賈 霜，蒲 麒，鄧章林，鄧曉曼，鄭 磊

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

1.2米×1.2米半回流暫沖式跨超聲速風(fēng)洞(以下稱1.2米風(fēng)洞)是我國自行設(shè)計和建造的一座半回流暫沖式跨超聲速風(fēng)洞[1]，自建成以來，該風(fēng)洞測量系統(tǒng)進(jìn)過幾次設(shè)備升級和技術(shù)改進(jìn)，設(shè)備數(shù)量逐漸增多，但受限于設(shè)備位置比較分散，雖然也采取了一些監(jiān)測手段，但總體上來看，具有以下不足：1)監(jiān)測面覆蓋不全，對重要的采集設(shè)備關(guān)注多，對附屬輔助設(shè)備如供電電源和超擴(kuò)段壓力缺少監(jiān)測；2)監(jiān)測手段缺乏，僅僅局限于設(shè)備已有的監(jiān)測能力，比如吹風(fēng)過程只能看見基本的流場壓力和機(jī)構(gòu)角度，對天平的載荷監(jiān)測缺失；3)各設(shè)備監(jiān)測比較零散和碎片化，缺乏系統(tǒng)性設(shè)計，各設(shè)備相對獨(dú)立，自成系統(tǒng)；4)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理效率低下，數(shù)據(jù)格式多樣，存放分散，形成信息孤島，不便于數(shù)據(jù)的查詢和分析。

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)是一種基于高速網(wǎng)絡(luò)的共享內(nèi)存技術(shù)的實(shí)時網(wǎng)絡(luò),具有嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測性，可靠性高、傳輸速度快、平臺適應(yīng)性強(qiáng)、支持中斷信號傳輸?shù)忍攸c(diǎn)[3]。

針對以上風(fēng)洞測量系統(tǒng)現(xiàn)有不足，結(jié)合反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，研制一套測量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，將設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行集中采集、處理、存儲，實(shí)現(xiàn)對測量系統(tǒng)各設(shè)備全過程的狀態(tài)檢查、性能確認(rèn)、實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析等功能，為風(fēng)洞試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供有力支撐。

1 反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)(Reflective Memory Network)是一種高速的、強(qiáng)實(shí)時性、傳輸確定性和可預(yù)測性的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)[4]，支持不同總線結(jié)構(gòu)的多計算機(jī)系統(tǒng)，并且可以使用不同的操作系統(tǒng)來共享高速的、穩(wěn)定速率的實(shí)時數(shù)據(jù)。其實(shí)現(xiàn)方法是在每個節(jié)點(diǎn)(可以是計算機(jī)，也可以是總線系統(tǒng))上插入一塊對應(yīng)接口的反射內(nèi)存卡，卡與卡之間通過光纖連接成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)或者星型網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一張反射內(nèi)存卡上的數(shù)據(jù)寫入或更新后，反射內(nèi)存卡自動地通過光纖將更新后的數(shù)據(jù)映射到連接在網(wǎng)絡(luò)上的其他反射內(nèi)存卡的內(nèi)存里，其他的反射內(nèi)存卡上的數(shù)據(jù)將同步更新，數(shù)據(jù)更新的時間僅僅是納秒(ns)級，而各節(jié)點(diǎn)在訪問這些共享數(shù)據(jù)時，只要訪問本地的反射內(nèi)存卡中的內(nèi)存即可。反射內(nèi)存卡使用簡單的讀寫方式，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸全部由硬件(反射內(nèi)存卡/交換機(jī))完成，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，簡單的軟件操作即可實(shí)現(xiàn)對反射內(nèi)存卡的讀、寫操作。

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)主要有兩種連接方式，一種是星型連接，另一種是環(huán)形連接，具體見圖1。

(a)星型連接

星型連接的特點(diǎn)是所有節(jié)點(diǎn)通過光纖連接到反射內(nèi)存交換機(jī)上，共享數(shù)據(jù)的交互通過反射內(nèi)存交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，可靠性和靈活性較高，一個節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，不會影響整個反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)，反過來，若交換機(jī)發(fā)生故障，則整個網(wǎng)絡(luò)將失效。環(huán)形連接的特點(diǎn)則是各節(jié)點(diǎn)形成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)接受上一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱还?jié)點(diǎn)，缺點(diǎn)是若某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則整個網(wǎng)絡(luò)將失效。綜合比較二者特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性考慮，本系統(tǒng)選用環(huán)形連接反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。

2 基于反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 硬件系統(tǒng)總體方案

風(fēng)洞測量系統(tǒng)一般包含一次儀表、二次儀表(檢測系統(tǒng))、前端信號調(diào)理器和相應(yīng)的管理上位機(jī)等[2]。一次儀表完成物理信號到電信號的轉(zhuǎn)變，在風(fēng)洞中，一次儀表主要有壓力傳感器、溫度傳感器、角度傳感器及天平等。二次儀表也叫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要有VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、壓力掃描閥系統(tǒng)。本文描述的測量系統(tǒng)中，壓力傳感器1、角度傳感器1信號進(jìn)入VXI核心控制系統(tǒng)，為風(fēng)洞的流場調(diào)節(jié)和模型姿態(tài)控制提供原始數(shù)據(jù)；壓力力傳感器2、角度傳感器2、溫度傳感器和天平信號等進(jìn)入PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為風(fēng)洞流場計算和模型氣動力計算提供原始數(shù)據(jù)；模型表面壓力數(shù)據(jù)采集則通過電子掃描閥系統(tǒng)完成，以上3個系統(tǒng)屬于風(fēng)洞已有的系統(tǒng)。而測量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng))將以上系統(tǒng)進(jìn)行整合，全面納入監(jiān)測范圍，實(shí)現(xiàn)對測量系統(tǒng)所屬設(shè)備全方位、全時段的監(jiān)測，通過在以上3個系統(tǒng)的上位機(jī)和監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)之間安裝反射內(nèi)存卡建立環(huán)形反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。此外，風(fēng)洞超擴(kuò)段的壁面壓力傳感器和設(shè)備供電電源則通過RS232/485串口連接至串口服務(wù)器，直接在監(jiān)測軟件界面顯示。整個測量系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)作為反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備，完成反射內(nèi)存數(shù)據(jù)的收集、處理、顯示和存儲。所有數(shù)據(jù)最后寫入數(shù)據(jù)庫，便于后期的查詢、數(shù)據(jù)分析和故障排查。

圖2 測量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 反射內(nèi)存卡

反射內(nèi)存卡選用中科泛華PS PCI-3550卡，它是基于PCI總線，板載512MB DDR II內(nèi)存，可以在局域網(wǎng)互連的多達(dá)128個計算機(jī)間提供高速的數(shù)據(jù)傳輸共享，數(shù)據(jù)速率最高支持170 MB/S，并提供極低的通信延遲，支持環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；斷網(wǎng)自動恢復(fù)及網(wǎng)絡(luò)初始化；支持多模光纖，適用于分布式仿真與測試的高帶寬數(shù)據(jù)的交互和高速測試場合。提供Windows(XP及以上)系統(tǒng)下驅(qū)動及范例程序，支持VxWorks、Linux等操作系統(tǒng)；提供標(biāo)準(zhǔn)的LabVIEW庫文件及DLL動態(tài)鏈接庫，支持LabVIEW、VC、VB、Delphi、CVI等標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)平臺。

系統(tǒng)一共采用4張PCI總線的反射內(nèi)存卡，使用時，在每臺節(jié)點(diǎn)(上位機(jī))上插入一塊PCI-3550反射內(nèi)存卡，安裝相應(yīng)的板卡驅(qū)動，并將各節(jié)點(diǎn)通過光纖連在一起，即構(gòu)成了測量系統(tǒng)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是卡與卡之間的光纖連接要注意方向性，即每張反射內(nèi)存卡的發(fā)送端口和要與下一節(jié)點(diǎn)的接收端口相連接，而接收端口則與上一節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端口相連。

2.1.3 壁面壓力傳感器

壁面壓力監(jiān)測點(diǎn)共有18個，如果采用模擬輸出信號的傳感器，則目前現(xiàn)有的采集系統(tǒng)通道數(shù)量無法滿足，因此選用數(shù)字式壓力傳感器。根據(jù)風(fēng)洞運(yùn)行壓力及監(jiān)測實(shí)時性要求，選用HM29系列的絕對壓力傳感器，量程0～200 kPa，分辨率20 bit，精度±0.25%FS，采樣率10 Hz，RS485輸出，補(bǔ)償溫度范圍-10～60 ℃。

2.1.4 串口服務(wù)器

串口服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)對壁面壓力傳感器數(shù)據(jù)的采集直流電源設(shè)備信號的采集。選用卓嵐ZLAN5G00A串口服務(wù)器，有16個串口，RJ45形式，支持RS232/485/422，16個串口可獨(dú)立全雙工工作，互不干擾，可配置為不同的波特率，每一個串口可作為TCP服務(wù)端、TCP客戶端、UDP、UDP組播等。另外還有4個網(wǎng)口，可當(dāng)交換機(jī)使用。系統(tǒng)一共配置2臺串口服務(wù)器。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計方案

軟件系統(tǒng)包括各上位機(jī)的軟件系統(tǒng)，其中VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)和電子掃描閥系統(tǒng)的上位機(jī)軟件只需在管理軟件中加入對所屬反射內(nèi)存卡的配置、讀寫等操作環(huán)節(jié)即可。而監(jiān)測系統(tǒng)軟件還需要實(shí)現(xiàn)對反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)配置、反射內(nèi)存卡管理、數(shù)據(jù)讀寫邏輯關(guān)系管理，以及共享數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲和后期的查詢回放等，本文著重介紹監(jiān)測系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)軟件在Windows7操作系統(tǒng)下使用圖形化編程軟件LabVIEW 2015編寫，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012。

2.2.1 反射內(nèi)存卡設(shè)置

PCI-3550反射內(nèi)存卡配套光盤里有驅(qū)動程序，運(yùn)行安裝程序時，注意要安裝配套的組件，工具包提供了支持C和LabVIEW的開發(fā)庫以及相關(guān)的工具、文檔和事例，具體見圖3。

圖3 反射內(nèi)存卡安裝組件選項(xiàng)

利用自帶的管理軟件可以查看反射內(nèi)存卡卡的基本信息并進(jìn)行配置。驅(qū)動程序安裝完成后，可以在安裝目錄下找到P3550.h、P3550.dll、P3550.lib等文件，文件里包含了板卡的相關(guān)操作函數(shù)，主要有四大類：

1)基本設(shè)備操作，如：初始化設(shè)備、打開設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、設(shè)備復(fù)位、獲取設(shè)備屬性等。

2)配置設(shè)備，如：分配/釋放內(nèi)存映射、檢查環(huán)網(wǎng)建立、獲得板卡ID、獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)量等。

3)數(shù)據(jù)傳輸，如讀取/寫入數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)等。

4)中斷事件，如使能事件、屏蔽事件、發(fā)送事件、等待事件及清空事件等。

2.2.2 反射內(nèi)存卡數(shù)據(jù)寫入

以VXI系統(tǒng)為例，該節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是將采集的傳感器數(shù)據(jù)和攻角數(shù)據(jù)寫入反射內(nèi)存卡，供狀態(tài)監(jiān)測軟件上位機(jī)讀取，該節(jié)點(diǎn)的上位機(jī)軟件采用LabWindows/CVI編寫，具體的操作過程及相關(guān)函數(shù)見圖4。

圖4 板卡操作流程

在操作板卡時，首先要定義設(shè)備句柄變量，并在其他引用該句柄的文件中定義為外部變量方可正常操作板卡，外部變量的定義格式為：

extern PS_DevHandle hDevice;

extern PS_DevInfoHandle pDevInfo;

2.2.3 反射內(nèi)存卡數(shù)據(jù)讀取

監(jiān)測系統(tǒng)軟件的核心功能就是將其他節(jié)點(diǎn)的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、換算成相應(yīng)的物理量值，以圖表、曲線等方式顯示出來并寫入數(shù)據(jù)庫。該軟件采用LabVIEW2015編寫，LabVIEW軟件是NI公司推出的圖形化語言開發(fā)環(huán)境，廣泛地的應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和實(shí)驗(yàn)室，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器控制平臺。

安裝PCI-3550驅(qū)動后，在軟件項(xiàng)目里載入的動態(tài)鏈接庫(DLL)文件，相關(guān)的操作會出現(xiàn)在前面板上，見圖5。

圖5 PCI-3550函數(shù)選板

每個選項(xiàng)都是以子vi的形式進(jìn)行了封裝，以獲取板卡信息為例，根據(jù)槽位號識別反射內(nèi)存卡ID并作為后期其他操作的唯一句柄，板卡被識別后，可以讀取板卡ID，并將錯誤信息輸出供操作人員查看。其程序框圖見圖6。

圖6 獲取P3550板卡信息子vi

2.2.4 天平載荷計算及顯示

天平是風(fēng)洞測力試驗(yàn)中各種氣動力測量的主要設(shè)備。本文中，天平數(shù)據(jù)通過PXI系統(tǒng)上位機(jī)寫入反射內(nèi)存卡，監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)讀取本機(jī)反射內(nèi)存卡內(nèi)容，進(jìn)行迭代計算，當(dāng)?shù)諗繒r，則迭代結(jié)果即為天平載荷。其實(shí)現(xiàn)原理見圖7。

圖7 天平載荷計算實(shí)現(xiàn)原理圖

天平載荷的計算是通過調(diào)用banlance子VI模塊來實(shí)現(xiàn)的。在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，天平載荷被實(shí)時的計算出來并投影在大屏幕上，既顯示天平的實(shí)時載荷，也以天平的實(shí)測值與設(shè)計載荷的百分比這種更直觀的形式顯示出來，便于崗位人員觀察天平工況并快速確認(rèn)天平的工作狀態(tài)。顯示的設(shè)計原則是：如果天平載荷超出量程范圍，則顯示的顏色會根據(jù)載荷大小的百分比以不同顏色顯示，當(dāng)載荷為100%時顯示黃色，達(dá)到120%時顯示橙色，超過120%則顯示為紅色，崗位人員可以根據(jù)顏色的不同快速直觀的得出天平的工作狀態(tài)，以便采取相應(yīng)的緊急措施保護(hù)模型和天平的安全。

2.2.5 過程數(shù)據(jù)存儲管理

監(jiān)測系統(tǒng)軟件除了實(shí)時計算顯示數(shù)據(jù)外，另一個更重要的功能是歷史數(shù)據(jù)的追溯，便于通過對過程數(shù)據(jù)的分析，識別出設(shè)備性能狀況，并在氣動數(shù)據(jù)分析和設(shè)備故障排查中提供最直接的數(shù)據(jù)支撐。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理，監(jiān)測系統(tǒng)軟件將試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)以車次號作為關(guān)鍵字存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012。SQL Server數(shù)據(jù)庫具有更好的安全性和高可用性，具有快速的數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)功能，為后期的歷史數(shù)據(jù)分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

風(fēng)洞試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)存儲在表TestDataTable中，該表的字段包含車次號，試驗(yàn)時間、試驗(yàn)基本信息、壓力數(shù)據(jù)信息、天平載荷信息等，表字段的設(shè)計見圖8，其中車次號設(shè)置為主鍵，不能為空。表的字段名稱可以以中文命名，在不影響數(shù)據(jù)庫訪問效率的同時提升了可讀性。

圖8 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計

3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果

3.1 監(jiān)測軟件主界面

監(jiān)測軟件主界面包含風(fēng)洞運(yùn)行過程的相關(guān)信息，主要有：當(dāng)前試驗(yàn)車次基本信息、實(shí)時流場信息、天平載荷、傳感器壓力值、電源值和超擴(kuò)段壁面壓力值等，這些信息以文本、曲線、圖表等方式顯示。顯示界面按照功能區(qū)域劃分，一共有6個功能區(qū)：試驗(yàn)信息區(qū)、流場信息區(qū)、天平信息區(qū)、底壓信息區(qū)、壁面壓力區(qū)和電源監(jiān)測區(qū)域其中天平載荷以實(shí)際載荷與設(shè)計載荷的百分比顯示，便于觀察天平工作狀態(tài)。如圖9所示。

圖9 監(jiān)測軟件主界面

3.2 數(shù)據(jù)查詢與回放

歷史數(shù)據(jù)查詢支持單車次和多車次查詢。單車次查詢時，可以顯示多變量隨著某個變量(如時間)的變化關(guān)系曲線，不同變量以不同顏色區(qū)分；多車次查詢時，可以顯示不同車次的同一變量隨著某個變量(如時間)的變化規(guī)律，方便分析數(shù)據(jù)和故障排查。如圖10所示，顯示4個車次的攻角隨著時間的變化關(guān)系。

圖10 數(shù)據(jù)回放查詢界面

3.3 應(yīng)用效果

測量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研制完成后一直應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)中，運(yùn)行期間，設(shè)備工作正常，實(shí)時性好，數(shù)據(jù)傳輸快速準(zhǔn)確，軟件運(yùn)行良好，占用內(nèi)存低，無卡頓，操作方便，實(shí)現(xiàn)了測量系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測自動化。試驗(yàn)過程中，流場信息、天平載荷數(shù)據(jù)以及超擴(kuò)段壁面壓力數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，便于崗位人員監(jiān)控風(fēng)洞運(yùn)行狀態(tài)，以及在異常情況下采取緊急措施，從而確保測量系統(tǒng)設(shè)備及風(fēng)洞試驗(yàn)的安全。后期的數(shù)據(jù)查詢與分析功能，為崗位人員掌握測量系統(tǒng)設(shè)備性能狀態(tài)提供了幫助，應(yīng)用效果明顯。

系統(tǒng)運(yùn)行在某項(xiàng)風(fēng)洞試驗(yàn)期間，由于模型條件的改變和姿態(tài)角的變化，天平出現(xiàn)超載，載荷百分比變化超過120%，崗位人員及時采取緊急措施關(guān)閉風(fēng)洞，保護(hù)了模型和天平的安全。

4 結(jié)束語

測量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整合現(xiàn)有設(shè)備資源，搭建了反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)，克服測量設(shè)備物理上的分散，實(shí)現(xiàn)了測量全系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測的目的。監(jiān)測軟件利用LabVIEW強(qiáng)大的設(shè)計功能和數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了友好的用戶界面和數(shù)據(jù)管理。設(shè)備出現(xiàn)異常時，監(jiān)測系統(tǒng)均能及時報警，系統(tǒng)實(shí)時性和可靠性均有可靠保證。

1.2米風(fēng)洞測量系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的成功研制和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對測量系統(tǒng)全方位、全時段的監(jiān)測，監(jiān)測過程數(shù)據(jù)可追溯，為風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析以及故障排查提供了數(shù)據(jù)支撐，為風(fēng)洞試驗(yàn)的安全運(yùn)行提供了可靠保障。