2m×2m超聲速風洞測量系統與運行管理系統研制

李 平，芮 偉，秦建華， 唐 亮，周 波

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

2m×2m超聲速風洞（以下簡稱：2m超風洞）是為了適應中國先進超聲速飛行器研制發展的需要，提高中國高速風洞超聲速模擬試驗能力而新建成的高速風洞，該風洞與2.4m×2.4m跨聲速風洞相互銜接配套，形成2m量級的亞、跨、超聲速風洞試驗平臺，彌補中國高速風洞試驗設備存在的尺寸偏小、試驗Ma數范圍較窄、試驗能力不足等問題，其建成投運對于提升中國國防特別是航空航天領域的研發能力有著非常重要的意義。其中測量系統與風洞運行管理系統是風洞開展氣動試驗的重要子系統，測量系統信號測量的精準度將直接影響氣動試驗結果，運行管理系統設計優劣將影響風洞試驗運行可靠性、試驗效率和自動化程度。同時，2m超風洞還要求測量系統與控制系統海量交互數據。因此，如何優化測量系統設計、提高自動化程度以及增強信息交互的能力成為了項目研制的關鍵。

1 研制內容、技術指標

1.1 研制內容

主要包括風洞測量系統軟硬件設計、開發和風洞運行管理系統研制。運行管理系統主要由風洞運行操作系統和風洞狀態監控系統組成，以軟件研制為主。

1.2 技術指標

· 測力試驗

（1）精度：0.02%；（2）量程：±10V，可程控；（3）分辨率：18位；（4）采樣速率：39kS／s／CH，可程控；（5）增益：1～2000倍；（6）增益精度：0.02%；（7）濾波：0.5、1、2、10、100Hz；（8）采樣通道：64差分輸入。

·測壓試驗

（1）精度：0.03%；（2）測壓點數：768點，可擴充至2048點。

·測控系統信息交互

信息吞吐量：20Mbps。

2 系統研制方案

2.1 測量系統

2.1.1 數據采集系統

數據采集系統主要是對測力天平、氣流參數等進行采集，由天平、傳感器等一次儀表、前置信號調理器、信號采集（A／D轉換）系統、測量系統管理計算機等組成。系統采用GE公司的反射內存技術構建實時網絡，選用NI公司的數據采集卡實現數據采集，應用NI公司的LabVIEW及LabVIEW RT模塊進行系統軟件開發的總體研制方案［1］。其中，信號采集（A／D轉換）位于風洞現場，減少了模擬信號遠距離傳輸帶來的干擾。具體選用美國NI公司PXI數據采集系統進行數據采集（PXI－1044PXI機箱、PXI－8108RT嵌入式控制器、PXI－6284數據采集板）。系統結構簡圖見圖1。

圖1 系統結構簡圖Fig.1 Sketch of system architecture

數據采集軟件主要用于采集、分析并保存風洞中天平、傳感器等一次儀表信號，其產生的試驗原始數據提供給數據處理程序，由數據處理程序計算氣動力（矩）及氣動系數等試驗結果。包括主機LabVIEW程序（測量系統管理軟件）和RT嵌入程序兩部分，主機程序運行在Windows XP操作系統下；RT嵌入程序運行在RT嵌入式控制器中。其中，對于事務管理部分的程序模塊在主機程序中實現，對于實時性要求高的程序模塊如PXI數據采集、反射內存卡通訊等在RT嵌入式控制器中實現。主機程序和RT嵌入程序通過網絡共享變量進行通訊。

數據采集軟件包括資源管理、系統校準、試驗準備、風洞試驗、系統工具、系統幫助等功能模塊。

2.1.2 壓力測量系統

選用美國PSI公司的帶數字溫度補償的PSI 8400DTC系統進行模型表面壓力測量，壓力測量軟件主要用于對PSI 8400DTC系統進行監督管理，實現壓力測量，主要包括系統初始化、零點校準、全程校準，系統自檢，風洞試驗等功能模塊。

2.1.3 數據處理程序

數據處理程序包括測力試驗數據處理程序和測壓試驗數據處理程序。

測力試驗數據處理程序根據數據采集軟件采集的總靜壓傳感器、溫度傳感器以及天平電壓值，計算出Ma數、力、力矩等數據。該項目研制的數據處理程序滿足單天平體軸校常規及大迎角縱橫向測力試驗、常規及大迎角縱向測力試驗、大迎角大側滑角縱橫向測力試驗、模型與天平同轉90°的測力試驗的需求。包括讀原始數據、天平管理、參數管理、天平迭代計算、氣流參數計算、結果數據輸出等功能。

測壓試驗數據處理程序根據壓力測量軟件采集的模型表面壓力，計算壓力系數及其它相關結果數據。

2.2 運行管理系統

2m超風洞運行管理系統主要包括運行操作系統軟件和狀態監控系統軟件。

2.2.1 運行操作系統軟件

運行操作系統軟件運行于控制系統運行管理計算機中，通過測控網絡實現與現場試驗核心控制系統PXI－8108RT嵌入式控制器通信，主要完成風洞試驗運行、操作、控制以及參數配置等工作。軟件按照功能要求分成資源管理、子系統單動、試驗吹風以及數據分析4個部分。主要包括系統配置、資源管理、傳感器管理、報警參數管理、A／D通道板和I／O管理、全模迎角控制、主調壓閥、旁路閥及快速閥控制、引射器調壓閥及快速閥控制、準備狀態檢查、固定Ma數連續變迎角試驗控制、固定Ma數階梯變迎角試驗控制、安全聯鎖、數據錄入與檢索、數據處理等14個模塊以及傳感器校準等30余個子模塊。

2.2.2 狀態監控系統軟件

風洞狀態監控系統軟件運行于狀態監控管理計算機中，通過測控網絡實現與其它控制子系統通訊：（1）與撓性噴管型面現場控制計算機通訊，實現對4＃油源及撓性噴管的型面預置控制參數的給定與反饋狀態的實時顯示；（2）與風洞現場狀態監控PLC S7－300通訊，實現對1?！?＃油源的控制與運行狀態監測、超擴段調節片控制與運行狀態監測、安全聯鎖控制、補償段工作門升降控制、充氣密封控制、快速連接與噴管段側壁移動控制、主快速閥電動閘閥控制、引射快速閥電動閘閥控制等；（3）與風洞運行管理系統通訊，完成重要參數的傳遞和試驗準備工作。軟件包括試驗實時顯示、超擴段運行控制與狀態監測、油源系統運行控制與狀態監測、快速連接運行控制與狀態監測、安全聯鎖控制與狀態監測、撓性噴管運行控制與狀態監測等功能模塊。

3 關鍵技術問題及其解決途徑

3.1 測控系統實時通訊的技術實現

2m超風洞作為一座2m量級高速風洞，其試驗危險性大、能耗高，對風洞測控系統在試驗過程中的信號傳輸和信息交換的實時性和同步性要求較高；同時為下一步開展連續變迎角等試驗需要，要求測控系統高速實時地記錄氣流參數和狀態參數。采用普通的以太網進行數據傳輸和信息交互時，延遲為ms量級，無法滿足要求。該系統采用反射內存技術實現測控系統實時、同步地交換試驗參數及試驗數據（如總壓、總溫、大氣壓和模型底壓等）信息。通過在核心控制系統PXI機箱和測量系統PXI機箱中分別插入一塊GE公司的VMIC5565反射內存卡，構建實時網絡。VMIC反射內存技術是一個實時的基于全局共享內存的網絡系統（見圖2），其所有工作都是由硬件完成的，加上采用光纖傳輸介質，因此可以達到數十兆字節的數據傳輸率和百納秒級的數據傳輸延遲，更重要的是這種網絡傳輸延遲是確定的和可以預期的，這是傳統網絡難以達到的［2］。

圖2 反射內存技術全局共享內存示意圖Fig.2 Sketch of reflective shared－memory

3.2 主機和對象系統體系結構

數據采集系統和運行操作系統上位管理計算機安裝了NI LabVIEW實時模塊，RT對象系統是NI PXI－RT嵌入式控制器。因此，整個軟件采用主機和對象系統應用程序體系結構。體系結構見圖3。主機應用程序運行在主機上，運行非確定性任務，主要工作包括：通過前面板方式實現與RT對象應用程序的通訊；用戶接口參數和數據的設定和獲??；數據記錄與分析以及數據向其它系統的傳輸。對象應用程序運行在RT對象系統上，采用搶占優先級進程方式。進程可以嚴格確定執行時間，且在一個進程中可以使用帶優先級的多個線程。

圖3 主機和對象系統應用程序體系結構Fig.3 Architecture of host and application system

該項目測量系統管理軟件和運行操作軟件運行在上位機，通過網絡發布的共享變量向核心PXI系統發送控制指令，而核心系統軟件通過網絡發布的共享變量上傳數據采集結果和總壓控制與執行系統、引射器壓力控制與執行系統、全模型迎角控制與執行系統狀態監測數據。

采用這種體系結構確保了核心系統測量、控制的實時性，確定性，存在的問題是各子系統間存在大量的數據接口，信息交換頻繁，在軟件設計時必須充分考慮、采取合理的通訊方式及數據格式。子系統間信息交互方式見圖4。

圖4 子系統間信息交互方式Fig.4 Style of information communication with subsystem

3.3 軟件工程思想貫穿項目研制

該項目完成了測量系統數據采集軟件、數據處理程序、風洞運行操作軟件、狀態監控軟件等的研制工作，對于這么大的系統，如果在功能需求不是很清楚的情況下就迫不及待地開始編寫代碼，編碼之前毫無計劃，肯定會遇到諸如程序變得越來越龐大臃腫，后期的一些小改動可能牽涉到全局的改動等問題［3］。為了做好該項目軟件，項目組實施了軟件過程管理，用軟件工程的思想指導該項目軟件開發，歷經了需求分析、軟件設計、編碼、調試等階段，每個階段都進行了評審并產生相應的技術文檔。

4 調試結果

該項目2008年開始設計，2010年1月完成了測量系統硬件集成及測量系統、運行管理系統軟件在地面的調試工作，5月成功應用于2m超風洞通氣試驗，截至2011年3月，已完成多期風洞調試試驗，一期標模和型號試驗；圖5給出了中法標模試驗結果比較。

主要結論如下：

① 通過GBM－04標模試驗及與2.4m跨聲速風洞、法國S2風洞試驗結果比較可以看出，2m超風洞的試驗精度與2.4m風洞、法國S2風洞基本一致，試驗精準度均達到或接近國軍標先進指標；

圖5 中法標模試驗數據比較Fig.5 Standard model test data comparisons between 2mSWT and S2MA

② 系統結構合理，功能完善，技術指標先進；

③ 采用RT嵌入式技術，實時響應能力強，網絡數據吞吐率高；

④ 在風洞現場完成數據采集，減少了信號線路遠距離傳輸帶來的干擾，系統可靠性、穩定性較高；

⑤ 系統軟件豐富，應用軟件功能齊全 ，通用性好；操作界面友好、快捷，使用維護方便。

5 結束語

2m超風洞測量系統與運行管理系統通過課題組人員的共同努力，先后完成了系統的設計、硬件集成、安裝與調試，系統軟件開發嚴格按軟件工程思想進行過程管理。試驗結果表明系統設計合理，達到了設計技術指標的要求。

［1］ 陳錫輝.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［2］ 徐琦.基于反射內存網的多飛行模擬器時間同步［J］.火力與指揮控制，2009，34（11）：164－167.

［3］ 朱少民.軟件過程管理［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［4］ 惲起麟.風洞實驗數據的誤差與修正［M］.北京：國防工業出版社，1994.

［5］ 趙特偉.試驗數據的整理與分析［M］.北京：中國鐵通出版社，1981.