复合环境试验系统的数据即时通讯方案设计与实现

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621999）

0 引言

武器装备在服役寿命周期中，储存、运输、发射等不同阶段，会经历不同的温度、加速度、振动等环境。为了模拟在其使用寿命期内所需经历的各种环境条件，对武器装备产品的环境适应性情况进行评价，需进行产品的地面环境试验考核。不同于传统单因素环境试验，多环境条件耦合加载下的复合环境试验对于产品的考核更加全面真实。如飞行器飞行过程中，温度载荷与加速度载荷是同时存在的。而飞行过程中的上升、加速、飞行等不同阶段，产品所需经历的的温度环境条件与加速度环境条件均是实时变化的，产品在不同飞行阶段下的响应温度，造成产品产生热变形、产生热应力，与加速度载荷作用下产品的应力以一定飞行时序实时耦合在一起，其对产品的破坏效应不同于单一温度或加速度载荷的影响[1,2]。因此，开展温度-加速度等复合环境试验，能够更充分的暴露单一载荷条件作用下所不能暴露的问题[3,4]。

目前，中国工程物理研究院、702所等单位均开展了温度-加速度等多载荷复合环境试验能力的建设工作[5,6]，并取得了一定进展，也发现了一些问题。如不同环境载荷系统之间的数据通讯、多载荷的协同加载控制、复合环境试验方法研究等。本文依托某离心机设备能力建设项目，在现有离心试验设备的基础上，增加了一套温度载荷控制系统，解决了传统离心机控制系统软件与温度控制软件之间的数据交互等问题，提高了加速度载荷与温度载荷的加载的同步性。

1 研究现状

1.1 复合试验系统硬件结构

温度-加速度综合环境模拟设备是一种气候环境与力学环境综合的模拟设备。可以暴露单一因素环境试验无法暴露的问题。温度-加速度复合环境试验系统硬件示意图如图1所示。考虑到离心机体积等因素，系统设计采用“离心机+温度加载的形式”[7]。在6离心机大臂端部位置设计1温度箱，2试验件通过3试验夹具与离心机大臂连接。4电源、信号线将温度箱温度等信息传给5温度控制器，温度控制器放置在离心机7转轴位置，离心机与温度控制器的设备信息，通过离心机上的集流环传给上位机8温度监控系统以及9离心机监控系统。

图1中，温度控制器是固定在离心机转轴上的，温度传感器的信号线于温度控制器连接，温度相关数据通过控制器485通讯口，占用了离心机集流环中的两路信号环，将数据传递至温度监控系统。这种方式的缺点就是需要将温度控制器放置在离心机上，离心机的转动对于温度控制器也是一种考核。另外，也占据了离心机上有限的空间。但是好处是不必对现有离心机等设备进行更改，可以直接将温度加载系统放置在离心机上进行，硬件改动成本小。

图1 温度-加速度复合环境试验系统硬件示意图

1.2 温度-加速度控制系统数据交互设计

离心机试验系统利用基于UDP协议，Delphi编程软件开发的控制系统软件控制变频器，进而控制离心机加速度载荷。温度控制系统下位机为岛电FP23温度控制器，其采用的是RS232串口通讯，上位机为力控组态软件开发的监控系统。

具有一般性的，以Delphi为代表的，包括Delphi、VC等编程工具，是一种面向对象的可视化开发工具，可以从底层协议开始，直至图形界面，其开发灵活度较高。而温度控制系统监控软件采用的是组态软件编写，其驱动程序直接从库中调取，如果未有专门编写的逻辑驱动等，则较难与基于Delphi编程语言编写的离心机监控软件进行直接的数据交互[8]。

因此，笔者利用编程语言，设计了数据中转器，其可以与Delphi语言编写的离心机监控软件进行数据交互。而数据中转器与组态软件之间的数据交互，则依靠DDE技术实现。DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）技术是建立在Windows内部消息系统的，与语言无关的数据交换协议，可实现应用程序之间的数据动态交换[9,10]。温度-加速度载荷数据流图如图2所示。

图2 温度-加速度复合试验系统数据流图

2 软件设计与实现

2.1 数据中转器的软件实现

数据中转器采用VB语言实现，与组态软件通讯时，设定其为DDE服务器，需要进行的设置包括：窗口名设置为Datatransfer；Linkmode设置为1-Source，代表VB作为DDE服务器端，设置三个文本框，用来传递温度试验参数，分别为：文本框变量名分别为temperature指代温度值，rate指代升温速率，time指代升温程序运行时间。组态软件作为DDE客户端，其设置包括：主题名为Datatransfer，这里与VB软件窗口名称保持一致，数据库中建立三个变量，a1、a2、a3，设置DDE连接项，连接项的变量名要与VB服务器端变量名对应，分别为temperature、rate、time。

2.2 数据中转器与离心机监控软件的数据交互

数据中转器的实现是利用了Winsock控件实现基于UDP协议的数据交互功能。Winsock需要设置包括：RemoteHost指代离心机监控软件用计算机的名称，这里填写为IP地址udpPeerA.RemoteHost=”197.1.1.2”；RemotePort属性指代离心机监控软件用计算机的端口号，udpPeerA. RemotePort=1010，LocalPort属性指代温度组态监控软件用计算机的端口号，udpPeerA.LocalPort=1011，温度参数信息的发送与接受通过SendData函数实现，离心机监控软件端计算机接收到温度试验参数，触发DataArrial事件，通过GetData函数获取温度信息。数据中转器中DDE与UDP相关设置如图3所示。

图3 数据中转器控件设置

3 数据可靠性设计

由于UDP协议是无连接的协议，具有传输的不可靠性以及传输顺序的不确定性，会造成数据堵塞和丢包。为了保证数据传输可靠，自定义了数据中转器与离心机监控软件之间数据的通讯协议。

通讯协议工作过程如图4所示，在建立UDP连接后，数据中转器定时向离心监控软件发送通讯起始标志QS，数据内容，包括温度系统运行时间、实时温度、升温速率、离心机动作指令（加速、保持等），校验(采用和校验)。数据发送至离心监控软件后，离心监控软件进行数据的解析，根据发送来的动作指令，进行加速或保持动作，并从温度、升温速率范围等进行判断，并对数据进行校验，若校验合格且温度、温升速率等数据合理，不向数据中转器发送信息，否则，向数据中转器发送CF指令，数据中转器重新发送数据包。

图4 数据协议工作过程示意图

4 试验设计及分析

4.1 试验设计

参照GJB150A相关试验标准，设计了试验能力验证试验。在温度-加速度复合环境试验系统中，放置温度传感器，以温度控制系统为指令发送系统，根据温度加载情况，向离心机控制系统发送转速调节指令。需要完成动作包括：1）温度控制系统向离心机控制系统发送启动指令；2）获取离心机控制系统发送来的实时转速指标，进行保持、加速等动作。

4.2 试验结果及分析

试验结果如图5所示。先将温度箱升温至40℃，待温度稳定后，温度控制系统向离心机控制系统发出启动信号，离心及开始转动；离心机转速达到40g后，反馈信号传递至温度控制系统，温度控制系统发送转速保持信号；一定时间后，温度控制系统再次发送提高转速信号，离心机控制系统转速提高至70g；达到70g后，发送转速信号至温度控制系统，温度控制系统发出转速保持指令，离心机转速保持。

通过试验验证表明，温度控制系统与离心机控制系统之间数据交互良好，满足复合环境试验要求。试验技术可行，达到了试验考核目的。从图中可知，离心机的转动对温度箱内的温度场分布产生了影响，通过试验，获取了不同加速度条件下温度场的分布情况，对后续为温度-加速度复合环境下的温度场分布特性研究等工作的继续开展提供了技术保障。

图5 试验结果曲线

5 结论

在某产品温度-加速度复合环境试验考核任务中，利用本文研究成果实现了温度载荷与加速度载荷的协同加载，试验结果表明，通过采用数据中转器等方法，可以实现温度载荷控制系统于离心机载荷控制系统之间的数据互联互通，本文所进行的技术研究工作可为相关多载荷条件下的复合环境试验系统的载荷协同控制技术提供参考；同时，通过验证性试验，获得了特定加速度条件下、密闭空间内温度场分布特性曲线，可为后续研究提供试验手段的支持。

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