面向飛機系統(tǒng)試驗的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器測試系統(tǒng)

1、面向飛機系統(tǒng)試驗的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器測試系統(tǒng)支超有 鄭 保 李 霞（第一飛機設(shè)計研究院 西安 710089）關(guān)鍵詞：飛機，液壓系統(tǒng)，起落架控制系統(tǒng)，模擬試驗，測試，虛擬儀器，網(wǎng)絡(luò)化，軟件模塊，數(shù)據(jù)采集，多線程摘要：文章介紹應(yīng)用于飛機液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)地面模擬試驗中網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)，說明了使用工控微機并配置工業(yè)測控模板和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊完成多物理量信號檢測的原理，討論了在大型工程試驗中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測試的方法。1概述飛機液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)地面模擬試驗中，需要完成油泵P-Q曲線測量、液壓分系統(tǒng)功能試驗、雙操縱功能試驗、故障狀態(tài)模擬試驗、液壓泵出口脈動壓力測量、液壓泵出口導管

2、應(yīng)力測量、液壓系統(tǒng)沖擊壓力測量、起落架收、放系統(tǒng)的功能試驗、機輪剎車系統(tǒng)的功能試驗、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)功能試驗、前后座艙應(yīng)急放起落架功能試驗、飛行剖面試驗等幾十項試驗測試。以考核全機液壓起落架控制系統(tǒng)設(shè)計的正確性，起落架控制系統(tǒng)與液壓動力源的匹配性，在加載狀態(tài)下檢查各分系統(tǒng)的工作性能，系統(tǒng)在模擬故障狀態(tài)下的工作可靠性。在傳統(tǒng)的試驗中使用著分立的電子測量儀器，儀器操作使用麻煩，試驗測試過程主要依靠人工介入完成，試驗設(shè)備之間通過人工配合操作進行協(xié)調(diào)。難以實時獲取試驗測試數(shù)據(jù)，對于試驗測試數(shù)據(jù)的異地獲取更是不可能。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、儀器儀表技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的飛速發(fā)展，在大型工程試驗中采用網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀

3、器測試系統(tǒng)的條件已經(jīng)成熟，首先在試驗現(xiàn)場采用工控微機并配置工業(yè)測控模板和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)虛擬儀器測試；其次以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)建立試驗現(xiàn)場與設(shè)計人員實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠程數(shù)據(jù)瀏覽的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2測試系統(tǒng)功能根據(jù)上述的試驗要求，飛機液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)地面模擬試驗測試系統(tǒng)具有如下功能。1）采集、記錄及分析位移信號、拉壓力信號、壓力信號、應(yīng)力信號和流量信號；2）采集、記錄及監(jiān)視溫度信號；3）靈活選擇對應(yīng)測量點信號的數(shù)據(jù)采集通道，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集記錄；4）對原始采樣數(shù)據(jù)進行零位補償、工程量換算等數(shù)據(jù)處理，并存儲測量結(jié)果數(shù)據(jù)；5）對測量數(shù)據(jù)進行處理，生成有關(guān)位移、壓力、流量、溫度等物理量隨時間變化的圖

4、形曲線；6）對測量數(shù)據(jù)進行處理，生成壓力、流量、位移等相關(guān)物理量的XY關(guān)系圖形曲線；7）對壓力脈動信號進行處理，得到壓力峰值、平均值、脈動周期等脈動壓力參數(shù)；8）具有光標控制圖形曲線分析功能，可利用光標控制圖形曲線操作，完成圖形曲線的細化，實現(xiàn)圖形曲線數(shù)據(jù)的剪裁；9）具有數(shù)據(jù)存儲及歷史數(shù)據(jù)查詢回放功能；10）對測量數(shù)據(jù)進行處理，打印輸出符合試驗報告的數(shù)據(jù)表格；11）對測量數(shù)據(jù)進行處理，生成符合試驗報告要求的圖形曲線。3測試系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)的性能指標按傳感器信號種類的不同，分為壓力信號、位移信號、流量信號、溫度信號來考慮。3.1 壓力信號輸入通道數(shù)：64；傳感器供電：24V；信號輸入方式：電壓輸

5、入；信號輸入范圍：05V；精度：±0.1%;CMMR：80dB;輸入保護：濾波、噪聲抑制。3.2 位移信號輸入通道數(shù)：16；傳感器供電：12V；信號輸入方式：電壓輸入；信號輸入范圍：±10V；精度：±0.1%;CMMR：80dB;輸入保護：濾波、噪聲抑制。3.3 流量信號輸入通道數(shù)：16；傳感器供電：24V；信號輸入方式：頻率輸入；信號輸入范圍：05KHz；精度：±0.25%;CMMR：80dB;輸入保護：濾波、噪聲抑制。3.4 溫度信號輸入通道數(shù)：12；傳感器供電：12V；信號輸入方式：T型熱電偶信號；信號輸入范圍：0400；精度：±0.2%

6、;CMMR：80dB;輸入保護：濾波、噪聲抑制。4硬件組成結(jié)構(gòu)飛機液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)地面模擬試驗測試系統(tǒng)如圖1所示。測試系統(tǒng)采用以工控微機為核心，配置有多塊A/D采樣板，和工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊，為了適應(yīng)多通道大容量數(shù)據(jù)采集存儲的需要，工控微機選用凌華RK-615B主機箱，并配置Petium CPU板卡，512M DDR內(nèi)存和120G硬盤存儲器。同時還配置有打印輸出設(shè)備和信號調(diào)理器。數(shù)據(jù)采集中使用6塊ADLINK ACL-8316高精度數(shù)據(jù)采集板， 16位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，較高性能的采樣速率（100KS/S），可接受差分模擬量輸入，提供有DMA通道和可編程的中斷優(yōu)先級，金屬全屏蔽的A/

7、D模塊以確保最好的信號屏蔽和噪聲抑制，自動通道掃描，提供有多種語言驅(qū)動程序，完成對64路壓力信號、16路位移信號和16路流量信號的采集記錄。其目的是將所獲取的信號，準確、快速、真實的采集下來，為進一步的數(shù)據(jù)處理、分析做準備。對溫度信號的采集記錄使用直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的ND-6018數(shù)據(jù)采集模塊，以解決在強干擾環(huán)境下對微小信號的測量與傳輸問題。試驗中使用傳感器對原始參數(shù)進行測量，為了保證可靠、準確地獲取測量參數(shù)，保證傳感器正常工作，首先必須向傳感器提供穩(wěn)定、可靠的激勵電源。另外，由于傳感器輸出信號弱小，還應(yīng)對其輸出信號進行調(diào)理。信號調(diào)理系統(tǒng)是數(shù)字化測量系統(tǒng)中保證信號的準確性、可靠性和安全性的

8、關(guān)鍵性措施。信號調(diào)理的目的在于提高信號測量的準確性，并保護測量系統(tǒng)，防止外界異常信號或異常變化給系統(tǒng)造成的損壞。包括輸入/輸出保護、信號及電源隔離、共模抑制、串模抑制、信號放大、濾波、信號激勵、冷端補償、線形補償?shù)?。打印輸出設(shè)備用于打印輸出圖形曲線以及試驗結(jié)果。測試系統(tǒng)工控微機為測試服務(wù)器，通過工業(yè)以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和監(jiān)控工作站、加載控制服務(wù)器、泵控調(diào)速服務(wù)器通信，以及實現(xiàn)各設(shè)備之間協(xié)調(diào)同步工作；對于遠程數(shù)據(jù)信息的共享和傳輸，則通過因特網(wǎng)實現(xiàn)，同時也提供有遠程數(shù)據(jù)瀏覽和查詢功能。設(shè)計客戶管理部門協(xié)作單位試飛單位生產(chǎn)單位應(yīng)用服務(wù)器監(jiān)控工作站泵控調(diào)速服務(wù)器加載控制服務(wù)器測試服務(wù)器RK-615B

9、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器INTERNETETHERNETPetium 512 MCPU卡 4×ACL-831616位 A/D卡 ACL-831616位 A/D卡 ACL-831616位 A/D卡 ND-65202×ND-6018存 儲 系 統(tǒng)軟盤 & 硬盤64路壓力信號16路流量信號16路位移信號12路溫度信號圖1 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)5軟件設(shè)計51軟件結(jié)構(gòu)及功能的實現(xiàn)飛機液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)地面模擬試驗的測試中，不但要對來自“鐵鳥”臺架上的壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、拉壓力傳感器等多種傳感器的信號進行實時采集，還要對這些信號數(shù)據(jù)進行存儲處理，并生成圖形

10、曲線，以及進行圖形曲線回放分析。針對于以上的特點，采用開發(fā)平臺LabWindows/CVI完成虛擬儀器測試軟件開發(fā)。測試軟件程序采用模塊化分層設(shè)計方法，其頂層是菜單驅(qū)動的人機界面接口程序模塊；第二層是面向試驗測量的功能程序；第三層是完成數(shù)據(jù)采集、處理及圖形曲線生成顯示的數(shù)據(jù)處理程序；底層是面向機器的硬件操作程序。其軟件結(jié)構(gòu)如圖2。菜單驅(qū)動的人機接口接口通訊程 序A/ D采樣程 序端口操作程 序內(nèi)存訪問程 序液壓分系統(tǒng)功能試驗雙操縱功能試驗故障狀態(tài)模擬試驗液壓泵脈動壓力測量液壓泵導管應(yīng)力測量液壓系統(tǒng)沖擊壓力測量起落架收放系統(tǒng)功能試驗機輪剎車系統(tǒng)的功能試驗前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)功能試驗應(yīng)急放起落架功能試驗系

11、統(tǒng)自檢與配置通道選擇與數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理與存儲數(shù)據(jù)回放與分析圖形曲線的生成繪制試驗報告生成與打印網(wǎng)絡(luò)通訊與控制圖2 軟件程序結(jié)構(gòu)菜單驅(qū)動的人機接口程序向用戶提供了下拉菜單方式的操作界面，根據(jù)試驗測試的要求，選擇菜單項目所對應(yīng)的當前試驗，完成試驗測試功能。試驗測試前，還可根據(jù)試驗測試的要求，進入二級菜單界面，完成通道選擇及數(shù)據(jù)采集操作、數(shù)據(jù)存儲與記錄操作、數(shù)據(jù)回放與分析操作、數(shù)據(jù)處理與圖形曲線生成、數(shù)據(jù)打印輸出與試驗報告生成。系統(tǒng)自檢與配置操作完成測試系統(tǒng)使用前或使用過程的自檢，并進行初始狀態(tài)參數(shù)的配置，如A/D采樣模板的分配地址、通道輸入量程的設(shè)置等。通道選擇及數(shù)據(jù)采集操作按選定的通道控制數(shù)據(jù)采

12、集。試驗過程中由軟件程序控制A/D采樣板的多路開關(guān)，選擇與測量點對應(yīng)的模擬量輸入通道，再由A/D轉(zhuǎn)換將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號。完成采樣后的數(shù)據(jù)，存入計算機存儲器中，這是由數(shù)據(jù)存儲與記錄模塊完成的。數(shù)據(jù)采樣時，建立有線形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)或環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，線形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于保存瞬態(tài)一次記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果，而環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于保存反復(fù)記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果，以免數(shù)據(jù)結(jié)果的丟失。對于大量的數(shù)據(jù)，則使用DMA方式，直接將數(shù)據(jù)結(jié)果存入磁盤中。數(shù)據(jù)回放及分析是將存入磁盤的數(shù)據(jù)結(jié)果重新顯示出來，對于數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示以圖形曲線的方式，在圖形曲線顯示中提供有光標控制操作方式，用戶使用并移動光標可觀察圖形曲線上某些特殊點的數(shù)值，或

13、者通過光標選擇圖形曲線的某個區(qū)域，進行區(qū)域放大、細化，以及剪裁、編輯圖形曲線。使用光標控制方式，還可以完成對圖形曲線的標注。數(shù)據(jù)處理與圖形曲線生成完成對采樣所得的以電壓量表示的數(shù)據(jù)進行處理，進行數(shù)據(jù)的方法是首先進行對采樣信號的零位補償，再進行工程單位換算，以便將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理量數(shù)據(jù)。最后以物理量形式顯示信號的圖形曲線，以及完成圖形曲線的分析、處理和標注。數(shù)據(jù)打印輸出與試驗報告生成模塊是在完成數(shù)據(jù)處理后，打印出圖形曲線及報表形式的測試數(shù)據(jù)結(jié)果。52 多線程程序設(shè)計測試系統(tǒng)的各個功能是在用戶界面程序的控制和調(diào)度下實現(xiàn)的，往往需要在采樣記錄數(shù)據(jù)的同時顯示測量信號，以便于觀察監(jiān)視測量信號，由于數(shù)據(jù)

14、的采樣和信號的顯示觀察都需要實時同時進行，并且對信號的觀察不能影響數(shù)據(jù)的采樣，以免丟失數(shù)據(jù)。LabWindows/CVI的多線程程序設(shè)計為實現(xiàn)這種并行性提供了理想的解決方法。用戶界面接口線程負責人-機接口和對輔助線程的調(diào)度數(shù)據(jù)采集線程完成數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)處理存儲線程負責數(shù)據(jù)的處理存儲圖形曲線生成線程負責圖形曲線的生成 線程安全隊列TSQ 線程安全隊列TSQ 進行數(shù)據(jù)交換 進行數(shù)據(jù)交換 圖3 多線程的調(diào)度與數(shù)據(jù)傳送測試軟件中以用戶界面接口為主線程，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲和圖形曲線的顯示繪制設(shè)計為輔助線程，在所有的并發(fā)線程中負責數(shù)據(jù)采集線程優(yōu)先級僅次于用戶界面接口線程，數(shù)據(jù)采集線程完成實時數(shù)據(jù)采

15、集，并放入線程安全隊列中，當數(shù)據(jù)量超過線程安全隊列所定義項目數(shù)量后，立即喚起數(shù)據(jù)處理與存儲線程，該線程從線程安全隊列中讀取數(shù)據(jù)信息，并進行處理，之后存入磁盤保存；數(shù)據(jù)處理與存儲線程完成后，喚起圖形曲線顯示與繪制線程。在測試軟件執(zhí)行中，用戶界面接口線程優(yōu)先級最高，可根據(jù)用戶的操作選擇喚醒或掛起數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理與存儲線程和圖形曲線顯示與繪制線程。53 網(wǎng)絡(luò)通訊程序設(shè)計在網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器測試功能的實現(xiàn)中，以NI公司的DataSocket技術(shù)為基礎(chǔ)進行網(wǎng)絡(luò)通訊控制和數(shù)據(jù)信息傳輸程序的開發(fā)，DataSocket是基于Microsoft的COM和ActiveX技術(shù)開發(fā)的面向網(wǎng)絡(luò)化測試，進行實時數(shù)據(jù)傳輸

16、的編程工具。借助它可以跨機器、跨語言、跨進程共享實時數(shù)據(jù)，DataSocket對TCP/IP協(xié)議進行了高度封裝，用戶只需知道數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿及需要交換的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，而不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和底層實現(xiàn)細節(jié)。根據(jù)通訊的需要，DataSocket需要DataSocket Server和DataSocket Server Manager的支持，DataSocket Server和DataSocket Server Manager是分別獨立運行的程序，DataSocket Server Manager用于創(chuàng)建用戶組和數(shù)據(jù)項，設(shè)置DataSocket Server可連接的客戶程序的最大數(shù)目和

17、可創(chuàng)建的數(shù)據(jù)項的最大數(shù)目，設(shè)置用戶創(chuàng)建數(shù)據(jù)項和讀寫數(shù)據(jù)項的權(quán)限，限制身份不明的客戶對服務(wù)器進行訪問和攻擊，增加網(wǎng)絡(luò)安全。DataSocket Server根據(jù)DataSocket Server Manager創(chuàng)建的用戶組和設(shè)定的相應(yīng)訪問權(quán)限同客戶程序進行通訊。DataSocket封裝了網(wǎng)絡(luò)底層通訊協(xié)議，對外提供資源定位接口和功能調(diào)用接口，通過資源定位符（URL）對數(shù)椐的傳輸目的地進行定位，讀數(shù)據(jù)時為源地址，寫數(shù)據(jù)時為目的地址。在資源定位符中標明了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)計算機標識和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量。DataSocket除傳輸HTTP、FTP和DataSocket服務(wù)器上的數(shù)據(jù)或本機中的文件外，還可以實時傳輸DSTP協(xié)議的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以是各種類型數(shù)據(jù)。6 結(jié)束語通過飛機液壓系統(tǒng)和起落架控制系統(tǒng)地面模擬試驗，該測試系統(tǒng)成功地完成了試驗中各項測試任務(wù)，同時也驗證了基于虛擬儀器