王　征， 郭李艷， 李　強(qiáng)， 王智勇， 張　敏

(西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所， 陜西 西安 710025)

在現(xiàn)代測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域中， 虛擬儀器是現(xiàn)在和未來自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的主要發(fā)展方向. 虛擬儀器基于軟件技術(shù)設(shè)計(jì)， 通過計(jì)算機(jī)提供的強(qiáng)大圖形環(huán)境和功能擴(kuò)展能力， 建立圖形化的虛擬儀器面板， 完成對(duì)儀器的控制， 數(shù)據(jù)采集， 數(shù)據(jù)測(cè)量， 數(shù)據(jù)分析處理， 測(cè)量結(jié)果顯示與存儲(chǔ)等功能. 選用NI公司的基于PXI總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備儀器作為硬件系統(tǒng)， 以NI-CVI軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的虛擬儀器系統(tǒng)軟件開發(fā)， 能夠滿足固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的多通道， 高精度的技術(shù)要求[1].

1　系統(tǒng)方案

1.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試驗(yàn)過程中， 通過測(cè)量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、 壓強(qiáng)、 應(yīng)變、 溫度等參數(shù)， 以反映發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中的內(nèi)彈道性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)需求. 在進(jìn)行高精度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前， 首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)試驗(yàn)需求確定系統(tǒng)所要完成的數(shù)據(jù)采集任務(wù)和性能指標(biāo)； 其次， 應(yīng)當(dāng)在滿足性能指標(biāo)的前提下， 盡可能地提高系統(tǒng)的性價(jià)比.

測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求如下：

1) 推力壓強(qiáng)信號(hào)采用8通道全橋模式電壓輸入模塊， 單通道采集速率2 kSa/s， 采樣精度優(yōu)于0.05%， 16 b AD轉(zhuǎn)換.

2) 應(yīng)變信號(hào)采用20通道1/4橋模式電壓輸入模塊， 單通道采集速率1 kS/s， 采樣精度優(yōu)于0.01%， 16 b AD轉(zhuǎn)換.

3) 溫度及其他電壓信號(hào)采用30通道直通模式電壓輸入模塊， 單通道采集速率2kS/s， 采樣精度優(yōu)于0.05%， 16 b AD轉(zhuǎn)換.

測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求如下：

1) 可以進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)硬件信息的查看， 設(shè)置當(dāng)前試驗(yàn)信息， 對(duì)系統(tǒng)硬件對(duì)應(yīng)的物理通道進(jìn)行設(shè)置.

2) 通過通道選擇， 能夠進(jìn)行所有通道的單通道信號(hào)監(jiān)測(cè).

3) 具備傳感器校準(zhǔn)功能， 可以對(duì)推力、 壓強(qiáng)、 應(yīng)變等參數(shù)對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行通道校準(zhǔn). 獲得校準(zhǔn)結(jié)果， 以txt格式或者word格式保存.

4) 具備點(diǎn)火試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集功能， 包括采集通道設(shè)置， 單通道參數(shù)監(jiān)測(cè)， 采集數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式保存.

1.2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1系統(tǒng)硬件方案

由于PXI 總線模塊允許PXI 系統(tǒng)把不同類型的采集模塊組合在一起， 以及PXI的優(yōu)良定時(shí)總線結(jié)構(gòu)， 絕大多數(shù)時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)傳遞都在內(nèi)部完成， 使得外部連線大大減少， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將非常簡單. 考慮到高精度測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)滿足的采樣頻率和分辨率、 PXI總線結(jié)構(gòu)以及性價(jià)比等因素， 系統(tǒng)采用NI公司的PXI-1052集成SCXI總線的PXI機(jī)箱作為系統(tǒng)機(jī)箱， 共4個(gè)PXI總線槽位， 可配置通訊板卡和A/D采集板卡， 有8個(gè)SCXI槽位可進(jìn)行信號(hào)調(diào)理板卡配置， 機(jī)箱板卡配置如下:

1) PXI總線槽位1配置NI PXI-PCI 8360通訊控制卡(與計(jì)算機(jī)相連)， 實(shí)現(xiàn)測(cè)試機(jī)箱與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊.

2) PXI總線槽位4配置NI PXI-6229多功能數(shù)據(jù)采集卡作為A/D采集板， 采樣頻率為250 Ks/s， 16 b A/D.

3) SCXI總線槽位1配置NI SCXI-1520 8通道通用全橋輸入模塊作為推力、 壓強(qiáng)信號(hào)的信號(hào)調(diào)理板卡， 采用全橋配置模式， 供橋電壓為10 V， 可編程增益設(shè)置. 使用NI SCXI-1314全橋輸入模塊前置接線盒.

4) SCXI總線槽位2， 3， 4配置NI SCXI-1520 8通道通用全橋輸入模塊作為應(yīng)變信號(hào)的信號(hào)調(diào)理板卡， 采用全橋配置模式， 供橋電壓為10 V， 可編程增益設(shè)置. 使用NI SCXI-1314全橋輸入模塊前置接線盒.

5) SCXI總線槽位5配置NI SCXI-1102c 32通道電壓信號(hào)輸入模塊作為溫度和其他電壓信號(hào)的信號(hào)調(diào)理板卡， 可編程增益設(shè)置. 使用NI SCXI-1303差分信號(hào)輸入模塊前置接線盒.

采集機(jī)箱與計(jì)算機(jī)通過PCI-PXI8360通訊控制卡連接， 連接線使用NI MXI-4數(shù)據(jù)線， 傳輸速率為100 MB/s， 采集系統(tǒng)的吞吐量指標(biāo)以系統(tǒng)最高的采樣頻率和分辨率計(jì)算為: 吞吐量= 64通道×2 000 Hz×16 bit=2.048 Mbit， 因而可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的要求[2].

1.2.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與信號(hào)傳輸

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. 系統(tǒng)在完成采樣時(shí)鐘、 觸發(fā)和相關(guān)同步信號(hào)的產(chǎn)生和分配后， 進(jìn)行3種信號(hào)類型共64 通道的數(shù)據(jù)采集.

圖 1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Diagram of system hardware structure

前端信號(hào)進(jìn)入采集模塊的途徑分別是: 推壓力信號(hào)使用差分方式按全橋配置接法接入NI-SCXI-1314 調(diào)理器接線盒； 應(yīng)變信號(hào)使用差分方式按1/4橋配置接法接入NI SCXI-1314 調(diào)理器接線盒； 溫度及其他電壓信號(hào)使用差分方式接入NI SCXI-1303調(diào)理器接線盒. 信號(hào)通過相應(yīng)槽位的NI SCXI-1520和NI SCXI-1102調(diào)理模塊調(diào)理后通過機(jī)箱背板適配器傳輸給NI PXI -6229多功能數(shù)據(jù)采集卡， 通過PXI-PCI8360通訊板卡經(jīng)MXI-4數(shù)據(jù)傳輸線傳遞至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[3].

1.3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖 2　三層模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2　Diagram of three-layer model structural design

1.3.1軟件開發(fā)平臺(tái)

高精度測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)使用基于windows平臺(tái)的LabWindows/CVI， 驅(qū)動(dòng)程序接口使用的是MAX(Measurement & Automation Explorer). LabWindows/CVI是美國國家儀器公司(National Instrument Company， 簡稱NI) 推出的一種基于C/C++語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具， MAX 可以為用戶提供對(duì)硬件的各種設(shè)置和測(cè)試.

1.3.2高精度測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想

高精度測(cè)試系統(tǒng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)處理， 使用MAX應(yīng)用程序?qū)y(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)機(jī)箱和板卡的配置， 使用NI-Daqmx 函數(shù)庫對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng). 由于系統(tǒng)是交付用戶使用， 所以要求人機(jī)交互性強(qiáng)， 操作簡便， 所有的數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)處理功能全部封裝在程序中， 整體設(shè)計(jì)遵從3層模型設(shè)計(jì)思想， 如圖 2 所示.

通過3層模型將人機(jī)交互、 硬件驅(qū)動(dòng)、 數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)3層模型之間通過交互指令， 信息反饋和采集數(shù)據(jù)連接起來， 軟件的每一個(gè)功能模塊都可以按照這種設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)， 在進(jìn)行程序編寫和軟件維護(hù)時(shí)層次明顯， 易于編寫. 由于是系統(tǒng)集成開發(fā)， 硬件驅(qū)動(dòng)通過NI-Daqmx庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)， 所以軟件的重點(diǎn)放置在人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)方面[4].

1.3.3軟件功能流程

軟件需要實(shí)現(xiàn)3大功能： 通道監(jiān)視功能， 通道校準(zhǔn)功能和數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)功能. 軟件總體結(jié)構(gòu)流程如圖 3 所示.

圖 3　軟件流程圖Fig.3　Flow chart of the software

通過NI MAX系統(tǒng)配置軟件進(jìn)行NI設(shè)備板卡配置， 將硬件信息(機(jī)箱、 板卡、 接線端子等硬件信息)寫入NI_MAX_config.ini文件中， 所以對(duì)此文件進(jìn)行讀取以獲取詳細(xì)的硬件配置信息， 完成系統(tǒng)初始化.

在系統(tǒng)設(shè)置模塊中， 主要完成試驗(yàn)信息的錄入、 通道的設(shè)置， 包括通道選擇、 通道增益設(shè)置、 對(duì)應(yīng)參數(shù)名稱和傳感器編號(hào)的設(shè)置等.

圖 4　數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4　Flow chart of data acquisition

通道監(jiān)視模塊完成對(duì)通道的選取和當(dāng)前通道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 以電壓量、 物理量和數(shù)據(jù)曲線顯示.

參數(shù)校準(zhǔn)模塊完成當(dāng)前選取通道對(duì)應(yīng)傳感器的校準(zhǔn)功能， 包括校準(zhǔn)信息設(shè)置、 校準(zhǔn)臺(tái)階值設(shè)置、 校準(zhǔn)方式設(shè)置(推、 壓力校準(zhǔn)與應(yīng)變校準(zhǔn)方式的區(qū)分)、 校準(zhǔn)過程有效數(shù)值獲取、 以及校準(zhǔn)結(jié)果的保存.

數(shù)據(jù)采集模塊針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試驗(yàn)的特點(diǎn)， 在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程中， 完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集， 數(shù)據(jù)曲線顯示和所有通道采集數(shù)據(jù)的二進(jìn)制格式保存[5,6].

1.3.4數(shù)據(jù)采集流程

軟件采用NI-DAQmx函數(shù)庫針對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行開發(fā)， 數(shù)據(jù)采集流程如圖 4 所示.

回調(diào)函數(shù)callbackFun()包含了DAQmx庫函數(shù)中的數(shù)據(jù)讀取函數(shù)， 用來執(zhí)行單次循環(huán)的數(shù)據(jù)讀取， 回調(diào)函數(shù)將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 完成曲線的繪制、 數(shù)值顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作[7,8].

1.3.5校準(zhǔn)功能設(shè)計(jì)

通道校準(zhǔn)功能包含了通道設(shè)置和校準(zhǔn)過程監(jiān)視及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果存儲(chǔ)功能. 通道校準(zhǔn)是對(duì)前端壓強(qiáng)推力等傳感器進(jìn)行全系統(tǒng)的電校準(zhǔn)， 用以獲得被校準(zhǔn)通道的物理量與電壓量之間的線性關(guān)系， 能夠得到被校準(zhǔn)通道系數(shù)、 線性度、 重復(fù)性、 滯后性等性能指標(biāo)[9]， 通道系數(shù)將通道的電壓量轉(zhuǎn)換為表征發(fā)動(dòng)機(jī)性能的物理量， 線性度、 重復(fù)性、 滯后性等指標(biāo)反映了被校準(zhǔn)傳感器的性能是否滿足試驗(yàn)要求[10]. 校準(zhǔn)監(jiān)視界面如圖 5 所示.

圖 5　校準(zhǔn)監(jiān)視界面Fig.5　Calibration-watch interface

1.3.6試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試驗(yàn)的特點(diǎn)， 正式點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)， 數(shù)據(jù)采集是在有限時(shí)間內(nèi)完成的， 設(shè)計(jì)時(shí)保證有限時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性. 當(dāng)采集完成后， 數(shù)據(jù)自動(dòng)保存為二進(jìn)制格式數(shù)據(jù). 圖 6 為采集設(shè)置界面， 圖 7 為采集監(jiān)視界面.

圖 6　采集設(shè)置界面Fig.6　Sample-setting interface

圖 7　采集監(jiān)視界面Fig.7　Sample-watch interface

2　系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)開發(fā)完成后進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證， 測(cè)試結(jié)果表明: 系統(tǒng)能夠正確測(cè)量推力、 壓力、 應(yīng)變、 溫度、 電壓等信號(hào)， 可以按照設(shè)定的采樣率實(shí)現(xiàn)高速高精度數(shù)據(jù)采集， 完成實(shí)時(shí)曲線監(jiān)視、 通道校準(zhǔn)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存等功能， 滿足設(shè)計(jì)要求.

2.1　系統(tǒng)精度驗(yàn)證

使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源作為系統(tǒng)輸入信號(hào)， 通過通道校準(zhǔn)獲得校準(zhǔn)結(jié)果， 驗(yàn)證通道的精度. 表 1 為通道01在1倍和100倍放大倍數(shù)下的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源加載標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值列表.

表 1　標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)值列表

通道校準(zhǔn)結(jié)果如圖 8， 圖 9 所示.

圖 8　1倍增益時(shí)CH01的校準(zhǔn)結(jié)果Fig.8　Calibration-result of CH01 for gain=1

圖 9　200倍增益時(shí)CH01的校準(zhǔn)結(jié)果Fig.9　Calibration-result of CH01 for gain=200

注： 1)A代表通道校準(zhǔn)精度； 2)K代表通道系數(shù).

如圖 8, 圖 9 中所示， 獲得的校準(zhǔn)精度均優(yōu)于0.05%， 滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo).

2.2　系統(tǒng)采樣率驗(yàn)證

使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源作為系統(tǒng)輸入信號(hào)， 輸入100 Hz頻率信號(hào)， 設(shè)置高精度測(cè)試系統(tǒng)采樣率為5 kS/s， 驗(yàn)證系統(tǒng)的采樣頻率是否滿足要求， 表 2 為CH00采樣率設(shè)置列表.

表 2　CH00采樣率設(shè)置列表

如圖 10 所示， 取2個(gè)周期的數(shù)據(jù)， 時(shí)間為0.02 s， 并得到兩點(diǎn)之間間隔為0.000 2 s， 所以0.1 s數(shù)據(jù)為500點(diǎn)， 驗(yàn)證采樣率為5 000 kS/s， 符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.

圖 10　50 Hz正弦信號(hào)0.02 s波形曲線Fig.10　0.02 s waveform curve of 50 Hz sine signal

3　結(jié)　論

本文闡述了一種針對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試驗(yàn)， 基于PXI 總線技術(shù)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)， 該系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試， 在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)過程中， 實(shí)現(xiàn)了多種信號(hào)類型參數(shù)的高精度數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整， 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確， 系統(tǒng)可操作性強(qiáng)， 可維護(hù)性高， 在功能和性能方面滿足固體火箭地面點(diǎn)火試驗(yàn)中高精度測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)要求.

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