基于PXI总线的Φ 0.5米高超声速风洞测量系统研制与应用

， ，，

(中国空气动力研究与发展中心高速所，四川 绵阳 621000)

基于PXI总线的Φ 0.5米高超声速风洞测量系统研制与应用

黄昊宇，黄辉，凌忠伟，郑庆

(中国空气动力研究与发展中心高速所，四川绵阳621000)

测量系统是风洞中必不可少的重要的设备之一，其性能对风洞试验的准确性、可靠性和运行效率具有至关重要的影响；近年来，Φ 0.5米高超声速风洞原有测量系统逐渐暴露出精准度下降、软件通用性不足、维护不便等缺点，已不能完全满足日益复杂的风洞试验需求；针对此情况，该风洞重新研制建立了一套基于PXI总线的64通道的测量系统，并通过严格测试投入应用，该系统的应用在一定程度上提高了试验数据测量的准确性、可靠性和自动化程度，拓宽了Φ 0.5米高超声速风洞的综合性能。

风洞； 测量系统； PXI总线； 研制

0 引言

Φ 0.5米高超声速风洞是目前我国进行常规高超声速试验的主力风洞，运行30多年来，为我国航空航天飞行器的研制提供了大量可靠的风洞试验数据。该风洞由风洞洞体、气源、气流控制系统、测量系统等部分组成[1]，其中风洞测量系统是风洞产品的出口，风洞试验数据的获取主要是靠测量系统，所以该系统在风洞试验中有着非常重要的地位。近年来，随着该风洞试验难度和复杂程度的提高，试验对数据采集处理的精准度和实时性的要求越来越高，风洞的测量系统也逐渐暴露出不足之处：

1) 原有的风洞数据采集系统不完备。风洞原有一套采用ISA总线数据采集卡为核心的小型数据采集系统，数据采集通道少，只有16个，无法满足多通道测量的要求，并且传感器、信号调理器等设备逐年老化，稳定性和精准度严重下降，进入高故障期。

2) 原有的风洞测量系统配套的信号采集和数据处理软件系统标准化程度不够，通用性不足，功能不够完善，可维护性和扩展性较低[2]。

为了满足风洞试验的需要，必须设计研制一套新的测量系统，以提高系统综合技术性能。

1 研制要求

根据风洞试验需求，新构建的测量系统应满足风洞测力、测压、测温等不同类型试验对采集通道数、采样率和精准度等发面的性能需求，应达到如下技术要求：

1) 数据采集设备通道数64个(单端)，通道扫描率≥100 kS/s，采集卡分辨率16位，输入电压范围±10 mV～±10 V，精准度0.05%；

2) 信号调理器通道数64个，电压输入范围±10 V，增益范围1～500可调(具备1、100、300、500等档位)，增益精度0.05%，线性度±0.005%，含低通滤波器，低通滤波有1 Hz、3 Hz、10 Hz、1 kHz等多个档位可调，具有信号放大未滤波输出端；

3) 提供±15 V的天平和传感器激励电源；

4) 更新关键一次仪表设备，包括总压传感器、大气压传感器和总温传感器，其中总压传感器精度应优于0.1%，大气压力传感器精度应优于0.05%，总温传感器允差II级；

5) 具备符合软件工程设计规范和标准化数据处理流程的数据采集和处理软件系统。

2 研制方案

2.1 总体方案

众所周知，在一次高超声速风洞常规测力试验中，需要实时测量的物理对象一般有总温、总压、大气压、模型受到的力和力矩、模型底压、驻室静压等等，数量从几个到几十个不等。这些测量信号的范围一般为mV至V的量级，且以mV信号数量居多。风洞测量系统的任务就是通过高性能采集板卡A/D将试验现场一次仪表(包含天平、热电偶、压力传感器等)的模拟电压信号转换为数字量，同时在数据采集处理软件界面上实时显示、保存和打印，然后数据处理软件事后对这些原始数据信号按高超风洞气动试验数据处理标准步骤和方法进行计算和修正，最后将计算获得的无量纲化的气动系数绘制成曲线和图表，提供给气动分析人员深入研究[3]。

因此，为了更加准确的测量这些微弱电压信号，在进行Φ 0.5米高超声速风洞新的测量系统研制过程中，应遵循如下设计原则：安全可靠，数据精准，操作便捷，易于维护。系统应立足于采用国内外成熟的技术，按照模块化、标准化、自动化、智能化的设计思想进行设计、组装和调试，使整个系统结构合理、性能可靠、风险可控。

出于以上考虑，新研制的测量系统将采用目前主流的PXI总线，由PXI总线采集系统硬件和数据采集处理软件两部分组成，硬件中主要部件——A/D采集模块和信号调理器的选型依据整个测量系统的技术指标来确定。同时，由于测控间与试验现场之间有近30米的距离，为便于岗位人员操作和维护，新系统将设计成集中式布局，主要设备放置于风洞测控间内，风洞试验大厅里分布各处的一次仪表信号通过屏蔽线缆进入定制接线机柜，然后走专用地沟进入测控间的新测量系统，同时系统通过数字I/O与其他测控系统握手通讯。以上方案既能兼顾系统整体性能，节约研制费用，又能保证较好开放性，为系统的后续维护升级提供便利，可保证新系统具有较长的生命周期。新测量系统原理性框图如图1所示。

图1 新测量系统原理性框图

2.2 系统硬件设计

2.2.1 设计思路

新系统将以标准PXI机箱、零槽控制器为核心，通过配置各类PXI板卡、信号调理器、传感器及激励电源来实现物理信号采集、信号采集转换、测控系统联调通信、接口适配等功能。正常运作时，系统上位机的主动式数据测试处理软件交互平台通过零槽控制器与PXI总线设备建立通讯连接[4]，然后用户根据不同试验所需的通道数、模拟量、开关量、指令、采样率等参数要求灵活配置相应板卡参数，达到控制相应设备获取精准试验数据的目的。这种架构的优点在于既可实现系统多个设备集中控制，也可满足风洞中天平、传感器、热电偶、电磁阀开关等多种类型信号的实时测量需求。

2.2.2 系统硬件组成

系统由系统测量处理上位机、NI公司的测控主机箱、MXI-4多系统扩展接口组件、M系列PXI多功能数据采集模块、多通道数字I/O卡、串口数字信号采集卡、信号调理器、天平、压力传感器、热电偶、激励电源以及有关的接线端子板与连接线缆组成，构成一个64通道的测量系统。

1) 测量处理上位机。

选用高性能的研华公司生产的610 H型工控机作为系统上位机。零槽控制器模块中的PCI-8331直接安装在该机器内，通过它和专用光纤可远程控制PXI测控主机箱所有板卡工作，它与PXI机箱的数据传输速率可达132 MB/s[5]，完全可满足Φ 0.5米高超声速风洞试验数据交互的通吐量需求。该上位机的主要功能为：在风洞试验运行过程中对部分测控设备(如PXI板卡、模型姿态控制机构、模型底压设备集成箱等)进行控制，同时对关键试验参数进行实时测量和显示，而且还要在试验结束后完成对试验原始数据的处理、分析和备份。

2) PXI主机箱及测控模块单元。

PXI测控主机箱选用了NI PXI-1050机箱，该机箱拥有系列化的较为完善的测控模块支持，并且它拥有8个PXI插槽和4个SCXI插槽[6]，插槽数量较多，可为板卡选型配置和后续系统升级扩展提供便利。机箱里主要配置有NI PXI-8331 MXI-4零槽控制器、NI PXI-6031E多功能数据采集模块、NI PXI-6528数字I/O模块和NI PXI-8431串行通讯模块等测控单元。其中：

PXI-6031E：作为模数转换的主力设备，是整套系统最关键的部件，其A/D转换分辨率、采样速度等指标直接影响整套系统的性能指标。而PXI-6031E多通道高速扫描型数据采集卡的分辨率为16 bits，采样率可达到100 KS/sec(多通道共用)，具有64 路单端或32 路差分A/ D 输入，输入电压范围±10 V，除此之外它还包含64 K采样的FIFO存储器，8路数字I/ O，2路16位D/ A 输出，2个24位计数/定时器等[7]。其性能完全能满足测量系统对通道数、采样率、精准度的要求。

PXI-6528：含有通道间光隔离的24路数字输入(±60 V)和24路数字输出通道(±60 V，0～30 Vms)，支持150 mA电流驱动，可满足风洞系统开关量的监控需要。

PXI-8431/4：提供4线收发器模式，适用于全双工和半双工的RS485/RS422接口通讯，可支持57波特至3 000 K波特可变的标准和非标准波特率，可满足Φ 0.5米高超声速风洞一些传感器串口数字信号的采集，比如模型底压传感器等。

3) 信号调理模块。

信号调理模块主要实现对风洞天平、传感器等微弱电压信号的放大、滤波，它的选型也非常重要。考虑到Φ 0.5米高超声速风洞固有的干扰信号主要集中在1 Hz以上频段，为尽可能提高信噪比，保证有效信号通过，新系统选用了一款性价比较高的国产新型低通滤波放大器。该精密信号放大器型号为Front ZY-02-III，共配有8组机箱，每组8个通道。该放大器是基于耦合差分放大器原理而成，它具有高共模抑制比(CMR)、高精密度的优点。其最高抗共模电压范围在某种程度下受限于整体放大器最高通频带宽和精密度要求。一般情况下，对100 KHz带宽和±0.01% ～±0.02%的精密度要求，其最高CMV可达300 V(直流或交流峰——峰值)左右。而对10 KHz以下通频带其CMV可达五百伏乃至上千伏。它的这一特点以及输入电路结构方面完全可以与某些精密隔离数据放大器相媲美，而其噪音、漂移、线性精度等主要技术指标完全等同于精度仪器放大器水平。它的增益有×1、×100、×300、×500倍4个档位，低通滤波截至频率含 1、2、10、1 KHz4个档位，共模抑制比(CMR)为120 db，增益精度优于±0.05%，线性度为±0.005%。

4) 传感器。

此次系统研制主要更新了三类传感器：风洞前室总压用量程为10.0 MPa的德鲁克PMP-5073测量，精度为0.04%[8]；大气压力选用Setra-270大气压力传感器测量，量程为80 kPa～110 kPa，精度为0.05%；风洞前室总温用NiCr-NiSi凯装小惯性热电偶测量，精度为0.75%。

2.2.3 实施方法

试验时，风洞天平、压力传感器、热电偶等64路模拟信号进入测量系统中Front ZY-02-III低通滤波放大器，而风洞模型姿态控制系统通过PXI-6528与测量系统连接。试验进行过程中，当风洞流场建立，试验模型投放到位，测量系统开始发出指令，让模型姿态控制系统按步进方式开始变换模型姿态(如模型攻角、侧滑角等)，同时进行数据采集。64路原始信号经过Front ZY-02-III信号调理器放大和滤波后，送至PXI- 6031E多功能数据采集模块的输入端口。PXI- 6031E将模拟信号转换为数字信号，同时数据采集软件对数据进行读取、数字滤波和保存，数据处理软件则对存盘数据进行分析处理，获得所需的流场参数和气动力系数。

2.3 系统软件设计

2.3.1 软件设计原则

遵循风洞软件系统工程的设计思路，根据风洞试验任务要求和测量对象的特点，采用模块化、结构化的方法实现软件功能。

2.3.2 软件数据流分析

岗位人员接到试验任务后，立即按岗位操作流程进行试验准备。即先设置采集软件特定参数表，设置项目包括：试验参数、模型参数、设备参数、计算过程控制参数、计算结果格式控制等，然后利用采集软件和PXI总线设备，实现一次仪表模拟信号放大、滤波、A/D转换和保存。保存得到的特定格式的原始数据文件通过数据处理软件读取，并按规范的公式或算法进行计算修正，以获得气动分析人员期望的数据结果。数据处理项目主要包括：总压传感器计算、前室总温拟合计算、来流速压计算、来流静压计算、天平载荷计算、天平坐标系到过渡坐标系转换、过渡坐标系与体轴系转换、体轴系与风轴系转换、插值算法对数据进行圆整化、求导、底阻修正等。

2.3.3 软件功能模块划分

1) 数据采集软件功能模块(见图2)。

图2 新采集软件功能划分

2) 数据处理软件功能模块(见图3)。

图3 新数据处理软件功能划分

2.3.4 软件编制

新软件采用集成开发模式，基于PXI总线硬件平台、WindowsXp系统和NI公司应用程序编程接口NI-DAQmx、第三方插件包SunisoftSUIPack等开发包，用C++ Builder语言进行开发。新系统以《Φ 0.5米高超声速风洞高超声速风洞通用测力数据处理大纲及程序》为依据，设计了两套功能相对独立的软件程序。为便于软件之间的数据调用和处理，新软件采用类和数据结构的形式进行开发管理，设计了两大类分别是TDataAcq和TDataProcess，它们包含的公有函数职能明确，只负责处理试验数据采集和计算中的某一项特定工作。这样做的好处是代码前后逻辑更为明确，程序结构更为清楚，数据处理过程更为标准规范，学习维护更加便捷。

2.4 系统抗干扰设计

Φ 0.5米高超声速风洞工况较为恶劣，有“四高一低”的设备特点，试验现场电磁干扰严重，干扰源众多，主要有：机构伺服电机、电铃、电加热器等，为降低或消除这些设备引入的电磁干扰，最大限度降低干扰源对新测量系统的影响，必须从软硬件两方面来做工作。

2.4.1 硬件抗干扰设计

1) 抗电源干扰处理。为提高系统的可靠性和抗干扰性能，使用隔离变压器和精密稳压电源，对测量系统仪器设备和供电电源进行隔离和稳压[9]。

2) 防I/O信号干扰处理。对于开关量的输入输出，采用光电隔离或继电器隔离措施。

3) 一次仪表信号选择和处理。天平和传感器输出信号，尽可能采用大电压输出方式，并采取隔离滤波处理。

4) 接地处理。测量系统中接地是抑制干扰、提高系统工作可靠性的主要方法，在设计中采取接地和屏蔽相结合以解决大部分的干扰问题。测量系统接地电阻小于0.4欧姆。

5) 布线要求。强弱电缆分开布线，测量系统电缆全部采用双绞屏蔽电缆。

2.4.2 软件抗干扰设计

1) 开关量的抗干扰处理。新系统收发的开关量多为方波脉冲方式，其干扰信号常为毛刺状，附着于正常信号之上，该干扰信号虽然数量多频率高，但作用时间非常短，因此可利用这一特点，在软件设计时建立延迟计时器将数字量脉冲宽度增加10～20 ms，只有当输入脉冲信号保持规定的时间，程序才认为输入的信号为有效信号，才能进行下一个动作。

2) 模拟量的抗干扰处理。采用数字滤波法，风洞里常用算术平均值法，它对常见的随机干扰有较好的效果，一般是通过在某一时刻对某模拟通道快速采样8～100次取平均值来实现，采样次数主要取决于实际所需的平滑度和灵敏度。

3 系统应用情况

Φ 0.5米高超声速风洞测量系统研制完成后，经过了软硬件联调、静态测试、风洞试验动态测试等性能检验工作。具体情况如下：

3.3.1 静态测试

静态测试中主要是使用FLUKE5700标准信号源对新系统输入标准信号，一方面采用黑盒测试技术测试软件功能，修复其缺陷；另一方面，用新软硬件系统测量出这些电压信号，并计算各通道综合精度。静态测试表明各模块运作正常，数据合格，各通道精度优于0.05%。部分通道静态校准结果见表2。

表2 新研制的测量系统部分通道测量精度

3.3.2 标模试验动态测试

新的测量系统通过了HB-2标模动态试验验证，试验马赫数Ma=5、7、8、8、9，试验攻角α=-4°～14°，模型支撑机构为五自由度机构。

1) 重复性试验精度测试：表2给出了验证试验中某Ma的重复性试验结果(部分)，可以看出，各气动力系数的偏差都控制在天平的1倍静校绝对误差对气动力系数影响量范围以内，试验重复性精度较高，说明新测量系统稳定可靠，满足精度需求。

2) 典型马赫数试验测试：表3给出了改造前后某Ma下标模(部分)数据对比，可以看出测量系统改造前后CN、CA、Xcp等气动力系数随攻角变化规律合理，气动力特性的一致性较好。

上述两项测试说明：系统改进前后标模测力试验数据吻合一致、规律合理，测量系统稳定可靠，可以投入型号试验。

3.3.3 型号试验验证

截止目前，已使用新测量系统进行了各种类型飞行器试验一百多项，试验结果表明该系统操作方便，运行稳定可靠，数据一致性好，重复精度较高，符合国军标精度要求，满足风洞型号试验的需求。

表3 新测量系统同期重复性试验结果比较

表4 改造前后某马赫数标模数据对比

4 结论

新研制的测量系统采用了主流的PXI模块化仪器总线系统，并结合PC总线、人性化的标准数据采集与处理软件，取得了良好的效果，达到了预期的设计目标。该系统的应用在一定程度上不仅提高了风洞试验数据测量的准确性、可靠性和自动化程度，而且提高了风洞安全性、运行效率和顾客满意度，拓宽了Φ 0.5米高超声速风洞的综合性能。

[1] 唐志共. 高超声速气动力试验[M]. 北京：国防工业出版社,2004.

[2] 黄昊宇.基于PXI总线的H风洞数据采集和处理信息系统设计与实现[D].成都：电子科技大学,2012.

[3] 施洪昌. 风洞数据采集技术[M]. 北京：国防工业出版社,2004.

[4] 何铭俊. 一体化小卫星综合测试系统的设计[J].计算机测量与控制,2016(9):15-18.

[5] 张 良,刘 玉.高低温试验室样机测试系统设计[J].计算机测量与控制,2012(11):2906-2907.

[6] 谭 勇.应用NI虚拟仪器平台实现通用DAQ系统[J].考试周刊,2007(49):111-112.

[7] 张 弛.基于PXI总线的无线电高度表过程测试方法的研究与实现[J].计算机测量与控制,2010(5):1027-1028.

[8] 胡 博. 管路长度对BC超细干粉灭火剂管内流动阻力影响的试验研究[J].工程与试验,2014(2):26-28.

[9] 雷振宇.PLC控制系统的抗干扰设计[J].科技风,2010(7):263.

DevelopmentandApplicationofMeasurementSystemBasedonPXIBusinΦ0.5MeterHypersonicWindTunnel

Huang Haoyu, Huang Hui, Ling Zhongwei,Zheng Qing

(High Speed Institute, China Aerodynamics Research amp; Development Center, Mianyang 621000, china)

Measurement system is a crucial equipment in the wind tunnel, its performance is important to the accuracy, reliability and operational efficiency of the wind tunnel test. In recent years, the original measurement system of the Φ 0.5 meter hypersonic wind tunnel revealed problems, such as accuracy declined, lack of generality, inconvenient for maintenance etc. And the system could not meet the increasingly complex demands of the wind tunnel test. In order to solve these problems, we established a new 64 channel measurement system based on PXI bus, the system is put in to use after strict test. The application of the new system improve the accuracy, reliability and automaticity of the data measurement, broaden the comprehensive performance of the Φ 0.5 meter hypersonic wind tunnel.

wind tunnel; measurement system; PXI bus; development

2017-03-10；

2017-03-31。

黄昊宇(1980-)，男，湖南岳阳人，硕士研究生，主要从事风洞测控技术方向的研究。

1671-4598(2017)09-0021-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.006

TP273

A