基于VXI总线技术的飞机伺服阀测试数采系统设计

魏珊珊

(徐州生物工程职业技术学院机电工程系，江苏徐州 221006)

民用飞机在着陆接地时具有较大的水平分速度，同时由于飞机质量较大，所以在降落滑跑过程中，很难依靠气动阻力与机轮滚动阻力对飞机迅速减速。因此，现代飞机都有着陆减速装置。

而现代飞机的着陆减速装置需要刹车伺服阀来控制刹车力的大小以避免出现着陆时对轮胎的损坏。针对飞机刹车伺服阀测试系统的研究比较多，但基于VXI总线技术的刹车伺服阀测试系统的研究并不多。

VXI总线仪器同时具有消息基和寄存器基的特点，可以实现VXI仪器之间的高速通信，此外VXI总线仪器与计算机也有着很高的通信速度，具有较高的系统模块化能力，为虚拟仪器的进一步扩展提供了一个较好的平台。

1 飞机刹车伺服阀测试

飞机刹车伺服阀测试需要对伺服阀进行静态和动态的测试试验，如果试验结果能够满足相关标准则认为该刹车伺服阀液压特性是满足要求的。

飞机刹车伺服阀需要进行:保压试验测试、内泄漏试验测试、压力增益试验测试、滞环试验测试、压降试验测试、瞬态响应测试、频率响应测试。

要实现以上试验就需要操作相应数据采集仪器进行数据采集。根据实际需要，确定了该测试系统需要VXI仪器设备实现的功能有:高速数据采集、驱动伺服阀放大器。

2 测控系统的组成与软件实现

该测控系统由3个部分构成:工控机、VXI总线机箱、液压系统、测控系统软件，如图1所示。其中数据采集任务主要由包含在VXI总线机箱内部的数据采集卡VT1413C、VT1435完成，伺服阀放大器输入电压由VM3608A信号输出模块提供，数采系统采用LabVIEW2010的编程环境。

图1 测控模块原理简图

2.1 数据采集卡简介

VT1413C模块具有64通道多路转换器、高速16bi分辨率AD转换器、多路切换器控制器、采集精度高 (读数的0.01%)、4 mV～16 V的满量程输入范围 (60 V满量程可选需配置VT1513A衰减器SCP模块)、内置64 kSa双口FIFO缓存满足高速的数据传输率、板载DSP、当前值表、自校准等功能。

VT1435模块是C尺寸、单槽、基于寄存器的VXI模块，24位，102.4 kSa/s数字化仪，集成了DSP、传感器信号调理、抗混叠、数字化和高速测量计算功能，采样速率高、数据精度高。

2.2 数据采集底层软件实现

两款数据采集卡自带针对C编程环境的驱动程序，由于系统采用的是LabVIEW的编程环境，因此，在编程过程中需要先应用C语言调用相关驱动函数，生成动态数据库文件，然后在LabVIEW的编程环境下封装这些动态数据库文件，从而实现在LabVIEW的编程环境下调用仪器的C语言驱动函数。数采系统构架见图2，底层程序构架见图3。

图2 数采系统构架

图3 底层程序构架

然而由于所需要完成的试验不同，需要调用的函数也不一样，因此，在对数采卡进行操作的时候需要根据实际需求确定C程序的编写方式，需要灵活运用DLL动态库封装来使得程序功能模块化。针对该数据采集系统实际情况，分析出需要VXI仪器设备实现的功能有:高速数据采集、驱动伺服阀放大器。

2.2.1 数据采集

需要进行数据采集的数据采集卡有VT1413C、VT1435两种，由于两种数据采集卡的编程方式不同，因此需要单独对这两种数据采集卡进行编程。

VT1435数据采集卡要进行数据采集需要首先进行数据采集卡初始化，初始化使得数据采集卡从Booted状态进行到Idle状态 (见图4)。

图4 VT1435初始化

在初始化完成以后，要完成数据采集还需要软件完成图5所示步骤。

图5 VT1435数据采集状态流程

需要调用到的函数有:vt1432_armMeasure、vt1432_triggerMeasure，根据实际情况不同调用的采集函数也有所不同。在这里由于采用的是FIFO模式进行数据采集，因此采用vt1432_readfifodata64函数进行数据采集。

VT1413C有着近似的编程方式，不再赘述。

2.2.2 驱动伺服阀放大器

采用VM 3608信号输出卡进行伺服阀放大器驱动，3616A提供16个独立的并行DAC通道、16位分辨率。每个通道具有独立的DAC模块以及独立的输出放大器。除了静态输出之外，还提供FIFO模式，用于连续数据的输出。VM3616A还可工作为任意波形发生器 (AWG)模式，可输出各种复杂的信号波形。

根据不同的试验要求，VM3608需要输出不同类型的连续波形:三角波、锯齿波、直流、阶跃、正弦信号。

因此，软件采用FIFO模式工作，在波形输出开始前先判断需要输出哪种波形信号再进行对应的波形输出，输出波形以后根据上层软件时间需要及时停止波形输出。

2.3 测控软件上层软件实现

在做好了底层的数据采集动态数据库文件以后，上层LabVIEW软件需要对这些库进行封装以使得在LabVIEW软件中对这些动态数据库进行实时调用。

另外，按照相关标准，需要完成的试验有:内泄漏试验、压力增益试验、滞环曲线试验、耐压试验、压降试验、阶跃响应试验、频率响应试验。还需要实时对系统各个传感器进行数据采集并显示，在进行试验之前还需要引导用户输入产品型号、产品编号、试验人员、试验日期等信息，用户选择是否进行传感器系数标定、是否进行传感器自检，在完成了相关操作以后，打开试验操作界面，信息提示栏提示用户进行进一步操作。还需要实时监控系统各处压力流量数据，一旦压力流量过大就控制PLC进行报警提示，根据实际情况，上位机采用OPC通信协议与PLC进行通信。软件大致组成情况如图6所示。

图6 软件组成及其与下位机通信

为了方便用户进行试验、简化用户操作，软件结构安排较为紧凑，软件试验操作界面如图7所示。

图7 软件操作界面

3 试验结果

以试验中较为具有代表性的滞环试验、瞬态响应试验、频率响应试验为例列举了相关试验的试验结果以验证该系统的构建可以满足试验的各种需求。

3.1 滞环试验

配置该组伺服阀进油口压力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa的背压，控制伺服阀驱动电流从0到30 mA再到0，以小于0.1 Hz速率变化，波形为三角波，测量得到的滞环试验结果见图8。

图8 滞环特性曲线

3.2 瞬态响应试验

设置供油压力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa背压，封闭压力输出口，控制伺服阀驱动电流为0到30 mA再到0的方波，记录输出压力和输入电流。两个阀的上升、下降瞬态响应曲线分别为图9、10。

图9 打开瞬态响应曲线

图10 关闭瞬态响应曲线

处理该伺服阀开启瞬态响应数据:最大相对瞬时超调量为18.33%;最大相对瞬时超调量为18.33%;延滞时间为0.006 7 s;上升时间为0.015 6 s;峰值之间时间为0.098 3 s。

3.3 频率响应试验

设置供油口压力 (20.69±0.41)MPa，在回油口建立 (0.55±0.07)MPa的背压，控制伺服阀驱动电流幅值，在2 Hz信号下使输出口压力均值为10.34 MPa，交流分量为±1.03 MPa，并在1～100 Hz范围内扫频，得到频率响应特性曲线。频率响应试验结果采用互相关的相关理论获得。

一维互相关:

序列x(t)和y(t)的互相关Rxy(t)由以下等式定义:

互相关的离散实现如下:h代表序列，其索引可以为负，N是输入序列X的元素个数，M是序列Y中元素的个数，并假设超出序列X和Y的索引元素等于0，如下列等式所示:

其中:j=－ (N－1)，－ (N－2)，…， －1，0，1，…，(M－2)，(M－1)。

输出序列Rxy的元素与序列h中的元素

其中:i=0，1，2，…，(N+M－2)。

由于LabVIEW数组不能使用负索引，t=0位置对应的互相关值是输出序列Rxy的第N个元素。因此，Rxy代表该VI移位N次索引后的相关值。

输入信号序列和输出压力数据序列进行互相关后，获得这两个序列的相位差，对相位差作图得到该阀的相位－频率曲线，见图11。

图11 相位θ－频率f曲线

4 结论

综上所述，调用DLL(动态数据库)来构建底层采集程序的方式能够满足该伺服阀测试系统的硬件指标，能够完成包括伺服阀频率响应试验在内的动态性能测试试验，能够完成包括伺服阀压力增益、内泄漏等在内的伺服阀静态试验;该系统采用了VXI协议总线的数据采集系统，数据采集安全可靠，数据采集系统最大采样频率完全覆盖伺服阀测试标准所要求的性能指标，在采样速率上保证了系统数据采集的可靠性;系统采用了通用的OPC通信协议，保证了上位机与下位机的通信安全和通信时间，系统构建合理稳固。

［1］林建辉，高燕.基于VXI总线的虚拟仪器与测试系统研究［J］.仪器仪表学报，2004，25(S1):1011 －1013.

［2］刘金莆.航空VXI总线应用技术开发中应重视虚拟仪器技术的研究［J］.测控技术，1996(6):26－28.

［3］王燕山，王益群.基于虚拟仪器的电业伺服阀静动态特性CAT理论与实验研究［D］.秦皇岛:燕山大学，2001.

［4］黄琳，金波.基于虚拟仪器的液压试验台CAT系统设计［D］.杭州:浙江大学，2006.

［5］关浩，于靖华.基于VB的液压系统检测虚拟仪器控制面板设计［J］.液压与气动，2004(3):26－28.

［6］ZIEJEW SKIM Mehta，Go ETTLER H.Fast Data Acquisition for Internal Combustion Engine Laboratory［C］//Proc of the 1990 ASME Intern Computers in Engineering Conf，1990:445－448.

［7］VXI-Technology VT1413C User’s Manual［M］.

［8］陈章位，穆立江.电液伺服阀计算机辅助测试技术的研究［J］.机床与液压，2005(11):101－103.