基于以太網(wǎng)的飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試系統(tǒng)

喬社娟1，王成1，康雪娟1，王琪2

(1.西安航空學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西 西安 710077；2.陜西四海測控技術(shù)有限公司 技術(shù)研發(fā)部，陜西 西安 710075)

摘要：基于我國飛機結(jié)構(gòu)疲勞強度測試系統(tǒng)的實際情況，結(jié)合目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，提出了一種基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制型分布式應(yīng)變測試系統(tǒng)，著重論述了采用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)多個遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端之間的通信，通過實驗驗證了命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性。

關(guān)鍵詞：飛機結(jié)構(gòu)；應(yīng)變測試；以太網(wǎng)

作者簡介：喬社娟(1982-)，女，陜西渭南人，中級工程師，從事航空航天測控領(lǐng)域與自動化方面的研究。

中圖分類號：V214.3+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

收稿日期：2014-12-20

基金項目：中國民航飛行學(xué)院研究生創(chuàng)新項目(X2012-40)

在航空測試領(lǐng)域中，飛機結(jié)構(gòu)的疲勞強度影響著飛機的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，在飛機測試過程中，主要通過飛機各個部位的應(yīng)變量實時反映被測系統(tǒng)的疲勞強度[1]。

近年來，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在整個測試領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[2]。傳統(tǒng)的單機版應(yīng)變測試系統(tǒng)在進(jìn)行實驗時所有的數(shù)據(jù)只能在一個測試機上進(jìn)行顯示和保存，而且對于實時測量的數(shù)據(jù)只能在測試后進(jìn)行分析。本文著重敘述以太網(wǎng)在多個遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端的應(yīng)變測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信方式。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是一款針對飛機疲勞強度測試的實驗系統(tǒng)，由于實驗人員有限，可以由一個實驗工程師集中管理多臺計算機[3]，主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控端、測試端與以太網(wǎng)絡(luò)三個子系統(tǒng)組成，遠(yuǎn)程監(jiān)控端與測試端之間通過以太網(wǎng)交換機進(jìn)行連接，連接示意圖如圖1所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端主要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制測試端自動完成系統(tǒng)自檢、通道自校準(zhǔn)、通道標(biāo)定、通道配置和數(shù)據(jù)采集，同時通過以太網(wǎng)接收不同測試端測量的結(jié)果，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行顯示、保存和分析與報表的生成。

圖1　遠(yuǎn)程控制端與測試端的網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

測試端實現(xiàn)通道配置和信號采集、調(diào)理。測試端從傳感器接收來信號后，對信號進(jìn)行調(diào)理、換算，并通過以太網(wǎng)交換機傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準(zhǔn)確性，減小數(shù)據(jù)傳輸過程中電磁干擾的影響，采用100Mbps的快速以太網(wǎng)交換機、RJ-45接口的五類屏蔽型雙絞線。

2通信方式

2.1基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

近年來以太網(wǎng)傳輸速率迅速提升，從開始的10M到現(xiàn)在的100M、1000M、10G，速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕和傳輸延時減少，網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率下降；其次，以太網(wǎng)采用了全雙工星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和以太網(wǎng)交換技術(shù)[4]，使以太網(wǎng)交換機的各端口之間數(shù)據(jù)幀的輸入輸出不再受 CSMA/CD 機制的制約，避免了沖突，同時，采用全雙工交換式以太網(wǎng)能避免因碰撞而引起的通信響應(yīng)不確定性，保障通信的實時性。

隨著系統(tǒng)集成、虛擬儀器和計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，測控系統(tǒng)已經(jīng)向集成化、智能化、分布式的實時在線控制方向發(fā)展，通信技術(shù)成為用戶統(tǒng)一集中管理的關(guān)鍵，從而，以太網(wǎng)技術(shù)在相當(dāng)一部分的測控設(shè)備和系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的樞紐作用。

在飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)同時使得局域網(wǎng)內(nèi)不同地點可以對飛機結(jié)構(gòu)中所關(guān)注的不同測試點的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)控與處理，采用多個遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端通過交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。

圖2遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端通訊協(xié)議信息體組成

2.2遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端通信

本系統(tǒng)為了使總線上多個設(shè)備之間能夠正確有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議，主要由“字節(jié)數(shù)”、“頭”(本系統(tǒng)用‘XH’表示)、“C計算機名稱字節(jié)數(shù)”、“C計算機名稱”、“S計算機名稱字節(jié)數(shù)”、“S計算機名稱”、“S/C系統(tǒng)狀態(tài)”、“發(fā)送/反饋命令”、“錯誤代碼”、“預(yù)留”、“S調(diào)理/采集信息體或C執(zhí)行結(jié)果”組成。為了提高通信端在分解多種通信協(xié)議效率，遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端采用同一種通信協(xié)議，協(xié)議信息體組成如圖2所示，其中，S表示測試端，C表示遠(yuǎn)程監(jiān)控端，同時，通信協(xié)議中帶有計算機名稱字節(jié)數(shù)使得系統(tǒng)中的計算機可以任意設(shè)定計算機名稱。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端主要打包和發(fā)送用戶命令與配置信息，測試端完成用戶操作，并將測試結(jié)果通過以太網(wǎng)反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)控端。由于遠(yuǎn)程監(jiān)控端向測試端發(fā)送命令或配置時需要確保接收端處于網(wǎng)絡(luò)連接正常且空閑狀態(tài)，測試端向遠(yuǎn)程監(jiān)控端回饋測試結(jié)果時亦須保證遠(yuǎn)程監(jiān)控端處于等待接收回饋狀態(tài)，兩端時刻都需要將自身的狀態(tài)發(fā)送給對端，所以，不論進(jìn)行空閑通信，還是正在進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，兩端的任何通信數(shù)據(jù)包中必須包含自身狀態(tài)，即圖2通信協(xié)議中的“S/C系統(tǒng)狀態(tài)”，遠(yuǎn)程監(jiān)控端時刻都顯示測試端的狀態(tài)，這樣減小了誤操作。但是，對于異常情況，如，兩端任意一端出現(xiàn)異常無法進(jìn)行通信時，對端無法接收到對端狀態(tài)而進(jìn)行實時狀態(tài)的更新，本系統(tǒng)在處理此問題時是根據(jù)兩次接收不到對方的信息(最長2s)，自動定義對端異常，從而進(jìn)行重新連接對端，保證兩端通信連接的實時性，遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端通信流程如圖3所示。

圖3　遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端通信流程

飛機結(jié)構(gòu)疲勞強度實驗是一種長期的靜態(tài)實驗[6]，實驗中應(yīng)變的變化比較緩慢，但是實驗周期較長，有些實驗需要進(jìn)行長達(dá)一年才能完成，根據(jù)應(yīng)變實驗的這種長期性和信號變化緩慢的特性，為了提高系統(tǒng)運行效率，遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端發(fā)送和接收命令采用1s時間間隔，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的時間間隔根據(jù)采樣頻率有所不同，一般為1s至100ms。

2.3應(yīng)用效果/測試效果

2.3.1應(yīng)用效果

實驗過程中，本系統(tǒng)能夠完成點動、連續(xù)、定時等多種疲勞實驗，能夠完成至少10臺遠(yuǎn)程監(jiān)控端同時監(jiān)控多個通道來測試飛機不同部位的應(yīng)變變化情況，實驗時長至少可達(dá)12個月，對于實驗運行過程中測試過程中長時間累計數(shù)據(jù)的顯示問題，采用兩種解決方法：第一種，由于是疲勞實驗，數(shù)據(jù)的變化比較緩慢，顯示圖形中最多顯示1小時的時長數(shù)據(jù)，每屏的數(shù)據(jù)量最多不超過10000個點，如果超過顯示時長和數(shù)據(jù)量，采取先進(jìn)先出原則，只保證最近一小時的數(shù)據(jù)可見，并且采取抽取每時刻采集的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；第二種，在實驗過程中，如果試驗人員需要查看以前實驗的歷史數(shù)據(jù)或者本次實驗的歷史數(shù)據(jù)，可以運行數(shù)據(jù)分析界面，直接打開對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行顯示、分析和分析數(shù)據(jù)的另存為，保證了實驗的獨立性、可靠性和靈活性。測試端連續(xù)、定時、外觸發(fā)等實驗的人機界面如圖4所示。

圖4　測試端連續(xù)、定時、外觸發(fā)等實驗的人機界面

2.3.2溫漂測試效果

針對疲勞實驗持續(xù)時間長的特點，要求測試系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，對靜態(tài)應(yīng)變測試儀的零值進(jìn)行溫漂測試，每隔20分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，測試時長8小時40分鐘，28組數(shù)據(jù)中，通道1的最大值是3με、最小值-6με、平均值是-1.11με，通道4的最大值是4με、最小值是-3με、平均值是0.26με，從總體上來說，溫漂基本在±5με之內(nèi)。

2.3.3精度測試效果

利用SSA型標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀對系統(tǒng)的精度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明本系統(tǒng)測量精度高達(dá)3‰，通道2處于三線制四分之一橋時的檢測結(jié)果如表1所示。

表1通道2三線制四分之一橋精度檢測結(jié)果

序號標(biāo)稱值(με)測量值(με)FS誤差(%)120000200030.016215000149970.01831000099980.0094500049970.0165100010010.00765005010.00471001000.00280-10.0039-100-1010.00410-500-4990.00411-1000-10000.00212-5000-50010.00413-10000-100000.00114-15000-149970.01315-20000-199970.017

3結(jié)語

本文設(shè)計了一個8路的靜態(tài)應(yīng)變/電壓測試系統(tǒng)，主要通過以太網(wǎng)交換機將測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0臺遠(yuǎn)程監(jiān)控端，根據(jù)需要進(jìn)行不同測試點的顯示、分析等。通過上述的應(yīng)用效果和測試效果證明，本系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定可靠、實時性高、界面友好、易于操作；對于后續(xù)增加遠(yuǎn)程監(jiān)控端和測試端留有擴展接口，模塊之間相互獨立，方便進(jìn)行二次開發(fā)；充分展現(xiàn)了以太網(wǎng)長距離、高速率傳輸?shù)膬?yōu)點；相對于傳統(tǒng)單機版的應(yīng)變測試系統(tǒng)，避免了實驗數(shù)據(jù)在同一臺機器上顯示和保存所造成的數(shù)據(jù)過于集中而無法完全顯示，甚至內(nèi)存溢出的死機問題，同時在實驗過程中進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)整體趨勢的分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

參考文獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯、校對：張朋毅]

Ethernet-based Strain Test System for Aircraft Structure

QIAOShe-juan1,WANGCheng1,KANGXue-juan1,WANGQi2

(1.College of Electric Engineering, Xi'an Aeronautical University, Xi'an 710077, China;

2.Shaanxi Sunhigh Measurement and Control Technology Co., Ltd., Xi'an 710075, China)

Abstract：Based on the actual situation of Aircraft Structure fatigue test system in China and the applications of Ethernet technology in industrial areas. Ethernet-based remote control strain test system is designed. The emphasis is on using Ethernet to realize the communication between distant controlling terminals and field measuring node. The transmission reliability and real-time between command and data were verified by many experiments.

Key words：aircraft structure; strain test; Ethernet