动力学环境试验数据采集系统结构及性能分析

韩晓健，罗 成，李 宁，焦安超，于 丹

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 前言

在航天器研制过程中，动力学环境模拟试验是一个必不可少的环节，其试验结果对于暴露航天器及其组件设计、工艺、制造和装配中存在的缺陷和隐患，检验航天器经受振动环境的能力等方面起着重要的作用[1]。动力学环境试验的数据采集、分析工作是试验有效性评估的数值依据，是航天器产品质量保证的重要手段。动力学环境试验数据测量具有测量通道多、数据流量大、实时性要求高、试验时间短、试验可靠性要求高等特点，从而对数据采集和分析处理系统提出较高的要求。

目前，在大型航天器研制中，用于动力学环境试验数据采集和分析的系统多为国外引进产品，如比利时LMS公司的HP3565S系统、SCADASIII系统，美国并行公司的 ISTAR系统、DP公司的DP700系统以及SD公司的JAGUAR系统。这些系统都能够满足航天器动力学环境试验数据采集的特殊需要，但由于硬件技术的发展水平及系统总体设计思想的不同，因此他们的产品各有千秋，特别是在硬件的总线结构、A/D板的结构和速度，以及软件的总体设计思路及数据管理模式方面都有很多不同。研究这些产品的硬、软件结构及优缺点，有助于了解并研究动力学环境试验数据采集和处理系统的技术水平及未来的发展方向。

1 动力学环境试验数据采集系统总线结构

1.1 IEEE-488标准总线结构

IEEE-488接口总线称为通用接口总线（GPIB，General Purpose Interface Bus），它的作用是实现仪器、计算机、各种专用的仪器控制器和自动测控系统的快速双向通信。IEEE-488 接口是一种8位数字式并行通信接口，其传输速率可达1 Mbit/s。GPIB使用1条传输线工作，其通信电缆阻抗和终端性能制约着最大数据传输率。IEEE-488 规定所用通信电缆的总长度必须小于20 m[2]。

1.2 VXI（VME）总线结构

1987年推出了VXI（VME bus extension for instrumentation）总线结构标准，VXI 总线是基于VME总线的扩展，其数据传输速率可达40 MB/s。它具有开放的标准、模块化设计、小型便携、对仪器功能的有力支持、灵活性强和可靠性高的特点[2]。用这样的总线结构来进行高吞吐量的数据传输是非常理想的。

1.3 PCI和PXI总线

PCI（Peripheral Component Interconnect Special Interest Group） 总线于1992年问世，它是一种全新的高速PC计算机总线，其数据传输速率可达到132 MB/s。

PXI（PCI Extension for Instrumentation ）是由美国NI公司于1987年推出的测控仪器总线标准，PXI总线是在以PCI计算机局部总线为基础的模块仪器结构上发展起来的。它不但具有PCI的性能和特点，适合于试验、测量与数据采集的新型虚拟仪器体系结构，而且还是PCI总线的增强与扩展，并与现有工业标准Compact PCI兼容，在相同插件底板中提供不同厂商产品的互联与操作。作为一种开放的仪器结构，PXI 提供了在VXI以外的另一种选择。它具备 32/64位数据传输能力及分别高达132 MB/s（32位）和264 MB/s（64位）的数据传输速度。

1.4 LXI总线

2004年安捷伦公司和 VXI科技公司在结合了GPIB和VXI优点的基础上，开发了基于以太网的LXI（LAN eXtension for Instrumentation）总线。它是一种适用于自动测试系统的新一代基于LAN的模块化平台标准。LXI结合了台式仪器的内置测量技术和PC标准I/O连接能力，并基于插卡框架系统的模块化和小尺寸等优点于一身。同年 9月两公司推出 LXI接口规范并成立 LXI联盟，LXI标准要求所有LXI设备都需要提供包括产品主要信息的网页。该网页必须可从标准W3C网络浏览器观看，并符合 HTML1.1 网页4.01版标准或更高。每一台 LXI设备必须实现IEEE 802.3（LAN）。

2 我国动力学试验用的数据采集系统的总线结构

2.1 比利时LMS公司的HP3565S系统

1992年引进的比利时 LMS公司的 HP3565S系统可进行动力学环境试验的振动、随机振动、噪声试验的数据采集和处理，还可进行模态试验的数据采集处理。该系统是每套80个通道。系统框图见图1。该系统采用IEEE-488标准总线结构，数据流是通过前端的A/D采集和处理经过IEEE-488接口传输到系统的硬盘。受到IEEE-488总线的速度限制，该系统传输速率不大于1 MB/s，这样既限制了系统的通道数不能太多，同时由于时域数据量大，也限制了时域数据的存储。

图1 HP3565S系统结构图Fig. 1 Configuration for HP3565S

2.2 美国DP公司的DP750

美国DP（Data Physics）公司的最新信号分析仪DP750使用Ethernet接口和前端机连接，这种以太网接口有很多优势：1 GB/s传输速率；主机箱和前端机箱的间距最大可达100 m；通过局域网实现多个用户连接。单个Abacus主机铺以通过以太网连接的客户机，携带便捷，是真正的便携式仪器。尽管以太网的传输率很高，但 DP750并未利用此优势，而是采用前端内置的100 GB硬盘，将大容量的时域数据以高达20 MB/s的速度存入前端硬盘（throughput硬盘），试验后再导入到主机硬盘中。系统框架图如图2。

图2 DP750系统结构图Fig. 2 Configuration for DP750

2.3 美国并行公司的ISTAR系统

ISTAR数据采集处理系统是美国并行公司于1997年生产的，其通道数为352个，是目前国内通道数最多的一台动力学环境试验数据采集系统。其系统为工作站系统，总线是VME总线结构。VXI 总线数据传输率为40 MB/s。系统框架图见图3。

图3 ISTAR系统结构图Fig. 3 Configuration for ISTAR

2.4 自主研发的DMS-100数据采集系统

自主研发的DMS-100动力学综合测试系统硬件平台采用主控计算机和 VXI机箱组成测试单元的结构，其中：VXI测试总线机箱中内置一个零槽控制器，用于管理 VXI测试模块间的协调以及同步；主控计算机通过内置于计算机的PCI 1394转换卡、IEEE 1394总线和内置于VXI机箱的控制功能模块（零槽控制器）与VXI 测试系统机箱连接，实现与VXI测试机箱的快速数据传输及通讯管理工作。IEEE 1394总线对VXI总线集成自动化测试系统进行控制和管理，目前绝大多数桌面PC都还没有配置IEEE 1394标准总线接口，因此这种构建VXI总线集成自动化测试系统的方案中涉及到两种接口适配器。目前桌面PC主板上最常用的标准总线就是PCI总线，所以通常IEEE 1394-VXI零槽控制器提供一块PCI-IEEE 1394接口适配器作为附件[3]。

在测试过程中，VXI总线机箱通过A/D转换器完成动力学响应数据的采集（同样对于任意波形输出，通过 D/A转换器输出动力学试验需求的任意波形），所有采集数据通过VXI总线及IEEE 1394连接线实时传送到主控计算机，由主控计算机完成数据处理分析、数据存储、实时显示等任务。系统框架图见图4。

图4 DMS-100系统总线及结构图Fig. 4 Configuration for DMS-100

2.5 美国SD公司的JAGUAR数据采集系统

美国SD公司的多通道数据采集系统主要由多个SD2570 系统组成，每个系统最多可达98个通道。SD2570系统的主机由SUN工作站进行实时在线数据采集和处理，其总线同 ISTAR系统，同样是VME总线结构，所不同的是它通过前端的系统throughput硬盘将大容量的时域数据存储，然后倒入主机硬盘。总线图如图5。

图5 SD2750系统结构图Fig. 5 Configuration for SD2750

2.6 比利时LMS公司的SCADASIII系统

比利时LMS公司2003年生产的SCADASIII数据采集系统其前端和主机通过工业标准的 SCSI接口，确保快速和准确的数据传递，主机和前端实际达到11 M采样点/s。如果系统增加辅助机箱的话，由于受机箱间数据传输速度的影响，整个系统的传输率会明显下降，1套由4个机箱组成的200通道的数据采集系统，测试其系统数据传输速率只有3 M采样点/s，测试另一套由2个机箱组成的228通道的系统传输速率不大于6.5 M采样点/s。系统的总线框架图见图6。

图6 SCADASIII系统结构图Fig. 6 Configuration for SCADASIII

2.7 分布集成式系统

近年来为了建立超大型多通道数据采集系统，提出了分布集成式系统的设计思想，即各个单机系统相互独立，由主控计算机对各个单机系统进行远程监控，主控机与单机通过以太网（1 000 MB/s带宽）相连，实现远程控制与分布式数据管理的工作模式。单机系统的模块化设计思想使单机系统的扩容变成了现实，同时也克服了单一超大系统数据流传输的瓶颈。分布集成式系统构成见图7。

图7 分布集成式系统结构图Fig. 7 Configuration for distributing and integration system

3 数据采集系统的数据处理方法

无论哪种数据采集系统，其随机试验数据方法和冲击试验冲击响应谱的计算方法都没有太大差异，只是在扫描正弦数据处理的方法上各有各的特点。扫描正弦数据处理主要涉及到频率的辨识方法及响应的峰值计算方法。频率的辨识方法主要有时间倒数法（过零法）、数字跟踪滤波法和FFT法。响应数据的峰值计算主要有4种方法：绝对峰值法，平均值峰值法，有效值峰值法，滤波方式峰值法。

1）绝对峰值法

对正弦时域信号进行实时处理时，取每个响应信号所处理周期内采样点数值的绝对响应峰值。处理公式为

式中：Ap为绝对峰值；ai为每个处理周期内的采样点数值，i=1,2,…N (N为所处理周期内的采样点数）。

2）平均值峰值法（average value）

对正弦时域信号进行实时处理时，取每个响应信号所处理周期内采样点数值的绝对响应平均值，再换算成峰值。处理公式为

式中：Aavg为平均峰值。

3）有效值峰值法（RMS value）

对正弦时域信号进行实时处理时，取每个响应信号所处理周期内的响应数值的有效值，再换算成峰值。处理公式为

式中：ARMS为有效值峰值。

4）滤波方式峰值法（filtered value）

对正弦时域信号进行实时处理时，取每个响应信号所处理周期内的各响应点的数值，按滤波方式的处理方法获得幅值。

假设正弦信号激励时结构响应信号表示为y=Acos(ωt+φ)+Harmonics+Offset+Noise；或写为y(t)=A0+A1sin(ωt+φ1)+A2sin(2ωt+φ2)+…+Ansin(n · ωt+φn) 。

幅值为

相位为

上述式中：y(t)为各采样点数值；T为所处理的正弦信号的周期；P为信号幅值的实部；Q为信号幅值的虚部；A为信号幅值；ϕ为信号初相位。ω= 2πf，为正弦信号频率；t为采样时间。

3.1 HP3565S系统的数据处理方式

HP3565S系统是基于 UNIX操作系统运行模式，该系统每套最多有80通道，可以多套组成一个系统，需要多人操作。由于受到当时硬件的限制，因此系统单通道采样率只有12.8 kHz。系统可完成动力学环境试验的正弦、随机、冲击试验的实时数据采集和处理。

正弦数据处理中没有时域数据的采集及存储、后处理功能，只能在线实时处理。在线进行谱分析时，数据处理方式主要有绝对峰值法、有效值峰值法、平均值峰值法，还可在线进行传递函数计算等。

频率辨识采用过零法。

在正弦数据采集过程中，每个信号的幅值以12.8 kHz进行采样，然后基于数据处理的抽取的方法进行再采样，目的是降低其采样频率，其再采样频率的设置如表1。

表1 HP3565S系统再采样频率设置方法Table 1 Method of set up resampling frequency for HP 3565S

3.2 ISTAR及DMS-100 系统的扫描正弦数据处理方式

ISTAR和DMS-100系统的硬件不同，其中：ISTAR的A/D板为32通道，16位A/D，51.2 kHz采样频率，系统共352通道；DMS-100 A/D板为32通道，每通道采样率可以达到51.2 kHz，采样位数16位，系统共128通道。

这两套系统的扫描正弦数据处理方式是一样的，它们的共同特点是可在线实时对扫描正弦、随机、冲击试验时域数据采集并处理，还可以进行数据的后处理。在线进行谱分析时，数据处理方式有绝对峰值法、有效值峰值法、滤波方式峰值法，还可在线进行传递函数计算等。

扫描正弦频率的辨识均采用过零法。在正弦数据采集过程中，其采样率设置原则是：采样频率=（谐波频率+1）×K ×最大分析频率，系统缺省设置K = 4。一般可以遵循以上原则进行选取，也可自由选取，一般选取最高分析频率的32倍或20倍。

幅值计算方法见公式(1) (5)。在进行幅值计算时，对每个频率点所选取的时域数据的周期数符合表2的规律，可以根据要求选取不同的频率。

表2 ISTAR系统扫描正弦数据处理方法Table 2 Data processing method of sine sweep for ISTAR

3.3 SD2570系统的数据处理方式

美国SD公司的SD2570系统对扫描正弦数据处理采取先利用系统前端的 throughtput硬盘在线实时存储时域数据然后进行时域数据回放再处理的方式，每个硬盘容量达到36 GB，每套系统可扩充到 6个硬盘。其频率是通过标准COLA信号应用过零法进行辨识。其幅值的计算见公式(1) (5)。其中滤波峰值法的详细过程如图8所示。

图8 SD2750 幅值滤波计算方法示意图Fig. 8 Estimation method of Filtered value for SD2570

3.4 SCADASIII系统的数据处理方式

SCADASIII系统基本功能主要是对扫描正弦、随机、冲击试验数据可在线实时时域数据采集并处理，系统数据处理速度快。

利用该系统对扫描正弦数据处理时可进行在线实时时域数据的采集及存储、在线频响处理，还可以进行数据的后处理。在线进行频响分析时，数据处理方式有：绝对峰值法、有效值峰值法、滤波方式峰值法，还可在线进行传递函数计算等。单通道采样率达到204.8 kHz。

该数据采集系统利用控制系统提供的 COLA信号进行实时频率跟踪辨识，利用时间倒数法进行激励信号的实时频率辨识，采用26 MHz的计数器，它的分辨率可达38 ns，对COLA信号进行采样，采集整周期信号，再根据整周期内采集的点数和采样率计算一个周期的时间，频率由一周期时间的倒数得到。

SCADASIII系统的 A/D 最高采样率是204.8 kHz，这样，系统通过多倍的再采样设计，即有12个缓冲器，根据COLA信号辨识信号频率，对响应信号进行相应的抽取，即不同频率的响应数据的最终采样率落到这12个缓冲器范围内，进行幅值计算。最高缓冲器的采样频率等于 A/D的最高采样频率（204.8 kHZ），最低缓冲器的采样频率是204 800/211=100 Hz。每个扫描频率的信号的幅值信号以A/D的采样频率204.8 kHz进行采样，基于再采样因子（128倍）的设计思路，每个频率的信号又以大于等于其频率的 128倍的原则被数字采样，该信号落在相对应的缓冲器中[4]。随着扫描正弦信号的频率的变化，其采样率也在变化，具体见图9。

图9 SCADASIII系统扫描正弦幅值计算示意图Fig. 9 Estimation method of data of sine sweep for SCADASIII

4 主要性能比较

动力学环境试验数据采集及数据处理的方法目前已成熟，但大型航天器研制的需求和要求测量的点数增加，需要大型的多通道实时数据采集和处理系统。由于系统硬件性能的限制，因此单套系统的通道数的发展受到限制，目前，单套系统的最大通道数为352通道。大型系统的通道数的发展受到限制的主要原因是系统需要具备在线实时采集时域数据并在线实时处理的能力，而大流量的数据实时存储和传输受到限制。为了突破这一瓶颈，在各系统上应用了各种方式提高数据的传输能力或采取throughput 硬盘方式将大流量的数据灌硬盘。这样，各系统的能力及数据存储和管理模式各有不同，见表3。

表3 系统硬件主要性能比较Table 3 Main capabilities of each system

5 结束语

以上几套系统的优势各有不同，但从以上比较可以看出多通道大型数据采集系统的发展趋势：

1）大型动力学环境试验数据采集系统的操作平台已从UNIX操作系统发展到了Windows操作系统；

2）随着硬件性能提高，在线实时处理并将时域数据直接存储到主机硬盘的方式将逐步取代中间硬盘的存储方式；

3）以电压/ICP的多输入方式取代单一的电压输入方式；

4）以分布集成式的系统模式代替超大系统的模式，避免因超大系统出现故障而造成整个系统的瘫痪。

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[1] 柯受全. 卫星环境工程和模拟试验（下册）[M]. 北京:宇航出版社, 1996

[2] 何广军, 高育鹏. 现代测试技术[M]. 西安电子科技大学出版社, 2007-03

[3] 冯咬齐, 崔俊峰. 航天器动力学环境试验综合测试系统的设计思路[J]. 航天器环境工程, 2003, 20(3)

[4] LMS International. LMS test lab user manual[G]. 2002