基于PXI總線的旋轉試驗臺綜合數據采集系統設計

秦 強，吳志剛，鄧細鳳，白 莉

(中航工業直升機設計研究所，江西景德鎮 333001)

0 引言

在某個旋轉試驗臺的試驗中，需要同時測量旋轉件(如槳葉)上的載荷、天平載荷、臺架振動以及關鍵部件的溫度等參數。由于被測參數的類型不同，其對應的傳感器和輸出的信號也有較大差異，因此試驗臺的數據采集系統需要能夠同時采集各種類型的信號［1］。針對這種測試需求，本文闡述了一種基于PXI總線開發的綜合數據采集系統。

1系統設計背景

旋轉試驗臺設計的最高轉速低于2400rpm，試驗中可能安裝的最大槳葉數為5片，而試驗臺和試驗件距離測試間的距離為30～35m，因而試驗臺數據采集系統的性能指標需要充分考慮以下幾個方面:

1)采集旋轉信號的采樣頻率

在采集信號時，為了保證信號的波形較平滑，一般需要信號的每個周期內至少有10個采樣點，因此數據采集系統采集旋轉信號的采樣頻率(fs)至少應當為旋轉信號的最高頻率(fmax)的10倍，考慮最高轉速為2400rpm，槳葉最多為5片，采集旋轉信號的采樣頻率計算方法為:fs=fmax×10=2400rpm/60×5×10=2000Hz。由此可知，當采樣頻率為2kHz時，數據采集系統可以滿足試驗臺旋轉信號的采集需求。

2)采集振動信號的采樣頻率

試驗臺架振動往往要分析到轉速頻率的10階以上，而信號的每個周期內至少應該有10個采樣點，因此數據采集系統采集振動信號的采樣頻率應至少為:fs=2400 rpm/60×10×10=4000Hz。因此，數據采集系統采集振動信號的采樣頻率為4kHz時可滿足試驗的采集需求。

3)測試信號的長距離傳輸

如果把數據采集器安裝在測試間的話，試驗臺被測參數的信號傳輸到測試間的采集器要經過30m以上的長線，很容易造成長線傳輸引起的信號損失以及信號線之間的干擾和串擾。避免出現這種情況的一種有效做法就是把采集器安裝得盡可能接近試驗現場和被測參數，再通過長距離通訊途徑將采集到的數據傳輸到測試間的電腦上。

綜合上述因素可以得出旋轉試驗臺的綜合數據采集系統的需求，它應當滿足2kHz的旋轉信號采樣頻率、4kHz的振動信號采樣頻率以及采集器與電腦的長距離通訊等要求。此外，在通常的測試情況下，天平載荷的采樣頻率一般為1kHz，溫度等緩變信號的采樣頻率一般為100Hz。

2 系統總體設計

在進行旋轉試驗臺的數據采集系統設計之前，首先應當根據試驗需求確定系統所要完成的數據采集任務和性能指標，其次，應當在滿足性能指標的前提下，盡可能地提高系統的性價比［2］。

根據試驗臺使用的傳感器，各類試驗測試參數采集形式如下:旋轉參數以應變信號的形式采集，臺架振動參數以振動信號的形式采集，其余的參數以電壓信號的形式采集。

2.1 系統設計指標

數據采集系統的設計要求如下:

1)24通道應變信號同步采集，采樣頻率為2kHz，16位A/D轉換;

2)16通道振動信號同步采集，采樣頻率為4kHz，24位A/D轉換;

3)8通道電壓信號同步采集，采樣頻率為1kHz，16位A/D轉換;

4)8通道電壓信號同步采集，采樣頻率為100Hz，16位A/D轉換;

5)采集器可以和電腦進行30～35m的長距離通訊。

2.2 系統硬件方案

本文的數據采集系統采用的是PXI總線技術，由于PXI總線模塊的體積優勢，允許PXI系統把不同類型的采集模塊組合在一起構成功能強大的測試系統，因此PXI設備適用于開發旋轉試驗臺的綜合數據采集系統。此外，由于PXI的優良定時總線結構，絕大多數時鐘和觸發信號傳遞都在內部完成，使得外部連線大大減少，系統結構將非常簡潔［2］。

2.2.1 系統采集模塊

考慮到采集應滿足的采樣頻率和分辨率、PXI總線結構以及性價比等因素，本文選擇了NI PXI－6052E多功能數據采集卡作為電壓信號和應變信號的采集模塊，如圖1所示。該卡擁有8個模擬輸入通道(本文采用差分接入方式)，采樣率為333kS/s，分辨率為16bit，滿足系統指標的要求。

NI PXI－6052E采集卡可以通過數據采集電纜連接調理模塊或接線端子:采集電壓信號時，信號進入NI SCB－68接線端子;采集應變信號時，信號進入NI SCXI－1520應變調理器與其套件(NI SCXI－1001十二槽調理器機箱、NI SCXI－1349調理器機箱背板適配器、NI SCXI－1314調理器接線盒)。其中每個NI SCXI－1520應變調理器對應一塊NI PXI－6052E采集卡，而調理器擁有8路同步采樣模擬輸入通道，因此根據系統設計要求，需要2塊NI PXI－6052E采集卡采集電壓信號，3塊PXI－6052E采集卡采集應變信號。

對于振動信號的采集模塊，本文選擇了NI PXI－4472B動態信號采集卡，如圖2所示。該卡擁有8通道單端模擬輸入，可測加速度(振動)、電壓類型的信號，采樣率為 102.4kS/s，分辨率為 24bit，滿足系統指標的要求。根據系統設計要求，需要2塊NI PXI－4472B動態信號采集卡。

圖1 NI PXI－6052E多功能數據采集卡

圖2 NI PXI－4472B動態信號采集卡

2.2.2 系統采集器機箱及其與計算機的連接

本文選擇的采集器機箱為NI PXI－1042，如圖3所示。這是一款性價比頗高的PXI機箱，該機箱共有8槽，內置10MHz參考時鐘、PXI觸發總線、星型觸發和局部總線。

圖3 NI PXI－1042機箱

采集器機箱與電腦的連接采用 NI PXIPCI8336套件，該套件通過MXI－4在高帶寬連接上實施PCI－PCI橋路，實現了從PCI計算機對PXI系統的遠程控制，無需額外編程，PXI系統就可以像安裝在計算機中的PCI板卡一樣直接使用。套件包括計算機端和采集器端的PXI－8336控制卡以及連接的MXI－4光纖線纜。光纖線纜最長可達200m，通過光纖連接的數據傳輸峰值速率達132MB/s，NI PXI－1042機箱的最大系統帶寬也是132MB/s，而采集系統的吞吐量指標以系統最高的采樣頻率和分辨率計算為:吞吐量=56通道×4000Hz×24bit=5.376Mbit，因而可以滿足系統數據采集的要求。

2.3 系統硬件結構與信號傳輸

2.3.1 系統硬件結構

系統的硬件結構如圖4所示。NI PXI－1042機箱由插在1槽的NI PXI－8336控制卡，插在2槽和3槽的NI PXI－4472B動態信號采集卡以及插在4槽到8槽的5塊NI PXI－6052E多功能數據采集卡組成，系統在完成采樣時鐘、觸發和相關同步信號的產生和分配后，進行三種信號類型共56通道的數據采集。

圖4 數據采集系統硬件結構圖

2.3.2 采集信號的傳輸

前端信號進入采集模塊的途徑分別是:電壓信號使用差分接法接入NI SCB－68接線端子，然后通過數據采集電纜傳輸給NI PXI－6052E多功能數據采集卡;應變信號接入NI SCXI－1314調理器接線盒，通過NI SCXI－1520應變調理器調理后通過NI SCXI－1349調理器機箱背板適配器和數據采集電纜傳輸給NI PXI－6052E多功能數據采集卡，其中NI SCXI－1520應變調理器使用的工作模式是并行模式，每個調理器都需要配備各自的機箱背板適配器和數據采集電纜，并獨立地連接一塊PXI－6052E多功能數據采集卡，其設置如圖5所示;振動信號通過振動采集用的同軸電纜直接接入NI PXI－4472B動態信號采集卡。

圖5 NI SCXI－1520和PXI－6052E的連接配置

2.3.3 同步采集方案

在本文的系統中，進行信號采集，振動信號之間需要嚴格同步，電壓信號之間和應變信號之間也需要同時進行各自的同步采集。

振動信號的同步采集方案為:一塊NI PXI－4472B作為主設備插在PXI機箱的2號槽，另一塊NI PXI－4472B作為從設備插在 PXI機箱的3號槽，主設備的采樣時鐘時基(Sample Clock Timebase)通過2號槽的星型觸發總線路由到從設備，作為它的采樣時鐘時基，主設備的同步脈沖(Sync Pulse)通過PXI觸發總線路由到從設備，主設備的觸發信號(Start Trigger)也通過PXI觸發總線路由到從設備，通過以上步驟，將兩塊卡的采樣時鐘相位對齊，在相同時刻觸發采集，實現振動信號的同步采集。這種同步方式的同步精度可以達到幾個納秒，完全可以滿足振動測量的同步要求。

對于電壓信號和應變信號的采集，本文選用的是多路分時A/D轉換的NI PXI－6052E采集卡，它不能像NI PXI－4472B那樣接收外部采樣時鐘時基，但是它可以接收外部采樣時鐘(Sample Clock)，因此將主設備(2號槽的NI PXI－4472B)的采樣時鐘通過PXI觸發總線路由傳到各塊NI PXI－6052E采集卡，同樣，也將主設備的觸發信號(Start Trigger)通過 PXI觸發總線路由傳到各塊 NI PXI－6052E采集卡，通過這種方式來實現應變、電壓信號與振動的同時采集，并保證電壓信號之間的同步采集、應變信號之間的同步采集。

3 系統軟件設計

3.1 軟件開發平臺

本文選用的軟件開發平臺是LabVIEW及其驅動程序的用戶接口MAX(Measurement＆Automation Explorer)，LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instrument Company，簡稱NI)推出的一種基于G語言(Graphics Language，圖形化編程語言)的虛擬儀器軟件開發工具，MAX可以為用戶提供對硬件的各種設置和測試。所有的LabVIEW應用程序都被稱為 VI(虛擬儀器)［3］。

3.2 數據采集系統程序設計

本文中數據采集系統程序開發的主要原理是通過一個生產者－消費者算法結構實現數據的同時和連續采集，并且對不同的采集模塊進行各自的同步。

3.2.1 數據采集流程

如圖6所示為LabVIEW軟件中數據采集的設計流程，流程由以下部分組成:DAQmx創建通道、DAQmx定時、DAQmx開始觸發、DAQmx開始任務、DAQmx讀取、DAQmx清除任務等，共6個VI。

圖6 LabVIEW的數據采集流程

DAQmx創建通道用于為任務新建虛擬通道，它是一個多態的VI，可以針對不同類型的被測信號(如電壓信號、應變信號、振動信號)創建不同類型的虛擬通道，并將它們加入不同的數據采集任務。

DAQmx定時和DAQmx開始觸發分別為任務的定時和觸發，采樣數和采樣率在DAQmx定時中進行設置，觸發方式和觸發類型在DAQmx開始觸發中進行設置;DAQmx開始任務用于啟動任務開始采集數據;DAQmx讀取負責讀取采集到的數據并將其放入內存中，它是一個多態的VI，可以選擇單通道/多通道、單采樣點/多采樣點等不同讀取方式，本文使用的是多通道多采樣點的2維數組讀取方式，即每塊采集卡采集數據的讀取結果均為以通道、采樣點為坐標形式的2維數組;DAQmx清除任務則是在采集結束后清除任務。

由于試驗需要進行連續采集，因此采集任務需要放在LabVIEW中的循環結構里反復執行，出于優化程序的考慮，本文只將DAQmx讀取放入了循環結構，其余VI均在循環結構外執行。

3.2.2 生產者 －消費者結構

數據采集系統需要同時進行實時的數據采集和數據處理，這就意味著數據采集和數據處理同時都要在循環結構中執行，將它們都放入同一個循環結構中是不妥的，因為那會延長循環結構里每一幀的運行時間，導致程序的運行速度受到影響。由于LabVIEW中的隊列結構可以在多個循環中實現數據共享，因此一個生產者－消費者算法結構可以解決系統的需要，如圖7所示。

圖7 生產者－消費者算法結構

生產者－消費者算法結構是由前面的生產者和后面的消費者兩個循環組成的，生產者循環從采集模塊中采集數據，并將其傳遞至一個排隊結構，消費者循環從隊列結構中取得數據并將其進行處理，從而實現了系統同時采集和處理數據。

3.2.3 采集同步的程序實現

在綜合數據采集系統的程序中，每個采集模塊都要建立一個獨立的數據采集任務，因而程序需要針對所有采集任務進行同步。本文使用了Get Terminal Name with Device Prefix模塊和DAQmx定時屬性節點來實現采集任務的同步。Get Terminal Name with Device Prefix模塊的作用是接收采集任務和本地接線端名，然后輸出帶設備前綴的接線端。在本文的程序中，它負責將主設備的采樣時鐘時基、同步脈沖、觸發信號以及采樣時鐘輸出給其它設備的采集任務，DAQmx定時屬性節點是一個多態的屬性節點，它接入Get Terminal Name with Device Prefix模塊輸出的接線端，產生采樣時鐘時基源和同步脈沖源傳輸給從設備的NI PXI－4472B采集卡，并產生采樣時鐘源傳輸給NI PXI－6052E采集卡，其程序框圖如圖8所示。

4 系統測試結果

系統開發完成后進行了測試驗證，測試結果表明:系統能夠正確測量應變、電壓、振動等信號，可以按照設定的采樣率進行采集、顯示和存盤。

對于系統同步性能，分兩種情況進行了測試:一種是同種信號(振動與振動、應變與應變、電壓與電壓)之間的同步情況;另一種則是振動信號和應變、電壓信號之間的同步情況。

圖8 實現同步的程序框圖

對于同種信號之間的同步測試，采用一路正弦信號同時接入同類型的兩塊采集卡的某一個測試通道，正弦信號的頻率從10Hz直到100Hz，分別進行測試，在整個測試過程中兩個通道所測試的信號相互間的同步非常好。圖9、圖10分別是50Hz正弦信號下的兩振動通道測量波形和100Hz正弦信號下的兩應變通道測量波形，可以看出，兩個同種信號的同步效果非常理想。

圖9 50Hz信號的振動－振動同步測量

圖10 100Hz信號的應變－應變同步測量

對于振動信號與電壓、應變信號之間的同步，測試時采用一路正弦信號同時接入一個振動、一個應變和一個電壓采集通道，正弦信號的頻率從10Hz直到100Hz，分別進行測試。通過測試可以發現，振動信號與應變、電壓信號之間同步差別非常大。圖11是20Hz的三個信號波形，從圖中可以看出，它們之間的相位差甚至達到了幾乎180°。

圖11 20Hz信號的振動－應變－電壓同步測量

導致這種現象產生的原因是本文的系統采集應變信號和電壓信號的采集模塊(NI PXI－6052E多功能數據采集卡)不同于采集振動信號的采集模塊(NI PXI－4472B動態信號采集卡)，前者是所有模擬輸入通道共享A/D轉換器分時進行A/D轉換，而后者是各通道獨立進行A/D轉換，它們的采樣時鐘相位之間沒有進行嚴格同步，因而此現象是由于采集設備硬件的局限造成的。目前不同類型信號的同步采集對于旋轉試驗臺的試驗測試并不是必須的，因此并不影響數據采集系統的正常功能。如果將來的試驗測試在這方面有需求的話，可以通過升級硬件(比如全部使用動態信號采集卡)來實現不同類型信號的同步采集。

5 結論

本文闡述了一種針對旋轉試驗臺試驗，基于PXI總線開發的綜合數據采集系統的設計和開發，該系統經試驗臺調試驗證，證明可以滿足旋轉試驗臺全臺多種信號類型參數的綜合數據采集，并且實現了采集設備和控制電腦的長距離通訊，使采集設備得以接近被測參數，避免了長線傳輸引起的信號損失以及信號線之間的干擾和串擾。本文的數據采集系統實現了同種類型信號的同步采集，但在不同種類型信號采集的同步方面還存在不足，未來通過對采集模塊硬件的升級可以對其進行改進。

［1］陳德軍.基于PXI總線的旋轉試驗臺綜合測試系統的設計與實現［J］.儀表技術，2005(5).

［2］秦爽.多通道同步數據采集系統設計與實現［D］.成都:電子科技大學，碩士學位論文，2009.

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