動水平滾動條指定通道（對應一個簇元素），再根據傳感器實際連接情況指定輸入信號類型后（DSA Input Type）就可調用LabVIEW的不同庫函數來驅動硬件進行數據采集工作，從而就可以在采集中同時使用兩種傳感器了，如圖 3（a）～圖 3（d）所示。

4.3 信號生成與多通道信號采集的同步

獲取同步信號是物理研究的基礎，也是衡量數采系統(tǒng)性能的重要指標。采樣頻率、時鐘和觸發(fā)源都相同是同步采集的基礎，分3種情況：

圖3 電荷式傳感器與IEPE傳感器的兼容方案

（1）信號生成與數采同步。PXI-4461是一塊既能生成信號，又能采集動態(tài)信號的高性能采集卡。該文將兩個功能各自指定一個Task后，在共享時基和觸發(fā)源的情況下指定相同的采樣率就實現(xiàn)了生成與采集同步。

（2）快變化信號采集卡之間同步。PXI-4461和4462屬同系列板卡，都使用過采樣時鐘原理進行工作，每塊板卡各有一個時鐘系統(tǒng)，故需將兩種板卡共享同一時基和同一觸發(fā)源后，再指定相同采樣率才能實現(xiàn)同步采集。注意，只能用PXI-4462作主卡插入機箱的Slot2插槽，即共享4462的時基和觸發(fā)源，反之則不行。因PXI-4461的時基在輸出到信號生成和采集兩個Task后就沒有多余線路將時基輸出到PXI總線用于共享了；而PXI-4462作主卡后，其時基除了輸出到自身信號采集Task后，還有條線路可路由到PXI總線上供其他板卡共享。

（3）快變信號采集卡與緩變信號采集卡之間的同步。PXI-4461和4462兩塊快信號采集卡使用的是過采樣時鐘，必須共享時基來實現(xiàn)同步；而PXI-4220應變信號采集卡使用的是采樣時鐘，則只能共享時基分頻實現(xiàn)同步。

該文選PXI-4462作主卡，取其觸發(fā)源供所有板卡使用，并將其時基輸到PXI總線上供PXI-4461使用，再將其采樣時鐘共享給PXI-4220，如圖4所示。

圖4 數據采集系統(tǒng)設計同步的程序框圖

圖4中①是將PXI4462的采樣時鐘（時基分頻）路由給PXI-4220；②是將PXI4462的時基路由給PXI-4461的信號生成Task和信號采集Task，這兩者結合保證了整個數采系統(tǒng)使用同一時鐘；③是將PXI4462的同步觸發(fā)源路由給其他所有板卡，再指定相同的采樣率即實現(xiàn)了所有板卡同步。

4.4 無限時大量數據高速流盤技術

由于PXI-4461和PXI-4462都是最高采樣率為204.8KS/s、24位精度的高性能采集卡，若10個通道同時使用數據流量將達到至少3Mb/s。且顫振現(xiàn)象發(fā)生的時刻還不能確定，故數采系統(tǒng)必須使用流盤技術才能做到無限時大量數據存盤[5]。

基于PXI-4461/4462和PXI-4220都支持的DMA（Direct Memory Access）數據傳輸方式，直接將數據采集系統(tǒng)ADC獲得的數據傳輸到計算機內存后，借助循環(huán)緩存技術（雙緩存技術Double-buffering）實現(xiàn)高速流盤。即通過定義隊列在計算機內存中開辟一塊空間[6]，容量大小定為所有通道一起工作時其采樣率×通道數的兩倍。一方面各板卡的ADC在“生產者-消費者”模式的“生產者”環(huán)節(jié)中采集數據后，以DMA方式將數據傳到隊列中，一次讀取的采樣數為一倍采樣率×通道數的大小；另一方面計算機在程序控制下同時從“消費者”環(huán)節(jié)中以二進制形式將數據存入硬盤，以保證程序不停地從ADC中將數據讀入內存，且一個不漏地將數據從隊列中取走并存入到硬盤里，詳細實現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5中①是將所有通道采集到數據組成數組后以DMA的方式送入隊列；同時從②將數據從隊列中讀出來以二進制的方式寫入硬盤。

圖5 高速流盤技術及實時顯示的程序框圖

4.5 動態(tài)信號數據實時顯示與監(jiān)測技術

傳統(tǒng)的試驗中只能通過觀察模型或示波器監(jiān)視響應情況，但當前的數采系統(tǒng)支持信號實時顯示功能，可用于監(jiān)測試驗狀態(tài)變化動向，LabVIEW語言中的Waveform Chart（波形圖表）就是專門為動態(tài)信號數據實時顯示而設計的。

該文將ADC采集的數據流引一條分支進波形圖表來進行監(jiān)測[7]，起到和示波器完全相同的作用，優(yōu)點是大大簡化整個試驗設備，程序框圖如圖5中位置③處所示。

4.6 采集系統(tǒng)抗干擾處理技術

低干擾、高信噪比的信號無疑是所有研究試驗都期待的結果，但大干擾和高噪在實際工作中總是不可避免的問題，關鍵問題在于如何盡可能地降低干擾，提高信噪比。該文設計的方案中從如下兩個方面進行：

（1）設低通濾波器。對于PXI-4220這兩塊慢信號采集卡，在設計過程中通過屬性節(jié)點保證采集任務啟動時打開其低通濾波功能，其調用方式如圖6所示。

（2）提高采樣頻率。對于PXI-4461/4462這兩塊快點信號采集卡，本身自帶的抗混疊濾波功能會在數據采集啟動時自動打開。除此以外，將采樣頻率設定為所關心信號成份頻率的5倍以上便可盡可能減少由于采樣率過低而導致的誤差[8]。由于顫振試驗所關心頻率通常在2 000Hz以下，最可能引發(fā)顫振現(xiàn)象的頻率在500Hz以下，所以這樣處理導致采集系統(tǒng)引入的高頻干擾對顫振試驗數據的要求和結果影響不是很大。

5 數據采集系統(tǒng)軟件

基于上述關鍵技術，結合程序設計中的模塊化原則，充分考慮操作員誤操作容錯處理和采集參數最優(yōu)化選擇等因素后[9]，開發(fā)出了一套與硬件緊密結合的數據采集系統(tǒng)軟件，其主體構架如圖7所示。

圖7 SGADSAS軟件主體構架圖

除所有信號全部同步以外，其主要功能如下：

5.1 任意波形的信號生成

用戶可定義物理頻率（Desired Frequency）、波形類型、幅值、是否疊加白噪聲、白噪聲類型等信號生成參數和期待的數據采集采樣率（點/s），然后指定用PXI-4461的ai0還是ai1通道輸出信號。Samples Per Buffer和Cycles Per Buffer在經過優(yōu)化設計后由程序根據信號的物理頻率和期待采集數據的采樣率進行自動優(yōu)化選擇，其重要關系式如下：

波形所含點數：Samples Per Cycle=Samples Per Buffer÷Cycles Per Buffer

系統(tǒng)實際采樣率：Resulting Sample Clock Rate=Desired Frequency×Samples Per Cycle

注意，系統(tǒng)實際采樣率是在考慮激勵信號生成與響應信號數據采集同步時特針對該系統(tǒng)作優(yōu)化設計情況下的特殊參數，與期待采樣率可能相同，也可能不同，但絕不是定義物理硬件采樣率的公式。

5.2 力信號采集與加速度信號采集

PXI-4461和4462兩塊板卡的6個通道可采集6路信號力或加速度信號，且兼容電荷式傳感器和IEPE式傳感器，其最高采樣速率為每通道208KS/s。

5.3 應變信號采集

兩塊PXI-4220緩變信號采集卡一共可以采集4路應變橋（全、半或1/4橋均可），在開啟同步保持的情況下同時使用4個通道采集數據，其最高采樣率為每通道66KS/s。若每塊板卡只啟用1個通道采集數據時其最高采樣率增加為每通道100KS/s。當PXI-4461、PXI-4462、兩塊PXI-4220共4塊板卡同時使用時，系統(tǒng)最高采樣率取決于最慢板卡的情況，即由PXI-4220決定，為每通道66KS/s。

5.4 實時顯示動態(tài)信號變化情況

設計的軟件能夠分為力信號、加速度信號和應變信號3個波形圖表單獨顯示各種不同類型的信號。

5.5 數據無限時大流量流盤

在硬盤有空間的情況下，數采系統(tǒng)已經實現(xiàn)將采集的數據直接存入硬盤的功能，從而打破了內存容量的限制。理論上只要硬盤夠大，就可以永遠采集數據。

6 結束語

運用設計的SGADSAS數據采集系統(tǒng)在風洞里對NACA0012機翼模型進行了顫振試驗，試驗過程中4塊板卡全部啟用，在生成激勵信號的同時同步采集了力信號、加速度信號和應變信號。

硬件系統(tǒng)工作正常表明，所設計的軟件能夠正常驅動硬件進行數據采集工作。從同步通道測量同一標準信號的結果分析得知，測量結果誤差小于0.000001，速變信號采集通道嚴格同步，細微的差別是由于采集板卡24位精度及信號強度方面的原因所致。用所有通道對同一模型振動數據的采集分析結果表明，沒有相位差且系統(tǒng)具有較高的測量準確度和較強的抗干擾能力，可直接服務于顫振試驗數據采集工作，達到了預期的目的和設計要求。

相比傳統(tǒng)數采設備采集時間有限制，只能借助于示波器監(jiān)測響應變化趨勢，且儀器數量較多的情況，該設計方案大大地簡化了研究人員的操作強度和勞動量，是數據采集在顫振試驗設備方面的一次重要技術應用。

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Design of excitation signal generation and data acquisition system for flutter test based on LabVIEW

RAN Jing-hong，ZHAO Ling，JI Chen，LIU Zi-qiang
（China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China）

Based on the characteristics of flutter test in wind tunnel and NI DAQ equipments，a dynamic synchronous data acquisition（DAQ）system with excitation signal generation was designed for flutter test based on LabVIEW.The system can realized several functions，such as compatibility for IEPE transducer and traditional charge transducer，synchronous data acquisition of acceleration signal and strain signal， synchronous signal generation and DAQ， direct memory access，unlimited data streaming as well as dynamic signal real-time display.The validation test showed that the designed system could meet the requirements of flutter test and it was a successful technique application of signal generation and multi-channel dynamic DAQ for flutter test in wind tunnel.

flutter test；signal generation；data acquisition；wind tunnel test；LabVIEW

TP311.52；TM930.12

A

1674-5124（2011）01-0084-05

2010-02-09；

2010-04-28

冉景洪（1980-），男，貴州思南縣人，工程師，碩士，主要從事低雷諾數流動和氣動彈性研究。