基于PXIe高速同步溫度數據采集系統在真空熱試驗中的運用

邵靜怡，寧 娟，李 娜

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

熱真空試驗中，試件的數據采集是試驗中非常重要的環節，是溫度控制的基礎，是試件在空間冷黑背景下熱特性的判斷依據[1]。目前，大型真空熱試驗中，由于測量通道較多，一般采用數字萬用表搭多個多路轉換開關的方式完成數據采集任務[2]。這種測量方式有效地解決了多通道測量，控制了成本。由于測量單元較少，通道采用串行測量方式，隨著通道數量增加，測量時間明顯增長，無法反應試驗件瞬時溫度特性，對溫度控制增加了難度，同時數字萬用表和多路轉換開關均使用繼電器，實現測量信號切換和測量通道切換功能，增加了設備故障的概率。

以PXIe高速測量板卡為基礎，設計了一套真空熱試驗快速數據采集系統，可以完成大型真空熱試驗的數據采集，并且提高系統的可靠性[3]。

1 真空熱試驗數據采集現狀分析

目前，真空熱試驗常用的數據采集方式主要有兩種：高精度數字萬用表和專用模擬量輸入模塊（PLC模塊等），分別應用于中大型真空熱試驗和小型真空熱試驗，兩種數據采集方法各有優勢。

中大型真空熱試驗，溫度測量點較多，測量精度要求較高，一般使用定制熱電偶作為溫度傳感器，使用高精度數字萬用表搭配多路轉換開關進行數據采集，采用上位計算機中的軟件對儀器進行遠程控制、擬合計算、數據記錄等功能。同時可為溫度控制軟件提供反饋點溫度，試驗過程中控制反饋點可以靈活調整。該方法需要上位機通過通信協議驅動儀器設備，速度較慢，一般只有一個或幾個測量單元，在測量通道數較多的情況下，須要較長時間才能完成一個周期的溫度測量，在溫度場變化較快的情況下，無法準確反映試件當前時刻的溫度特性。在復雜的網絡環境中，容易發生網線連接斷開或網絡擁塞的情況，使上位機的控制指令無法發送到儀器中，導致控制異常。

小型真空熱試驗，由于測量通道較少，對測量精度要求較低，一般采用PT100作為溫度傳感器，使用PLC的RTD模塊等完成數據采集。這種數據采集方式速度較快，采集精度較低，AD轉換精度一般為12位，用于熱電阻等溫度傳感器的數據采集，不能滿足熱電偶等小信號數據采集要求。這種數據采集方法局限性較多，在真空熱試驗中適用范圍較小。

因此，需要將高速高精度數據采集引入真空熱試驗中，滿足對復雜試件瞬態溫度情況的監測，提高真空熱試驗的試驗能力。

2 高速數據采集系統

2.1 真空熱試驗高速數據采集需求

真空熱試驗高速數據采集的信號種類主要有兩種：

（1）熱電偶：測量值變化范圍為-20～+20 mV，采用單線制引線方式，測量精度不低于6位半；

（2）PT100鉑電阻：測量值變化范圍為10～200 Ω，采用四線制引線方式。

真空熱試驗數據采集一般包括以上一種或幾種信號類型，測量點的數量從幾十到上百點不等。在進行試驗數據采集時，采樣速度不低于1 Hz，采樣速度可調，數據采集軟件在完成數據采集的同時，能實時顯示、存儲數據，并通過測控局域網共享數據。作為固定的數據采集系統，應具有較強的適應性和通用性，能根據試驗的具體需求對測量系統進行配置。

2.2 高速數據采集系統結構

真空熱試驗高速數據采集系統由測量傳感器、分線箱、參考點、PXIe采集板卡、計算機、服務器等組成，系統結構如圖1所示。

測量信號從真空容器內經穿墻插頭引出到容器外，通過分線箱接入測量儀器，再通過以太網將數據傳送到總控間計算機進行數據的處理、顯示、存儲等操作。

圖1 高速數據采集系統結構圖Fig.1 High-speed data acquisition system structure

2.3 高速數據采集硬件結構

機箱選用PXIe-1062Q，嵌入式控制器采用PXIe-8135，可以支持最多7塊PXIe板卡執行數據采集。

數據采集板卡選用PXIe-4353和PXIe-4357兩種板卡分別測量熱電偶信號和鉑電阻信號。PXIe-4353具有32路熱電偶采集通道，24位采樣精度，最高采樣速度為90 S/s/通道，高分辨率采樣速度為1 S/s/通道，電壓采集量程為±80 mV。PXIe-4357具有20路RTD采集通道，可支持PT100或PT1000的電阻采集，24位采樣精度，最高采樣速度為100 S/s/通道，高分辨率采樣速度為1 S/s/通道。

真空熱試驗數據采集時，PXIe-4353和PXIe-4357兩種板卡同時進行數據采集，傳感器信號通過分線箱和接線盒接入采集單元內進行數據采集，采集數據在控制器中進行擬合運算，通過鉑電阻計算出參考點溫度，反推出熱電偶補償電壓，對熱電偶實際測量值進行比對計算，得到該熱電偶的實際溫度。控制器通過以太網與客戶端連接，進行通信和數據傳輸。數據采集過程中以太網意外斷開，控制器可獨立運行，不影響數據采集，提高了數據采集系統的可靠性。

3 高速數據采集軟件

高速數據采集軟件功能獨立，對試件瞬時溫度進行測量，可以完成鉑電阻、熱電偶、熱流計等多種信號的測量、處理及顯示。

3.1 開發環境

軟件開發平臺使用LabVIEW，系統操作平臺為Windows 7專業版，系統運行網絡平臺為真空熱試驗測量和熱流模擬系統計算機網絡平臺。

LabVIEW軟件是NI公司推出的虛擬儀器開發工具，廣泛應用于工業自動化、儀器控制、數據采集及處理等領域，與硬件廠家統一，硬件驅動配置簡單、編程方便、縮短軟件開發和調試周期[4]。

3.2 數據采集模塊

測量計算機與測量儀器通過LAN方式進行連接。測量軟件通過LAN接口發送指令實現對數字測量儀器的驅動，同時讀取測量通道的電壓或電阻值，經過擬合公式計算出各測量點的溫度值。數據以表格的方式顯示在軟件界面上，并保存在本地計算機和服務器中。數據采集軟件流程如圖3所示。

原有的數據采集模塊是在每周期數據采集擬合完成后進行一次數據保存，這種方式不能充分利用系統資源，進行低采樣率的采集任務是不會有太大影響，但是進行采樣率大幅度提升、多通道的同步采集任務時，文件存儲速度會對采樣的周期可定時造成一定程度的影響。新的采集單元采用雙線程工作，如圖4所示，一個線程將采集卡緩沖區中的數據放入事先向系統申請好的循環隊列中，另一個線程將循環隊列中的數據取出并寫入本地文件，這樣可以實現精確采樣定時，每個線程獨立占用一個CPU核心。這種方式可高效利用系統資源，適用于高采樣率、多通道的同步采集工作[5]。

圖3 數據采集軟件流程圖Fig.3 Software flow chart of data acquisition

圖4 雙線程工作示意圖Fig.4 Dual-thread working diagram

4 運行效果

該系統現已在多個試驗中進行了部署，溫度數據采集如圖5所示，采集速度明顯優于原有的數據采集系統，采樣頻率設置為20 Hz，可以對迅速變化的溫度進行準確測量，可以滿足高速數據采集系統的需求。

圖5 溫度數據采集運行圖Fig.5 Temperature date acquisition operation diagram

5 結論

數據采集系統作為真空熱試驗的重要分系統，具有測量數據點多、數據量大、測試信號形式多樣、數據精度要求高等特點。運用PXIe高速數據采集系統在真空熱試驗中，該方法滿足數據采集系統要求的基礎上，同時實現了對被測試驗件瞬時溫度的測量，可以更準確的反應時間的熱特性。該系統經過多臺設備的多次試驗，系統運行穩定可靠，測量數據準確無誤。