發動機試車高速采集數據關鍵技術的實踐

高　穎

(陜西國際商貿學院，陜西 西安 712000)

發動機試車高速采集數據關鍵技術的實踐

高穎

(陜西國際商貿學院，陜西 西安 712000)

摘要：為了適用發動機試車高速采集數據的需要，迫切需要對高速數據采集系統進行研究，提高高速數據采集系統的性能。選擇了IEEE1394作為數據傳輸模式，建立了一個基于FPGA、DSP和IEEE1394總線的高速數據采集系統，滿足了發動機試車高速采集數據的部分需要。

關鍵詞：發動機；高速數據采集；關鍵技術；實踐

發動機試車是發動機出廠前的最后一道程序。發動機試車高速采集數據是指在發動機試車過程中，以高采樣率采集發動機零部件的振動、位移和轉速等數據的過程。數據采集是獲取信息的手段，通過采集發動機試車的數據并進行分析，能夠幫助研究人員了解發動機零部件的動態響應特性，不斷推動發動機技術的發展。隨著發動機應用領域的擴大，對于發動機的性能要求更加嚴格，發動機試車的重要性越來越大。作為發動機試車工作中最重要的一環，發動機試車高速采集數據要求實現實時化、準確化和高效率。要實現這一目標，就要對發動機試車高速采集數據的關鍵技術進行研究。

1高速數據采集系統的原理

奈奎斯特釆樣定理是應用范圍非常廣的頻率采集原理。奈奎斯特釆樣定理簡稱采樣定理，是指針對一個連續模擬信號，按一定的時間間隔以高于該模擬信號最高頻率2倍的頻率對其進行均勻取樣，通過獲得的一系列采樣數據來確定該模擬信號的原始頻率的測試方法。

(1)

(2)

當脈沖信號的脈沖寬度越接近脈沖周期時，采樣越接近理想狀態。理想狀態的沖激脈沖函數為：

(3)

由式2和式3可以得到：

(4)

2高速數據采集系統的建立

2.1高速數據采集系統的數據傳輸方式

隨著發動機技術的不斷提高，人們對數據采集系統的要求越來越高。由于人們對數據的要求更加精細，傳統的低速數據采集系統已經不適應現在的研究需求。為了在同樣的時間內獲得更多的數據，研究人員開始設計和研究高速數據采集系統。目前，高速數據采集系統已經逐漸成熟，并應用于航天、航空和軍事等各大領域之中。發動機試車高速采集數據要借助高速數據采集系統來實現。高速數據采集系統的性能直接影響到發動機試車高速采集數據的準確性、實時性和可靠性。研究如何提高高速數據采集系統性能是提高發動機高速采集數據技術的關鍵。為了保證高速采集數據的及時性和準確性，發動機試車的測試系統必須加強數據的采集和解算能力[1]。接口的傳輸速度對數據采集系統的精確度和工作效率影響非常大。對于作為數據采集工作難度更加大的高速數據采集系統而言，接口的傳輸速度的意義更為重大。

傳統的發動機試車高速數據采集系統采用串行總線數據傳輸方式。發動機試車測控系統上通常帶有多個串行通信接口，比如電子控制器的串行通信接口、帶有二次儀表的設備上的串行通信接口等。由于各個串行通信接口的數據標準不一樣，要實現串口之間的通信就要統一串行通信接口類型。通常做法是采用協議轉換器轉換通信接口的數據類型或者采用串口拓展卡分別收集各個接口的相關數據。這種串行總線數據在過去的發動機試車的數據采集中發揮了非常大的作用。然而，隨著對發動機的性能要求逐漸提高，對發動機數據參數的及時性和精密性的要求更加嚴格，這種傳輸方式的傳輸速度慢、靈活性差和可靠性低等缺陷日益明顯。目前，許多測試項目轉向動態參數測試，而串行總線數據傳輸方式無法滿足動態參數采集的要求，在這些項目中無法發揮作用，因此，要對高速數據采集系統的數據傳輸方式進行改革。

IEEE1394是一種高速串行總線，遵循IEEE1394串行總線標準。IEEE1394串行總線標準是1995年IEEE制定的一種高速數據傳輸總線標準。IEEE1394有異步傳輸和等時傳輸2種傳輸模式。等時傳輸多用于實時性的任務，以大容量實時傳輸等特點廣泛運用于多媒體傳輸領域；異步傳輸具有CRC校驗功能，反映比較靈敏。由于IEEE1394總線標準具有傳輸速度快、傳輸形式豐富和配置靈活等優勢，受到了許多行業研究人員的重視。目前，IEEE1394已被廣泛運用于航空、醫療、汽車和計算機等各個領域。將IEEE1394串行總線作為高速數據采集系統的數據傳輸模式，可以有效地解決系統控制器與子系統之間的通信問題，有效地突破數據采集系統數據接口傳輸速度慢的技術瓶頸，符合高速數據采集系統實時性和高可靠性的要求，因此，采用IEEE1394作為發動機試車高速數據采集系統的數據傳輸模式是數據采集技術發展的一個發展趨勢。

2.2基于IEEE1394、DSP和FPGA建立的高速數據采集系統

2.2.1高速數據采集系統框架設計

IEEE1394是一種高速串行總線，協議結構包括鏈路層、物理層和事務層等3個協議分層(見圖1)。事務層讀取、比較和交換CSR中的數據，支持異步傳輸的讀寫和鎖定操作；鏈路層將事務層的請求轉化為相應的邏輯信號，實現對異步數據包的尋址、校驗功能；物理層將鏈路層的邏輯信號轉化為電信號放在串行總線上。IEEE1394的3個協議分層相互獨立，協議內容比較復雜，因此，在實際應用中，IEEE1394多采用專用總線接口芯片。

圖1　IEEE1394協議結構

一般來說，數據采集系統常用的芯片有單片機、DSP、ARM和FPGA等。DSP是一種功能強大的微處理器，對數學信號進行處理，但是工作時鐘頻率較低。FPGA有利于簡化系統設置，保證數據采集系統的穩定性、實時性和可靠性，但是面對復雜計算的處理能力不足；因此，將DSP和FPGA結合起來，集合DSP、FPGA和IEEE1394的優點設計出數據采集系統，利用DSP+FPGA來控制IEEE1394鏈路層芯片和物理層芯片，既可以實現系統采集的存盤要求，又可以滿足數據采集系統體積小、質量輕的設計要求。

高速數據采集系統框架設計如圖2所示。首先由DSP完成數據和圖像的處理和解碼,再將DSP處理完畢的數據通過PFGA進行數字信號處理，最后將處理好的信號通過IEEE1394傳送給計算機。

圖2　高速數據采集系統框架

圖3　數據采集系統功能配置

系統具體功能配置如圖3所示。這個功能配置系統以FPGA和DSP等2個模塊為核心，通過IEEE1394總線與計算機進行數據交換[2]。FPGA的功能主要是負責采集經過預處理的信號，并控制各個接口；DSP模塊的功能主要是預處理接入信號，通過內部總線訪問FPGA獲得采集結果并進行變換和算法處理后通過IEEE1394總線上傳到數據中心。2.2.2高速數據采集系統硬件設計方案

基于IEEE1394、DSP和FPGA建立的高速數據采集系統的硬件設計方案可以劃分為IEEE1394總線通信模塊、模擬信號集成電路和電源電路等幾個硬件模塊，其中IEEE1394總線通信模塊是系統硬件設計方案的核心。IEEE1394總線模塊主要包括FPGA電路、鏈路層芯片、物理層芯片、電源電路、時鐘電路和異步存儲器總線接口電路。目前，許多廠商(如Sony、Apple等)都生產IEEE1394協議的物理層芯片和鏈路層芯片。隨著芯片生產技藝的不斷提高，現在已經研發出物理層和鏈路層集合的芯片，極大地方便了基于IEEE1394總線的數據采集系統的設計與實現。

模擬信號采集電路是高速數據采集系統硬件設計的關鍵。發動機的輸出信號頻率很低，為了提高采集信號的準確率，要將頻率信號進行倍頻再轉換為模擬信號，因此，在發動機試車高速數據采集系統中，模擬信號的采集應用最廣泛。考慮到數據采集系統體積小、質量輕的設計要求，模擬信號采集電路設計要盡量少占用系統的資源，因此，在模擬信號采集電路中運用了FIFO元器件。

FIFO即高速先進先出存儲器，具有暫時保存數據，保證數據完整性的功能。模擬信號采集電路的設計思路為FPGA將采集得到的信號進行處理，將結果緩存于FIFO內，DSP通過緩沖區讀取信息，將信息進行濾波、倍頻等操作后再將結果傳到數據管理中心。

模擬信號采集電路的具體設計方案如圖4所示。模擬信號采集電路由信號調理電路(RGA模塊)、多路切換開關、比例放大電路、A/D轉換器和FPGA控制電路組成。信號調理電路的作用是進行濾波和放大信號，使輸出的電壓值符合A/D轉換器的輸入值，因此，信號調理電路的調頻倍數設置要考慮A/D的輸入電壓范圍。

圖4　模擬信號采集電路設計方案

2.2.3高速數據采集系統軟件設計方案

高速數據采集系統軟件設計流程具體如圖5所示。在接通電源，采集系統通電后，系統自動完成初始化工作，軟件進行初始化設置，再通過識別狀態配置信號切換程序模塊。系統的程序模塊主要包括地面支持模塊、正常工作模塊和故障處理模塊。在維護狀態下進入地面支持模塊，實現程序維護升級和下載故障記錄工作[3]。在正常工作狀態下，高速數據采集系統根據IEEE1394發出的控制命令切換工作狀態，有周期性地采集和處理接口輸入的數據并輸出處理后的數據。當通過自檢程序發現故障時進入故障處理模塊，記錄故障接口并上報數據狀態。

圖5　數據采集系統軟件設計流程

3結語

本文采用IEEE1394作為發動機試車高速數據采集系統的數據傳輸模式，建立了一個以FPGA和DSP為核心的高速數據采集系統，滿足了發動機試車高速采集數據的部分需要。隨著技術的不斷發展，在發動機試車高速采集數據工作中仍然有可能會出現新的問題，因此，在今后的工作中需要加大對高速數據采集技術的課題研究，不斷積累經驗，提高該方面的水平。

參考文獻

[1] 趙瑞國,馬杰,何志勇,等.液體火箭發動機高速采集數據工程數據庫設計及應用[J].火箭推進,2011,37(3):60-64,72．

[2] 呼明亮,車炯暉,趙君,等.基于IEEE-1394總線的高速數據采集系統設計[J].電腦知識與技術,2014(19):4450-4453．

[3] 龔東磊、胡繼波．IEEE 1394高速串行總線及其應用[J].計算機工程，2002(11):237-239．

責任編輯彭光宇

The Practice of the Key Technologies of High-speed Sampling Data in the Running Engine

GAO Ying

(Shaanxi Institute of International Trade，Xi’an 712000， China)

Abstract:In order to apply the need of high-speed acquisition data when engine run, it has an urgent need to study high speed data acquisition system, and improve the performance. Chose it has IEEE1394 as the data transfer mode, set up a high-speed data acquisition system based on FPGA、DSP and IEEE1394 bus, which can meet the partial requirement of nigh speed data collection of engine trial run.

Key words:the engine，high speed data acquisition，key technology， practice

收稿日期：2014-11-24

作者簡介：高穎(1981-)，女，大學本科，主要從事應用數學等方面的研究。

中圖分類號：TP 274.2

文獻標志碼：B