(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

風(fēng)洞是以人工方式產(chǎn)生并控制氣流，用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體流動情況，并可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設(shè)備，它是飛行器研制工作中的一個不可缺少的組成部分，其在航空和航天工程的研究與發(fā)展中起著重要的作用[1]。風(fēng)洞中所涉及到測量參數(shù)通常包含很多，其中，壓力就是風(fēng)洞測量中的一項非常重要參數(shù)，其主要是針對風(fēng)洞總壓、靜壓、以及模型表面壓力的測量，通過這些壓力的測量可以解算出風(fēng)速、模型流動特征以及氣動外形設(shè)計等重要的風(fēng)洞試驗參數(shù)[2-3]。風(fēng)洞中的壓力目前主要是采用壓力掃描閥來進(jìn)行測量，因為其具有小型化、精度高、通道數(shù)多等優(yōu)點，從而在風(fēng)洞中得到了廣泛的運(yùn)用[4]。當(dāng)前，針對壓力掃描閥在風(fēng)洞中進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，還存在因風(fēng)洞不同、掃描閥類型不同以及功能需求不同等原因而重復(fù)多次的編寫壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集軟件，從而造成軟件冗余度高、工作效率低的問題[5-6]。

基于此，本文開發(fā)了一個風(fēng)洞通用壓力掃描閥綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以滿足風(fēng)洞中各類壓力掃描閥的數(shù)據(jù)采集需求。系統(tǒng)軟件主要由參數(shù)設(shè)置、主界面、通道類型設(shè)置、吹風(fēng)試驗、數(shù)據(jù)查看等模塊組成，其主要具有以下幾個特點：1)基于模塊化設(shè)計，界面簡潔，操作簡單，擴(kuò)展性強(qiáng)；2)集成了各類風(fēng)洞使用壓力掃描閥進(jìn)行數(shù)據(jù)采集所需的各種功能，功能齊全；3)融合了風(fēng)洞中常用的各類壓力掃描閥，可以實現(xiàn)不同壓力掃描閥的綜合應(yīng)用，兼容性好。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要由壓力掃描閥、交換機(jī)、測量上位機(jī)三大模塊組成。如圖1所示，測量上位機(jī)與各個壓力掃描閥通過網(wǎng)線連接到以太網(wǎng)交換機(jī)，以確保所有設(shè)備在一個網(wǎng)段上。當(dāng)進(jìn)行吹風(fēng)試驗時，首先由引壓管將外部壓力引入到壓力掃描閥中。然后，由掃描閥內(nèi)部的壓力傳感器將接收到的外部壓力轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換完成后，各個掃描閥再通過網(wǎng)絡(luò)將壓力數(shù)據(jù)匯聚到測量上位機(jī)上。最后，再由測量上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集軟件對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。

圖1 壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成

1.2 PSI 9116壓力掃描閥

PSI 9116是一種氣體壓力智能掃描器，其內(nèi)部集成了壓力傳感器和氣路校準(zhǔn)閥。它所采集到的數(shù)據(jù)是保證系統(tǒng)精度的工程單位EU數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過上電時讀取傳感器內(nèi)部預(yù)置的EU轉(zhuǎn)換和溫度補(bǔ)償系數(shù)經(jīng)過內(nèi)部計算得到的。它的網(wǎng)絡(luò)接口采用的是自適應(yīng)10/100 M以太網(wǎng)接口，使用TCP/UDP/IP協(xié)議，支持全雙工/半雙工操作[7]。PSI 9116具有16個測量通道，每個通道使用單獨(dú)的氣體壓力傳感器。它的壓力掃描精度高達(dá)±0.05%，并在校準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，溫度漂移誤差低至±0.001%FS/℃。此外，它還具備調(diào)零校準(zhǔn)方便、易于使用、易于更換等特點。

1.3 DSA 3217壓力掃描閥

DSA 3217是一個獨(dú)立的電子壓力掃描閥，可以接受16個氣動輸入，其是專門設(shè)計用于校準(zhǔn)周期長、操作簡單與精度要求高的應(yīng)用場合[8]。每個DSA 3217包含16個獨(dú)立的、溫度補(bǔ)償?shù)膲鹤枋綁毫鞲衅鳌?個A/D轉(zhuǎn)換器和1個微處理器。每個傳感器都具備超壓超溫特性，該信息存儲在EEPROM存儲器中，使模塊能夠直接輸出工程單位中的核心數(shù)據(jù)。該模塊同時支持以太網(wǎng)通信以及串口RS-232通信，但主要的通信方式是帶有MDIX自動交叉的100Base-T以太網(wǎng)端口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計平臺

C#是微軟公司設(shè)計的一種從C和C++派生出來的一種簡單、現(xiàn)代、面向?qū)ο蠛皖愋桶踩木幊陶Z言，其主要用于開發(fā)可以運(yùn)行在.NET平臺上的應(yīng)用程序[9]。C#具有語法簡單、徹底面向?qū)ο笤O(shè)計、兼容性好等突出的特點，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如：桌面應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)平臺開發(fā)、智能手機(jī)程序開發(fā)等等。

2.2 軟件設(shè)計思路

壓力掃描閥安裝連接成功后，打開數(shù)據(jù)采集軟件，在軟件上通過網(wǎng)絡(luò)連接需要使用的壓力掃描閥。連接成功后，對壓力掃描閥進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置，例如：采樣頻率、濾波次數(shù)、觸發(fā)模式、采集模式、時間協(xié)議等等。參數(shù)設(shè)置完成后，軟件開始實時顯示壓力掃描閥的零點值，并根據(jù)需要通過軟件對所有的壓力掃描閥進(jìn)行一鍵標(biāo)定。當(dāng)需要準(zhǔn)備試驗吹風(fēng)時，首先通過軟件對各個通道的數(shù)據(jù)類型以及試驗參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后進(jìn)入到吹風(fēng)試驗界面，吹風(fēng)界面以圖形化實時顯示需要顯示的通道數(shù)據(jù)。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，通過軟件控制數(shù)據(jù)的采集與存儲。數(shù)據(jù)存儲完成后，可以根據(jù)需要通過軟件對已存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。此外，針對需要遠(yuǎn)程控制的情況，可以通過軟件連接到遠(yuǎn)程控制機(jī)，并由遠(yuǎn)程控制機(jī)來控制數(shù)據(jù)的采集。

圖2 軟件設(shè)計思路

2.3 軟件組成

依據(jù)軟件的設(shè)計思路以及風(fēng)洞試驗現(xiàn)場使用的需要，對軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計，主要包括參數(shù)設(shè)置、主界面、通道類型設(shè)置、吹風(fēng)試驗以及數(shù)據(jù)查看等5大模塊。

參數(shù)設(shè)置界面主要用于對已連接到軟件的壓力掃描閥進(jìn)行參數(shù)配置，如圖3所示。

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

首先通過16個模塊按鈕對需要配置的模塊進(jìn)行選擇，然后根據(jù)所選的壓力掃描閥選擇掃描閥類型，并根據(jù)該掃描閥的IP地址以及Port端口對其進(jìn)行連接。連接成功后，對模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容主要包括：1)采集頻率、通道掃描間隔及濾波次數(shù)，由于采集頻率的設(shè)置與通道掃描間隔和濾波次數(shù)直接相關(guān)，因此設(shè)置了兩種頻率計算方式，一種是根據(jù)濾波計算通道掃描間隔，即改變了頻率后根據(jù)當(dāng)前的濾波次數(shù)計算出通道掃描間隔，一種是根據(jù)掃描間隔計算濾波，即改變了頻率后根據(jù)當(dāng)前的通道掃描間隔計算出濾波次數(shù)；2)觸發(fā)模式，掃描閥的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)通常包含兩種模式，一種是內(nèi)部時鐘，即掃描閥根據(jù)設(shè)置的采集頻率使用內(nèi)部時鐘定時觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，另一種是外部觸發(fā)，即掃描閥連接外部的觸發(fā)設(shè)備，通過觸發(fā)設(shè)備產(chǎn)生的觸發(fā)信號來觸發(fā)數(shù)據(jù)的采集；3)采集模式，采集模式有兩種可選，一種是根據(jù)采集頻率進(jìn)行連續(xù)不斷采集的連續(xù)采集模式，一種是每次只采集一次數(shù)據(jù)的單次采集模式；4)采集類型，本軟件的數(shù)據(jù)采集類型主要分為壓力值以及各個通道的溫度值；5)壓力單位，針對壓力值可以選擇不同的壓力單位，例如：Pa、KPa、PSI等。模塊參數(shù)設(shè)置完成后，就可以將參數(shù)設(shè)置情況下發(fā)到壓力掃描閥并讓其生效，本軟件設(shè)置了兩種參數(shù)設(shè)置下發(fā)模式，一種是單次設(shè)置，即只對當(dāng)前的模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，另一種是對所有已連接的模塊進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置。

為了實現(xiàn)各個掃描閥的時間統(tǒng)一、數(shù)據(jù)同步以及數(shù)據(jù)比較，本軟件對每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行時間戳的獲取。針對支持PTP協(xié)議[10](precise time protocol，精準(zhǔn)時間協(xié)議)的掃描閥，本軟件可以對其進(jìn)行PTP設(shè)置，如圖3(b)所示，獲取的時間戳即為掃描閥的硬件時間戳。針對不支持PTP協(xié)議的掃描閥，本軟件獲取的時間戳為計算機(jī)的系統(tǒng)時間戳。

吹風(fēng)試驗過程中有時需要多個系統(tǒng)同步采集以及遠(yuǎn)程操控等，因此本軟件設(shè)置了遠(yuǎn)程控制模式，如圖3(c)所以，首先，通過本軟件設(shè)置好遠(yuǎn)程控制器的IP地址、Port端口以及開始采集命令等，當(dāng)需要遠(yuǎn)程控制時，將采集控制權(quán)交于遠(yuǎn)程控制器，遠(yuǎn)程控制器就可以通過發(fā)送采集命令來實現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集，當(dāng)不需要遠(yuǎn)程控制時再轉(zhuǎn)為本地采集模式。

主界面主要用于零點顯示、零點標(biāo)定以及試驗參數(shù)設(shè)置等，如圖4所示。

圖4 主界面

掃描閥連接設(shè)置成功并開始掃描后，主界面的數(shù)據(jù)顯示控件會實時顯示各個掃描閥的零點值，各個掃描閥的零點切換通過16個模塊按鈕來實現(xiàn)。當(dāng)需要進(jìn)行零點標(biāo)定時，軟件會發(fā)送零點標(biāo)定命令到各個掃描閥，掃描閥自動標(biāo)定后返回零點值到軟件，軟件再將各個掃描閥的零點值進(jìn)行臨時存儲。此外，由于每次吹風(fēng)過程的試驗條件可能不同，因此本軟件還設(shè)置了吹風(fēng)試驗的參數(shù)設(shè)置與存儲，設(shè)置內(nèi)容主要包括試驗車次、大氣壓力、環(huán)境溫度、采集頻率以及采樣時間等常規(guī)參數(shù)。

通道類型設(shè)置界面主要用于對壓力掃描閥各個通道的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行設(shè)置，如圖5所示。

由于吹風(fēng)試驗過程中掃描閥各個通道的數(shù)據(jù)類型與采集位置有所不同，因此，為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)區(qū)分以及數(shù)據(jù)處理等，本軟件設(shè)置了掃描閥通道類型設(shè)置功能。即在準(zhǔn)備吹風(fēng)試驗前，先將所用到的數(shù)據(jù)類型名稱輸入到軟件中，然后對每個通道的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行選擇，這樣每次數(shù)據(jù)采集完成后保存的數(shù)據(jù)文件就能對每個通道的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行標(biāo)注。

吹風(fēng)試驗界面主要用于數(shù)據(jù)圖形顯示以及數(shù)據(jù)采集，如圖6所示。

圖6 吹風(fēng)試驗界面

當(dāng)進(jìn)入吹風(fēng)試驗狀態(tài)時，吹風(fēng)試驗界面會以曲線流動的形式實時顯示掃描閥各通道的數(shù)據(jù)，圖形顯示頻率的規(guī)則為采集頻率小于10 Hz時就以采集頻率顯示，采集頻率大于10 Hz時就對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣顯示，顯示頻率為固定的10 Hz。此外，通過通道選擇控件還能夠?qū)π枰@示的通道數(shù)據(jù)進(jìn)行任意選擇。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，點擊開始采集按鈕軟件就會實時的存儲掃描閥當(dāng)前獲取得到的數(shù)據(jù)，采集過程中會有進(jìn)度提示，采集完成后，點擊數(shù)據(jù)保存按鈕對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，數(shù)據(jù)存儲的類型有CSV、TXT、Excel等多種類型可選。

數(shù)據(jù)查看界面主要用于對已存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)查看界面

吹風(fēng)試驗結(jié)束后，為了便于數(shù)據(jù)查看以及數(shù)據(jù)校驗，因此，本軟件設(shè)置了數(shù)據(jù)查看功能。即通過軟件打開需要查看的數(shù)據(jù)，軟件就能以圖形化的形式顯示出打開的數(shù)據(jù)。同樣，通過通道選擇控件可以對需要查看的通道數(shù)據(jù)進(jìn)行任意選擇。

2.4 壓力掃描閥指令

DSA 3217：

set format 0 設(shè)置數(shù)據(jù)刷新格式；

set bin 1 設(shè)置上傳數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式(0為ASCLL格式)；

set time 3 設(shè)置時間戳格式；

set period 100 設(shè)置通道掃描間隔為100us；

set avg 4 設(shè)置濾波次數(shù)為4；

set fps 0 設(shè)置數(shù)據(jù)采集模式(0為連續(xù)采集、1為單次采集)；

set unitscan kpa 設(shè)置數(shù)據(jù)單位為Kpa；

set xscantrig 0 設(shè)置數(shù)據(jù)觸發(fā)模式(0為內(nèi)部時鐘、1為外部觸發(fā))；

calz 100 4 零點標(biāo)定(以通道掃描間隔100us，4次濾波進(jìn)行標(biāo)定)；

set ptpen 0 設(shè)置ptp協(xié)議(0為關(guān)閉PTP、1為從設(shè)備、2為主設(shè)備)；

scan 開始掃描；

stop停止掃描。

PSI 9116：

c 05 1 0090 設(shè)置上傳數(shù)據(jù)的格式(數(shù)據(jù)包括壓力值與溫度值)；

w104 設(shè)置濾波次數(shù)為4；

c 00 1 ffff 1 100 8 0 設(shè)置為內(nèi)部時鐘觸發(fā)模式、掃描周期為100ms、連續(xù)采集模式；

hffff 零點標(biāo)定；

c 01 1 開始掃描；

c 02 1 停止掃描。

3 系統(tǒng)測試與分析

為了驗證本系統(tǒng)的可行性，本文開展了壓力掃描閥數(shù)據(jù)測試實驗。即按照兩臺DSA 3217、兩臺PSI 9116、一臺DSA 3217和一臺PSI 9116的三種情況依次連接到本系統(tǒng)，然后，使用壓力信號源(Ruska 7250LP)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的壓力變化信號(0KP-1KP-2KP-3KP-4KP-5KP逐漸變化的信號)同時輸入到各個掃描閥的第一個通道，最后，使用本系統(tǒng)對掃描閥獲取得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，第三種情況采集得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。三種情況采集完成后，計算每種情況的不同掃描閥之間的數(shù)據(jù)差異如圖9所示。

圖8 第三種情況的掃描閥采集數(shù)據(jù)

圖9 三種情況的掃描閥數(shù)據(jù)差異

由圖8可知，三種情況的壓力掃描閥之間的數(shù)據(jù)差異都比較小，分別為3.2 Pa、1.6 Pa、9.9 Pa，其中，第三種情況的數(shù)據(jù)差異比前兩種情況大是由于兩種不同掃描閥的精度不一致導(dǎo)致的。同時，由圖9可以看到第三種情況還出現(xiàn)了5次較大的波動，這是由于壓力信號產(chǎn)生較大變化時，兩種不同掃描閥的動態(tài)響應(yīng)不同而造成的。此外，三種情況的掃描閥之間的數(shù)據(jù)時間差最大值分別為5 ms、8 ms、30 ms，其中第三種情況的時間差較大是由于兩種不同掃描閥的啟動機(jī)制不一樣造成的，即掃描閥響應(yīng)啟動指令的時間不一致。綜上，本系統(tǒng)在前兩種情況下的數(shù)據(jù)差異以及數(shù)據(jù)時間差都比較小，第三種情況雖然要差一些但依然能夠滿足風(fēng)洞試驗的需要。因此，通過本實驗可以說明本系統(tǒng)具有較好的一致性與同步性，具備多個掃描閥綜合數(shù)據(jù)采集的能力，能夠滿足風(fēng)洞中各類壓力掃描閥的數(shù)據(jù)采集需求。

4 結(jié)束語

本文為了滿足風(fēng)洞中的常用壓力掃描閥數(shù)據(jù)采集的需求，設(shè)計了一個壓力掃描閥綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；贑#對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，將風(fēng)洞中常用的壓力掃描閥融合在了一個系統(tǒng)中，并根據(jù)風(fēng)洞試驗的功能需求從零點顯示與標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)查看等方面對系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，最后，通過壓力測試實驗對本系統(tǒng)進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)界面簡潔、功能齊全、同步性好并且兼容性高，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)洞中的各類壓力掃描閥的綜合數(shù)據(jù)采集。下一步工作是融合更多類型的壓力掃描閥在本系統(tǒng)中，并且根據(jù)風(fēng)洞試驗的需要，不斷的擴(kuò)展系統(tǒng)功能。