基于LabVIEW的發(fā)動機實時監(jiān)控軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

徐 茜,宮海波,楊 哲

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安710089）

隨著現(xiàn)代航空事業(yè)的不斷進步，各種新型飛機的研究得到了空前的發(fā)展。飛行試驗是對飛行器及相關(guān)設(shè)備進行研究和產(chǎn)品試驗驗證的重要手段。在飛行試驗中進行遙測實時監(jiān)控，對保證飛行安全，提高飛行效率起到至關(guān)重要的作用[1]。

隨著通信和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，飛行試驗中的實時監(jiān)控方法也不斷改進。傳統(tǒng)的監(jiān)控方法采用數(shù)字、運動曲線等單一方式來顯示試飛數(shù)據(jù)，這種方法專業(yè)性太強，比較死板、直觀性較差，易造成視覺疲勞[2]。LabVIEW軟件具有可視化程度高，軟件開發(fā)效率高，軟件維護簡單等優(yōu)點，因此在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。文中設(shè)計的某型發(fā)動機實時監(jiān)控軟件采用LabVIEW進行監(jiān)控畫面的開發(fā)與設(shè)計，在監(jiān)控畫面的設(shè)計中，針對傳統(tǒng)發(fā)動機監(jiān)控畫面中存在的專業(yè)性強、直觀性差等問題，結(jié)合數(shù)值顯示飛行數(shù)據(jù)，采用分區(qū)儀表盤設(shè)計、進度條、指示燈、時間歷程曲線等相結(jié)合的方式顯示關(guān)鍵飛行參數(shù)，具有直觀、人性化的特點。該實時監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計并引入子VI設(shè)計思路，提高了軟件執(zhí)行效率，軟件操作更加簡便。該軟件對發(fā)動機的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控，保證了飛行安全，為發(fā)動機的設(shè)計定型提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)

實時監(jiān)控系統(tǒng)的功能是對遙測數(shù)據(jù)進行采集、記錄并在客戶端PC機上進行數(shù)據(jù)實時顯示及回放[4]。

實時監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，實時監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、記錄、回放、處理和顯示等功能。實時監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，由前端服務(wù)器和客戶端組成，前端服務(wù)器軟件通過調(diào)用帶頭文件生成試驗文件，試驗文件包含了帶頭中的所有信息，包括參數(shù)名，參數(shù)的取位、校線、同步字以及幀結(jié)構(gòu)等信息。飛行時通過調(diào)用試驗文件來采集、記錄、處理和向客戶端發(fā)送飛行數(shù)據(jù)。

圖1 實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Software functional structure of the real-timemonitoring system

服務(wù)器將設(shè)定的參數(shù)組的全部參數(shù)名通過UDP協(xié)議廣播/組播發(fā)送到客戶端，客戶端在兩次接收到參數(shù)名后，對比兩次收到的參數(shù)名是否一致，如一致，則關(guān)閉參數(shù)名接收端口。服務(wù)器端在信號同步后，將參數(shù)數(shù)據(jù)也通過UDP協(xié)議廣播/組播發(fā)送到客戶端；客戶端通過TCP協(xié)議將監(jiān)控畫面需要的參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控畫面實時顯示。

文中闡述的實時監(jiān)控系統(tǒng)中，為了保證監(jiān)控畫面顯示的實時性，減少數(shù)據(jù)發(fā)送的時間延遲以及提高數(shù)據(jù)發(fā)送效率，實時監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器端采用UDP協(xié)議與客戶端進行通信。另外，使用UDP協(xié)議利于系統(tǒng)擴展，用戶可以方便地增加顯示實時監(jiān)控畫面的客戶端的數(shù)量。

2 監(jiān)控畫面設(shè)計

LabVIEW軟件是NI（美國國家儀器）公司開發(fā)的一款圖形化編輯軟件[5]，該軟件采用G語言編程，具有可視化程度高、軟件維護簡單等優(yōu)點[6]。文中設(shè)計的監(jiān)控畫面采用LabVIEW軟件來實現(xiàn)。

2.1 實時監(jiān)控畫面的功能

實時監(jiān)控畫面通過圖形化界面的方式，采用數(shù)字、曲線、進度條、信號燈和虛擬儀表等表現(xiàn)形式向用戶提供一個顯示界面，將發(fā)動機各項參數(shù)分類以多個頁面向用戶顯示，實現(xiàn)了發(fā)動機重要性能指標參數(shù)的實時動態(tài)顯示的功能。此外，用戶還可以自由改變進度條及曲線的顯示范圍及顯示速度。

2.2 實時監(jiān)控畫面的軟件結(jié)構(gòu)

在監(jiān)控畫面的前面板，通過選取各類LabVIEW組件，將監(jiān)控參數(shù)分類以多頁面、模塊化的方式進行圖形化顯示。在監(jiān)控畫面的后面板，通過3個步驟實現(xiàn)參數(shù)名的發(fā)送，參數(shù)的接收、處理和顯示。

1）調(diào)用tcp_open.vi(參數(shù)名發(fā)送函數(shù))，配置小系統(tǒng)和Magali系統(tǒng)雙接口的參數(shù)名，將畫面需要的參數(shù)名發(fā)送給客戶端。

2）通過配置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收函數(shù)，實現(xiàn)對客戶端發(fā)到畫面的參數(shù)數(shù)據(jù)的接收。

3）在后面板進行參數(shù)的計算后，將結(jié)果連接到前面板控件輸出顯示。

監(jiān)控畫面的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控畫面的軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of themonitor screen

2.3 監(jiān)控參數(shù)的算法實現(xiàn)

本文設(shè)計的監(jiān)控畫面上的參數(shù)分為429總線參數(shù)，422總線參數(shù)，232總線參數(shù)，機上抽引參數(shù)和加裝參數(shù)等，參數(shù)類型不同，參數(shù)的算法也不相同。

單字429總線參數(shù)、加裝參數(shù)的算法主要在服務(wù)器端通過配置帶頭文件來實現(xiàn)。雙字429總線參數(shù)、422總線參數(shù)、232總線參數(shù)、部分機上抽引參數(shù)則一般由多個參數(shù)進行綜合計算后得到最終的參數(shù)值。因此，這些參數(shù)的計算需要在監(jiān)控畫面的后面板上根據(jù)一定的算法進行編程實現(xiàn)。由于畫面涉及的參數(shù)主要是422總線參數(shù)，其算法也最為復(fù)雜，因此下面將422總線參數(shù)的算法進行介紹。

422總線上記錄了飛參數(shù)據(jù)，該總線參數(shù)數(shù)據(jù)分布在2048個采樣點內(nèi)。每個采樣點由兩個字節(jié)數(shù)據(jù)組成，每個字節(jié)的高8位是有效位。如圖3所示，參數(shù)的計算由5部分組成。

第一步：通信協(xié)議中規(guī)定了每個參數(shù)的采樣率，通過在帶頭中設(shè)置該參數(shù)采樣點的長周采樣率進行采樣。

第二步：組成每個采樣點的兩個字節(jié)的排列是低位在前，高位在后，因此首先需將兩個字節(jié)的順序進行顛倒，然后將兩個字節(jié)分別取高8位再拼成一個16位參數(shù)字。例如，組成當(dāng)前采樣點的兩個字節(jié)的數(shù)值分別是0x5DBC、0x0CDD，則拼位后的采樣點的數(shù)值是0x0C5D。

第三步：根據(jù)參數(shù)的后續(xù)點類型決定該參數(shù)由幾個采樣點組成，不同的后續(xù)點類型占據(jù)的采樣點個數(shù)和每個采樣點的取位方式不同，由幾個采樣點拼成一個參數(shù)的方式也不同。例如，當(dāng)前參數(shù)的采樣點的后續(xù)點類型為2時，定義為：每個采樣點只用其低8位，本類型占據(jù)兩個采樣點，由2個采樣點的低8位組成16位數(shù)，低位在前一個采樣點，高位在后一個采樣點。例如，某一參數(shù)的后續(xù)點類型為2，經(jīng)過第一步計算后，得到的前后兩個采樣點的值分別為0x0B3D,0x0C2A，根據(jù)后續(xù)點2的定義，得到該參數(shù)拼位后的值為0x2A3D。

第四步：將第三步計算得到的參數(shù)值和給定的有效位掩碼進行“位與運算”，得到新的參數(shù)值。例如，取后12位時，有效位掩碼為0xFFF。

第五步：將參數(shù)進行數(shù)據(jù)還原。由于機載采集的數(shù)據(jù)是源碼值，因此需要根據(jù)一定的算法將源碼值還原成物理量再輸出。數(shù)據(jù)還原類型有如下幾類：1）無：即不需要進行還原，直接輸出；2）線性關(guān)系：即源碼值和物理量之間是線性關(guān)系，采用線性插值法來得到物理量；3）離散還原關(guān)系：源碼值為離散量0、1，分別代表不同的含義；4）多段關(guān)系：數(shù)值中不同的位代表不同的含義，得到對應(yīng)的含義后再進行組合，例如采集器時間由時分秒組成；5）公式類型：將源碼值根據(jù)給定的公式計算得出對應(yīng)的物理量。

經(jīng)過以上五步計算，就得到了每個422總線參數(shù)的物理量值，然后將其與前面板控件連接并輸出顯示。

2.4 監(jiān)控畫面模塊化設(shè)計

實時監(jiān)控畫面界面如圖4所示。監(jiān)控畫面采用小系統(tǒng)和Magali系統(tǒng)雙接口的形式，在監(jiān)控時可根據(jù)資源情況靈活選用小系統(tǒng)或Magali系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

圖3 422總線參數(shù)算法流程圖Fig.3 422 bus parameters algorithm flowchart

由于監(jiān)控畫面參數(shù)較多、參數(shù)類型各不相同，無法同時在一個屏幕上顯示所有參數(shù)。為了便于用戶理解，對參數(shù)進行分類顯示，將監(jiān)控畫面前面板分為主畫面、發(fā)動機主畫面、發(fā)動機輔助畫面、APU畫面、振動畫面和測溫畫面等幾個模塊顯示。本文采用LabVIEW中的系統(tǒng)選項卡（Tab）控件來對不同類型的參數(shù)進行分類顯示。Tab控件可以由多個卡片頁組成，通過單擊鼠標右鍵可以增加或刪除卡片頁。本文設(shè)計的不同模塊顯示在不同的卡片頁上，用戶通過鼠標點擊某一卡片頁對應(yīng)的標簽，即可顯示出當(dāng)前卡片頁的內(nèi)容，其它卡片頁的內(nèi)容則被隱藏，將卡片頁的標簽定義成各個功能模塊的名稱，這樣使監(jiān)控畫面更加清晰和直觀。相比傳統(tǒng)的單屏顯示所有參數(shù)的畫面，本文設(shè)計的畫面層次感更強、也更利于用戶監(jiān)控和理解。監(jiān)控畫面采用儀表盤、信號燈、數(shù)字量以及時間歷程曲線相結(jié)合的方式顯示畫面參數(shù)，有效、直觀地顯示出了當(dāng)前各項參數(shù)狀態(tài)。

從圖4中可以看到，通過利用LabVIEW中屬性節(jié)點的功能，在儀表盤的不同數(shù)值段用不同的顏色區(qū)分，不同區(qū)域分別代表正常、告警以及故障等含義，與真實的汽車儀表盤類似，簡潔、直觀地反映了飛行參數(shù)在不同范圍的意義。

在程序編寫過程中，由于有些算法具有類似的規(guī)律，例如參數(shù)取位運算、422總線、232總線參數(shù)的計算等。我們將公共算法編寫成子VI，通過調(diào)用子VI的方法來提高程序執(zhí)行效率，減少重復(fù)代碼的編寫。

圖4 實時監(jiān)控畫面Fig.4 Real-timemonitoring screen

3 結(jié)束語

文中基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺，詳細論述了發(fā)動機實時監(jiān)控軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。與傳統(tǒng)方法相比，該實時監(jiān)控軟件具有更加直觀、人性化的特點，軟件操作簡便、支持多種接口。通過采用模塊化設(shè)計、引入子VI等設(shè)計思路，極大提高了軟件執(zhí)行效率。該監(jiān)控軟件在發(fā)動機定型試飛中得到實際應(yīng)用，試驗結(jié)果表明，該監(jiān)控軟件在保證飛行安全、提高飛行效率的同時具有良好的實時性、準確性和可靠性。

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