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(中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所，四川 綿陽 621000)

基于PXI總線的Φ 0.5米高超聲速風洞測量系統(tǒng)研制與應用

黃昊宇，黃輝，凌忠偉，鄭慶

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所，四川綿陽621000)

測量系統(tǒng)是風洞中必不可少的重要的設(shè)備之一，其性能對風洞試驗的準確性、可靠性和運行效率具有至關(guān)重要的影響；近年來，Φ 0.5米高超聲速風洞原有測量系統(tǒng)逐漸暴露出精準度下降、軟件通用性不足、維護不便等缺點，已不能完全滿足日益復雜的風洞試驗需求；針對此情況，該風洞重新研制建立了一套基于PXI總線的64通道的測量系統(tǒng)，并通過嚴格測試投入應用，該系統(tǒng)的應用在一定程度上提高了試驗數(shù)據(jù)測量的準確性、可靠性和自動化程度，拓寬了Φ 0.5米高超聲速風洞的綜合性能。

風洞； 測量系統(tǒng)； PXI總線； 研制

0 引言

Φ 0.5米高超聲速風洞是目前我國進行常規(guī)高超聲速試驗的主力風洞，運行30多年來，為我國航空航天飛行器的研制提供了大量可靠的風洞試驗數(shù)據(jù)。該風洞由風洞洞體、氣源、氣流控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分組成[1]，其中風洞測量系統(tǒng)是風洞產(chǎn)品的出口，風洞試驗數(shù)據(jù)的獲取主要是靠測量系統(tǒng)，所以該系統(tǒng)在風洞試驗中有著非常重要的地位。近年來，隨著該風洞試驗難度和復雜程度的提高，試驗對數(shù)據(jù)采集處理的精準度和實時性的要求越來越高，風洞的測量系統(tǒng)也逐漸暴露出不足之處：

1) 原有的風洞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不完備。風洞原有一套采用ISA總線數(shù)據(jù)采集卡為核心的小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集通道少，只有16個，無法滿足多通道測量的要求，并且傳感器、信號調(diào)理器等設(shè)備逐年老化，穩(wěn)定性和精準度嚴重下降，進入高故障期。

2) 原有的風洞測量系統(tǒng)配套的信號采集和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)標準化程度不夠，通用性不足，功能不夠完善，可維護性和擴展性較低[2]。

為了滿足風洞試驗的需要，必須設(shè)計研制一套新的測量系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)綜合技術(shù)性能。

1 研制要求

根據(jù)風洞試驗需求，新構(gòu)建的測量系統(tǒng)應滿足風洞測力、測壓、測溫等不同類型試驗對采集通道數(shù)、采樣率和精準度等發(fā)面的性能需求，應達到如下技術(shù)要求：

1) 數(shù)據(jù)采集設(shè)備通道數(shù)64個(單端)，通道掃描率≥100 kS/s，采集卡分辨率16位，輸入電壓范圍±10 mV～±10 V，精準度0.05%；

2) 信號調(diào)理器通道數(shù)64個，電壓輸入范圍±10 V，增益范圍1～500可調(diào)(具備1、100、300、500等檔位)，增益精度0.05%，線性度±0.005%，含低通濾波器，低通濾波有1 Hz、3 Hz、10 Hz、1 kHz等多個檔位可調(diào)，具有信號放大未濾波輸出端；

3) 提供±15 V的天平和傳感器激勵電源；

4) 更新關(guān)鍵一次儀表設(shè)備，包括總壓傳感器、大氣壓傳感器和總溫傳感器，其中總壓傳感器精度應優(yōu)于0.1%，大氣壓力傳感器精度應優(yōu)于0.05%，總溫傳感器允差I(lǐng)I級；

5) 具備符合軟件工程設(shè)計規(guī)范和標準化數(shù)據(jù)處理流程的數(shù)據(jù)采集和處理軟件系統(tǒng)。

2 研制方案

2.1 總體方案

眾所周知，在一次高超聲速風洞常規(guī)測力試驗中，需要實時測量的物理對象一般有總溫、總壓、大氣壓、模型受到的力和力矩、模型底壓、駐室靜壓等等，數(shù)量從幾個到幾十個不等。這些測量信號的范圍一般為mV至V的量級，且以mV信號數(shù)量居多。風洞測量系統(tǒng)的任務就是通過高性能采集板卡A/D將試驗現(xiàn)場一次儀表(包含天平、熱電偶、壓力傳感器等)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，同時在數(shù)據(jù)采集處理軟件界面上實時顯示、保存和打印，然后數(shù)據(jù)處理軟件事后對這些原始數(shù)據(jù)信號按高超風洞氣動試驗數(shù)據(jù)處理標準步驟和方法進行計算和修正，最后將計算獲得的無量綱化的氣動系數(shù)繪制成曲線和圖表，提供給氣動分析人員深入研究[3]。

因此，為了更加準確的測量這些微弱電壓信號，在進行Φ 0.5米高超聲速風洞新的測量系統(tǒng)研制過程中，應遵循如下設(shè)計原則：安全可靠，數(shù)據(jù)精準，操作便捷，易于維護。系統(tǒng)應立足于采用國內(nèi)外成熟的技術(shù)，按照模塊化、標準化、自動化、智能化的設(shè)計思想進行設(shè)計、組裝和調(diào)試，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、風險可控。

出于以上考慮，新研制的測量系統(tǒng)將采用目前主流的PXI總線，由PXI總線采集系統(tǒng)硬件和數(shù)據(jù)采集處理軟件兩部分組成，硬件中主要部件——A/D采集模塊和信號調(diào)理器的選型依據(jù)整個測量系統(tǒng)的技術(shù)指標來確定。同時，由于測控間與試驗現(xiàn)場之間有近30米的距離，為便于崗位人員操作和維護，新系統(tǒng)將設(shè)計成集中式布局，主要設(shè)備放置于風洞測控間內(nèi)，風洞試驗大廳里分布各處的一次儀表信號通過屏蔽線纜進入定制接線機柜，然后走專用地溝進入測控間的新測量系統(tǒng)，同時系統(tǒng)通過數(shù)字I/O與其他測控系統(tǒng)握手通訊。以上方案既能兼顧系統(tǒng)整體性能，節(jié)約研制費用，又能保證較好開放性，為系統(tǒng)的后續(xù)維護升級提供便利，可保證新系統(tǒng)具有較長的生命周期。新測量系統(tǒng)原理性框圖如圖1所示。

圖1 新測量系統(tǒng)原理性框圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 設(shè)計思路

新系統(tǒng)將以標準PXI機箱、零槽控制器為核心，通過配置各類PXI板卡、信號調(diào)理器、傳感器及激勵電源來實現(xiàn)物理信號采集、信號采集轉(zhuǎn)換、測控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)通信、接口適配等功能。正常運作時，系統(tǒng)上位機的主動式數(shù)據(jù)測試處理軟件交互平臺通過零槽控制器與PXI總線設(shè)備建立通訊連接[4]，然后用戶根據(jù)不同試驗所需的通道數(shù)、模擬量、開關(guān)量、指令、采樣率等參數(shù)要求靈活配置相應板卡參數(shù)，達到控制相應設(shè)備獲取精準試驗數(shù)據(jù)的目的。這種架構(gòu)的優(yōu)點在于既可實現(xiàn)系統(tǒng)多個設(shè)備集中控制，也可滿足風洞中天平、傳感器、熱電偶、電磁閥開關(guān)等多種類型信號的實時測量需求。

2.2.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)由系統(tǒng)測量處理上位機、NI公司的測控主機箱、MXI-4多系統(tǒng)擴展接口組件、M系列PXI多功能數(shù)據(jù)采集模塊、多通道數(shù)字I/O卡、串口數(shù)字信號采集卡、信號調(diào)理器、天平、壓力傳感器、熱電偶、激勵電源以及有關(guān)的接線端子板與連接線纜組成，構(gòu)成一個64通道的測量系統(tǒng)。

1) 測量處理上位機。

選用高性能的研華公司生產(chǎn)的610 H型工控機作為系統(tǒng)上位機。零槽控制器模塊中的PCI-8331直接安裝在該機器內(nèi)，通過它和專用光纖可遠程控制PXI測控主機箱所有板卡工作，它與PXI機箱的數(shù)據(jù)傳輸速率可達132 MB/s[5]，完全可滿足Φ 0.5米高超聲速風洞試驗數(shù)據(jù)交互的通吐量需求。該上位機的主要功能為：在風洞試驗運行過程中對部分測控設(shè)備(如PXI板卡、模型姿態(tài)控制機構(gòu)、模型底壓設(shè)備集成箱等)進行控制，同時對關(guān)鍵試驗參數(shù)進行實時測量和顯示，而且還要在試驗結(jié)束后完成對試驗原始數(shù)據(jù)的處理、分析和備份。

2) PXI主機箱及測控模塊單元。

PXI測控主機箱選用了NI PXI-1050機箱，該機箱擁有系列化的較為完善的測控模塊支持，并且它擁有8個PXI插槽和4個SCXI插槽[6]，插槽數(shù)量較多，可為板卡選型配置和后續(xù)系統(tǒng)升級擴展提供便利。機箱里主要配置有NI PXI-8331 MXI-4零槽控制器、NI PXI-6031E多功能數(shù)據(jù)采集模塊、NI PXI-6528數(shù)字I/O模塊和NI PXI-8431串行通訊模塊等測控單元。其中：

PXI-6031E：作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的主力設(shè)備，是整套系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，其A/D轉(zhuǎn)換分辨率、采樣速度等指標直接影響整套系統(tǒng)的性能指標。而PXI-6031E多通道高速掃描型數(shù)據(jù)采集卡的分辨率為16 bits，采樣率可達到100 KS/sec(多通道共用)，具有64 路單端或32 路差分A/ D 輸入，輸入電壓范圍±10 V，除此之外它還包含64 K采樣的FIFO存儲器，8路數(shù)字I/ O，2路16位D/ A 輸出，2個24位計數(shù)/定時器等[7]。其性能完全能滿足測量系統(tǒng)對通道數(shù)、采樣率、精準度的要求。

PXI-6528：含有通道間光隔離的24路數(shù)字輸入(±60 V)和24路數(shù)字輸出通道(±60 V，0～30 Vms)，支持150 mA電流驅(qū)動，可滿足風洞系統(tǒng)開關(guān)量的監(jiān)控需要。

PXI-8431/4：提供4線收發(fā)器模式，適用于全雙工和半雙工的RS485/RS422接口通訊，可支持57波特至3 000 K波特可變的標準和非標準波特率，可滿足Φ 0.5米高超聲速風洞一些傳感器串口數(shù)字信號的采集，比如模型底壓傳感器等。

3) 信號調(diào)理模塊。

信號調(diào)理模塊主要實現(xiàn)對風洞天平、傳感器等微弱電壓信號的放大、濾波，它的選型也非常重要。考慮到Φ 0.5米高超聲速風洞固有的干擾信號主要集中在1 Hz以上頻段，為盡可能提高信噪比，保證有效信號通過，新系統(tǒng)選用了一款性價比較高的國產(chǎn)新型低通濾波放大器。該精密信號放大器型號為Front ZY-02-III，共配有8組機箱，每組8個通道。該放大器是基于耦合差分放大器原理而成，它具有高共模抑制比(CMR)、高精密度的優(yōu)點。其最高抗共模電壓范圍在某種程度下受限于整體放大器最高通頻帶寬和精密度要求。一般情況下，對100 KHz帶寬和±0.01% ～±0.02%的精密度要求，其最高CMV可達300 V(直流或交流峰——峰值)左右。而對10 KHz以下通頻帶其CMV可達五百伏乃至上千伏。它的這一特點以及輸入電路結(jié)構(gòu)方面完全可以與某些精密隔離數(shù)據(jù)放大器相媲美，而其噪音、漂移、線性精度等主要技術(shù)指標完全等同于精度儀器放大器水平。它的增益有×1、×100、×300、×500倍4個檔位，低通濾波截至頻率含 1、2、10、1 KHz4個檔位，共模抑制比(CMR)為120 db，增益精度優(yōu)于±0.05%，線性度為±0.005%。

4) 傳感器。

此次系統(tǒng)研制主要更新了三類傳感器：風洞前室總壓用量程為10.0 MPa的德魯克PMP-5073測量，精度為0.04%[8]；大氣壓力選用Setra-270大氣壓力傳感器測量，量程為80 kPa～110 kPa，精度為0.05%；風洞前室總溫用NiCr-NiSi凱裝小慣性熱電偶測量，精度為0.75%。

2.2.3 實施方法

試驗時，風洞天平、壓力傳感器、熱電偶等64路模擬信號進入測量系統(tǒng)中Front ZY-02-III低通濾波放大器，而風洞模型姿態(tài)控制系統(tǒng)通過PXI-6528與測量系統(tǒng)連接。試驗進行過程中，當風洞流場建立，試驗模型投放到位，測量系統(tǒng)開始發(fā)出指令，讓模型姿態(tài)控制系統(tǒng)按步進方式開始變換模型姿態(tài)(如模型攻角、側(cè)滑角等)，同時進行數(shù)據(jù)采集。64路原始信號經(jīng)過Front ZY-02-III信號調(diào)理器放大和濾波后，送至PXI- 6031E多功能數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端口。PXI- 6031E將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時數(shù)據(jù)采集軟件對數(shù)據(jù)進行讀取、數(shù)字濾波和保存，數(shù)據(jù)處理軟件則對存盤數(shù)據(jù)進行分析處理，獲得所需的流場參數(shù)和氣動力系數(shù)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 軟件設(shè)計原則

遵循風洞軟件系統(tǒng)工程的設(shè)計思路，根據(jù)風洞試驗任務要求和測量對象的特點，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的方法實現(xiàn)軟件功能。

2.3.2 軟件數(shù)據(jù)流分析

崗位人員接到試驗任務后，立即按崗位操作流程進行試驗準備。即先設(shè)置采集軟件特定參數(shù)表，設(shè)置項目包括：試驗參數(shù)、模型參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、計算過程控制參數(shù)、計算結(jié)果格式控制等，然后利用采集軟件和PXI總線設(shè)備，實現(xiàn)一次儀表模擬信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換和保存。保存得到的特定格式的原始數(shù)據(jù)文件通過數(shù)據(jù)處理軟件讀取，并按規(guī)范的公式或算法進行計算修正，以獲得氣動分析人員期望的數(shù)據(jù)結(jié)果。數(shù)據(jù)處理項目主要包括：總壓傳感器計算、前室總溫擬合計算、來流速壓計算、來流靜壓計算、天平載荷計算、天平坐標系到過渡坐標系轉(zhuǎn)換、過渡坐標系與體軸系轉(zhuǎn)換、體軸系與風軸系轉(zhuǎn)換、插值算法對數(shù)據(jù)進行圓整化、求導、底阻修正等。

2.3.3 軟件功能模塊劃分

1) 數(shù)據(jù)采集軟件功能模塊(見圖2)。

圖2 新采集軟件功能劃分

2) 數(shù)據(jù)處理軟件功能模塊(見圖3)。

圖3 新數(shù)據(jù)處理軟件功能劃分

2.3.4 軟件編制

新軟件采用集成開發(fā)模式，基于PXI總線硬件平臺、WindowsXp系統(tǒng)和NI公司應用程序編程接口NI-DAQmx、第三方插件包SunisoftSUIPack等開發(fā)包，用C++ Builder語言進行開發(fā)。新系統(tǒng)以《Φ 0.5米高超聲速風洞高超聲速風洞通用測力數(shù)據(jù)處理大綱及程序》為依據(jù)，設(shè)計了兩套功能相對獨立的軟件程序。為便于軟件之間的數(shù)據(jù)調(diào)用和處理，新軟件采用類和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式進行開發(fā)管理，設(shè)計了兩大類分別是TDataAcq和TDataProcess，它們包含的公有函數(shù)職能明確，只負責處理試驗數(shù)據(jù)采集和計算中的某一項特定工作。這樣做的好處是代碼前后邏輯更為明確，程序結(jié)構(gòu)更為清楚，數(shù)據(jù)處理過程更為標準規(guī)范，學習維護更加便捷。

2.4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

Φ 0.5米高超聲速風洞工況較為惡劣，有“四高一低”的設(shè)備特點，試驗現(xiàn)場電磁干擾嚴重，干擾源眾多，主要有：機構(gòu)伺服電機、電鈴、電加熱器等，為降低或消除這些設(shè)備引入的電磁干擾，最大限度降低干擾源對新測量系統(tǒng)的影響，必須從軟硬件兩方面來做工作。

2.4.1 硬件抗干擾設(shè)計

1) 抗電源干擾處理。為提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能，使用隔離變壓器和精密穩(wěn)壓電源，對測量系統(tǒng)儀器設(shè)備和供電電源進行隔離和穩(wěn)壓[9]。

2) 防I/O信號干擾處理。對于開關(guān)量的輸入輸出，采用光電隔離或繼電器隔離措施。

3) 一次儀表信號選擇和處理。天平和傳感器輸出信號，盡可能采用大電壓輸出方式，并采取隔離濾波處理。

4) 接地處理。測量系統(tǒng)中接地是抑制干擾、提高系統(tǒng)工作可靠性的主要方法，在設(shè)計中采取接地和屏蔽相結(jié)合以解決大部分的干擾問題。測量系統(tǒng)接地電阻小于0.4歐姆。

5) 布線要求。強弱電纜分開布線，測量系統(tǒng)電纜全部采用雙絞屏蔽電纜。

2.4.2 軟件抗干擾設(shè)計

1) 開關(guān)量的抗干擾處理。新系統(tǒng)收發(fā)的開關(guān)量多為方波脈沖方式，其干擾信號常為毛刺狀，附著于正常信號之上，該干擾信號雖然數(shù)量多頻率高，但作用時間非常短，因此可利用這一特點，在軟件設(shè)計時建立延遲計時器將數(shù)字量脈沖寬度增加10～20 ms，只有當輸入脈沖信號保持規(guī)定的時間，程序才認為輸入的信號為有效信號，才能進行下一個動作。

2) 模擬量的抗干擾處理。采用數(shù)字濾波法，風洞里常用算術(shù)平均值法，它對常見的隨機干擾有較好的效果，一般是通過在某一時刻對某模擬通道快速采樣8～100次取平均值來實現(xiàn)，采樣次數(shù)主要取決于實際所需的平滑度和靈敏度。

3 系統(tǒng)應用情況

Φ 0.5米高超聲速風洞測量系統(tǒng)研制完成后，經(jīng)過了軟硬件聯(lián)調(diào)、靜態(tài)測試、風洞試驗動態(tài)測試等性能檢驗工作。具體情況如下：

3.3.1 靜態(tài)測試

靜態(tài)測試中主要是使用FLUKE5700標準信號源對新系統(tǒng)輸入標準信號，一方面采用黑盒測試技術(shù)測試軟件功能，修復其缺陷；另一方面，用新軟硬件系統(tǒng)測量出這些電壓信號，并計算各通道綜合精度。靜態(tài)測試表明各模塊運作正常，數(shù)據(jù)合格，各通道精度優(yōu)于0.05%。部分通道靜態(tài)校準結(jié)果見表2。

表2 新研制的測量系統(tǒng)部分通道測量精度

3.3.2 標模試驗動態(tài)測試

新的測量系統(tǒng)通過了HB-2標模動態(tài)試驗驗證，試驗馬赫數(shù)Ma=5、7、8、8、9，試驗攻角α=-4°～14°，模型支撐機構(gòu)為五自由度機構(gòu)。

1) 重復性試驗精度測試：表2給出了驗證試驗中某Ma的重復性試驗結(jié)果(部分)，可以看出，各氣動力系數(shù)的偏差都控制在天平的1倍靜校絕對誤差對氣動力系數(shù)影響量范圍以內(nèi)，試驗重復性精度較高，說明新測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足精度需求。

2) 典型馬赫數(shù)試驗測試：表3給出了改造前后某Ma下標模(部分)數(shù)據(jù)對比，可以看出測量系統(tǒng)改造前后CN、CA、Xcp等氣動力系數(shù)隨攻角變化規(guī)律合理，氣動力特性的一致性較好。

上述兩項測試說明：系統(tǒng)改進前后標模測力試驗數(shù)據(jù)吻合一致、規(guī)律合理，測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以投入型號試驗。

3.3.3 型號試驗驗證

截止目前，已使用新測量系統(tǒng)進行了各種類型飛行器試驗一百多項，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)操作方便，運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)一致性好，重復精度較高，符合國軍標精度要求，滿足風洞型號試驗的需求。

表3 新測量系統(tǒng)同期重復性試驗結(jié)果比較

表4 改造前后某馬赫數(shù)標模數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

新研制的測量系統(tǒng)采用了主流的PXI模塊化儀器總線系統(tǒng)，并結(jié)合PC總線、人性化的標準數(shù)據(jù)采集與處理軟件，取得了良好的效果，達到了預期的設(shè)計目標。該系統(tǒng)的應用在一定程度上不僅提高了風洞試驗數(shù)據(jù)測量的準確性、可靠性和自動化程度，而且提高了風洞安全性、運行效率和顧客滿意度，拓寬了Φ 0.5米高超聲速風洞的綜合性能。

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DevelopmentandApplicationofMeasurementSystemBasedonPXIBusinΦ0.5MeterHypersonicWindTunnel

Huang Haoyu, Huang Hui, Ling Zhongwei,Zheng Qing

(High Speed Institute, China Aerodynamics Research amp; Development Center, Mianyang 621000, china)

Measurement system is a crucial equipment in the wind tunnel, its performance is important to the accuracy, reliability and operational efficiency of the wind tunnel test. In recent years, the original measurement system of the Φ 0.5 meter hypersonic wind tunnel revealed problems, such as accuracy declined, lack of generality, inconvenient for maintenance etc. And the system could not meet the increasingly complex demands of the wind tunnel test. In order to solve these problems, we established a new 64 channel measurement system based on PXI bus, the system is put in to use after strict test. The application of the new system improve the accuracy, reliability and automaticity of the data measurement, broaden the comprehensive performance of the Φ 0.5 meter hypersonic wind tunnel.

wind tunnel; measurement system; PXI bus; development

2017-03-10；

2017-03-31。

黃昊宇(1980-)，男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事風洞測控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0021-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.006

TP273

A