LXI总线在某核心机试验台数据采集系统中的应用

陈利 吴玉叶 谭雨晨 罗丹

摘要：针对某核心机试验台测试参数种类多、数量大、测点分散、数据同步要求高等测试难点，基于LXI总线为该试验台设计了数据采集系统，充分利用了LXI总线分布式架构、同步触发功能等特点。应用结果表明，系统运行稳定可靠，采样率达到50 Hz，该指标与国内外同行业数据采集软件水平相當，数据同步精度达25 μs，可推广应用到其他航空发动机试验台。

关键词：LXI总线;核心机试验台;数据采集系统

0    引言

核心机是燃气涡轮发动机重要组成部分，包含发动机内承受压力最大、温度最高和转速最高的零部件。核心机试验是研制过程的重要阶段，通过试验和测试，可深入认识核心机规律，以验证设计有效性并修正设计[1]。试验要求的测量参数数量多，种类复杂，对测试系统要求高，本文基于LXI总线的优良特性，设计了一套适合上千通道、高采样率、同步精度高的分布式数据采集系统。

1    试验台测试需求

核心机结构复杂，要求测量的参数达数百上千个，且种类繁杂、测点分散，要求系统根据测点分布合理放置测试设备。试验中的参数变化迅速，要求数据采集系统采集速率不低于50 Hz、同步精度不少于20 ms。试验过程中对系统可靠性要求高，要求软件具有较好的容错和恢复能力，在某个硬件设备发生故障时，软件能继续正常采集，且可在硬件恢复之后，自动恢复采集。

2    LXI总线简介

LXI总线技术基于LAN结构，采用分布式架构，具有高速数据传输、对等通信等特点，可用于构建功能强大的网络分布式测试系统[2]。LXI仪器提供三种同步触发机制：软件触发、IEEE 1588时钟同步触发和触发总线触发，三种方式的同步精度依次递增。

3    数据采集系统硬件组成

本文基于LXI总线技术构建数据采集系统，系统由EX1200机箱、EX10XXA系列模块、PSI9116压力测量模块、数据采集/监测计算机等组成，满足试验中各类信号测量需求。

核心机试验台测点集中在试验间，为减少线缆连接，将测量气压的压力测量模块集中安装在压力测试机柜中，测量温度、转速、液压等信号的模块安装在数采测试机柜中，压力测试机柜和数采测试机柜均放置在试验间。数据采集/监测计算机都安装在操纵间，分布在试验间和操纵间的设备、计算机通过网线连接起来，构建成网络分布式数据采集系统，如图1所示。

系统采用硬件触发来保证数据同步，即所有数据采集设备使用一个外部触发源，同一时刻接收触发信号，采集的时间间隔由外部触发信号统一控制。

4    数据采集处理软件设计

数据采集处理软件是系统的管理和调度中心，软件的主要任务有系统配置、控制硬件、数据采集、计算、存储、显示等。若采用通常的软件设计方法，程序繁琐、维护困难且不易于扩展，故采用模块化、结构化程序设计方法[3]。根据软件功能，设计五大功能模块：主控制模块、硬件接口模块、业务逻辑模块、显示模块和数据库模块，模块组成如图2所示。

各模块描述如下：

（1）主控制模块：整个软件核心，对数据采集、计算、显示、存储、分析等进行管理和统一调度，与用户进行人机交互。

（2）硬件接口模块：与硬件匹配，负责连接硬件、配置硬件、采集数据并解析、关闭设备。根据不同硬件类型，每类硬件单独设计程序，构成一个组件。

（3）业务逻辑模块：实现软件所有业务功能，如软件配置、开始采集、数据回放、系统校准、数据报表等。

（4）显示模块：负责数据的多功能显示及显示参数配置，包括全数据界面、曲线界面、虚拟仪表界面、核心机状态显示等。

（5）数据库模块：负责试验数据存储、数据回放、数据表导出以及数据库备份和还原功能。

软件对每个功能模块的任务进行二次分解，细分成多个功能组件，各个组件单独进行程序设计，封装成动态链接库，并提供标准接口函数。

5    软硬件调试

系统设计完成后，在该试验台进行软硬件集成及联合调试。根据硬件线缆连接情况在数据采集处理软件中进行通道配置，采样率设置为50 Hz，软件运行期间，向电压、热电偶、频率等通道输入标准信号，软件界面上显示测量值，结果表明测量值与标准信号一致。当信号源输入改变时，测量值也迅速变化，表明系统能实时响应输入变化。为测试同步触发精度，取出系统稳定运行12 h内EX10XXA、EX1538模块的时间戳（由秒、纳秒两部分）构成，表示模块的绝对时间，部分时间戳如表1所示。

系统采集的第一包数据，各模块时间戳中秒部分完全相同，纳秒部分最大值和最小值分别为：192 093 862和192 076 040，两者之间的差值为17.822 μs。对后续两包数据的时间间隔进行分析，EX10XXA、EX1538模块的间隔均为20 ms，严格按照50 Hz速率同步更新。为确定系统的数据同步精度，对12 h每包数据的时间戳进行分析，同一包数据纳秒部分的最大值和最小值分别为：612 097 046和612 072 240，时间差异为24.806 μs。由此表明，系统稳定运行采样率达到50 Hz，数据同步精度高，达到25 μs。

6    结语

本文基于LXI总线构建了分布式数据采集系统，系统采用灵活的软硬件架构、先进的测量设备以及自主设计的测试软件，较好地满足了核心机各项测试需求。应用结果表明，该系统在50 Hz运行，数据同步精度达25 μs，采样指标达到国内外同行业数据采集软件同等水平，具有较高的工程技术推广及应用价值。

[参考文献]

[1] 张宝诚.航空发动机试验和测试技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2] 李正荣.基于LXI总线的压气机试验台测试系统设计及应[J].计算机测量与控制，2016，24（7）：39-41.

[3] 温昱.软件架构设计[M].北京：电子工业出版社，2012.

收稿日期：2020-05-18

作者简介：陈利（1989—），女，四川南充人，硕士研究生，工程师，研究方向：航空发动机测试。