基于LXI總線的數據采集系統設計及應用研究

摘? 要：針對現有測試總線GPIB、VXI及PXI在車臺數據測試系統應用上的缺陷，首先闡述了LXI總線在技術上的優勢，尤其是在分布式系統及同步性方面的優勢，開展了基于LXI總線的大型測試系統設計及應用，實踐效果表明，該測試系統運行穩定可靠且性能達標，滿足設計要求。

關鍵詞：LXI技術;VXI系統;大型測試系統同步性

中圖分類號：TP274.2? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）01-0034-05

Abstract：In view of the shortcomings of the existing test buses GPIB，VXI，and PXI in the application of the test data system of the vehicle platform，this paper describes the technical advantages of the LXI bus，especially the advantages of distributed systems and synchronization. The design and application of the large-scale test system of the bus show that the test system runs stably and reliably，and the performance meets the design requirements.

Keywords：LXI technology;VXI system;large-scale test system synchronization

0? 引? 言

隨著航空技術的迅猛發展，渦輪進口溫度在不斷提高，渦輪內部冷氣流量在加大，功率等級也在不斷提高，為了在真實工作環境中進行渦輪的各種試驗，綜合考慮成本、技術難度、科研的需求，中國航發動研所在幾年前建立了某中溫中壓雙轉子渦輪試驗器。但是隨著渦輪效率水平的不斷提升，渦輪氣動性能潛力已經越來越難以挖掘，這需要進一步提高試驗器的精度，才能反映出設計改進的效果。因此，要求測試具有較高的精細程度，提出了精細化測量的要求，來獲得更加全面的試驗過程中氣動、傳熱的參數。

目前這個中溫中壓雙轉子渦輪試驗器的測試系統基于VXI數據采集系統，VXI總線技術經過多年的發展已實現標準化、模塊化和系統化，具有標準開放、數據吞吐能力強、可靠性強等特點。但是，該系統的測試通道數僅約兩百個，采集通道能力遠遠不夠，且大部分壓力測試模塊量程過大，無法滿足精細化測量的需求。新的需求測試通道數達到一千個以上，且對精度提出了精細化測試的要求。因此，需要對這個渦輪臺原有的測試系統進行優化設計。

1? LXI技術特點

自從20世紀70年代初，惠普公司推出GPIB通用儀器總線以來，測試儀器的發展經歷了GPIB總線、VXI總線和PXI總線等多種形式。但是采用這些技術的自動測試系統都存在很多不足。如：GPIB儀器體積和重量大，數據傳輸速度慢，且要用GPIB卡和電纜來實現程控，成本較高;VXI系統雖然有較小的體積和重量，通道數也很多，但是VXI系統必須采用VXI機箱、零槽控制器以及1394-PCI接口卡才可實現程控，構建系統的成本比較高;PXI儀器雖然比VXI儀器的體積小、重量輕，成本也低，但PXI總線儀器的功能覆蓋面有限，儀器品種也遠比VXI儀器少，通道數和電磁兼容性都比VXI差。[1]

LXI標準具有網絡的優勢，且很好地解決了其實時性的要求。它的標準是開放式的，和其他的設備都可以相互連接，且易于與Internet連接，能夠在任何城市、地方利用電話線通過Internet對企業進行監控，能夠實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的有機結合[2]。具體來說，首先，它提高了整個系統的吞吐率，不同于其他的總線，比如GPIB傳輸能力低，VXI利用1394總線最高也只能達到1000 Mbps，但LXI利用網絡速度，最高每秒可以達到10 GB，這是質的飛躍;其次，它具有比較靈活的形式，它具有各種寬度和高度選擇，能夠非常簡便地混裝在各種機箱中，對于安裝場地并沒有特殊的要求，可以隨意改變;它利用靈活的系統可以使成本得到控制，在組建測試系統方面，LXI模塊自帶了處理器、LAN連接、電源和觸發器輸入，并且不需要機箱和零槽控制器，不需要專用接口卡和昂貴的電纜[3]。

因此，在本項目中，由于新的試驗器測點通道數要求達到一千個以上，由小型測試系統轉為大型測試系統，不僅數據的吞吐量需求大大增加，且對于測試的精度也提出了更高的要求，結合LXI總線的特點及優勢，該大型測試系統采用LXI總線技術為平臺建設，其下將介紹該應用具體情況及達到的效果。

2? LXI技術在大型測試系統中的應用

隨著航空技術的迅猛發展，對渦輪臺的改造提出了更高的要求，要求測試通道數由原來的兩百余個點提高到了一千多個點以上，升級為大型系統，并且在此基礎上要求保持高傳輸速率、高精度、高同步性等特點，要求采樣率達到每通道50 Sa/s/ch，同步性精度優于20 ms。

該渦輪臺原測試系統是基于VXI總線的采集系統，對于改造前的試驗任務能夠穩定可靠地滿足相關要求。對于新的要求，如果采用原有系統架構，一方面增加了測試線纜的數量和長度，影響測量的準確性，另一方面，使測試線纜的分布復雜化，增加了系統成本，并且非常不利于系統的現場實施及后期維護。且對于新的大型測試系統并不僅僅是通道的簡單疊加，還要求測試設備間具有更高精度數據同步能力。對于VXI系統來說，其同步測試方法是通過VXI儀器的背板總線觸發實現同步測試，但這種方法僅在同一機箱內的模塊之間有效，對于不同機箱之間就難以實現同步，該VXI系統在同步性方面存在較大局限性。因此，新的改造方案將建立一套基于LXI總線設計的大型測試系統。

2.1? 總體方案

該渦輪試驗臺對測試能力提出了新的高要求，要求測試通道數達到新的級別一千個以上，且要求在大數據量下保持高數據同步性、高精度特點，因此，本方案擬采用LXI設備作為建設平臺。LXI采集模塊通過配置不同調理模塊來滿足不同信號類型的測量需求，測量模塊等設備放置在恒溫機柜中，恒溫機柜放置在試驗間，以確保工作穩定性及測試準確性，各子系統測量數據通過網絡交換機進行傳輸，這種分布式布局可以大大減少測試線纜。整個數據采集測試系統如圖1所示。

2.2? 硬件和軟件部分

硬件系統由5臺計算機和1套穩態數采系統組成，分布在操作測試間和試驗間，計算機通過以太網相連，如圖1所示。發動機及試驗臺設備穩態監控參數以不同方式最終全部進入數據采集系統計算機，整個數據采集系統基于以太網構建，測試網絡設備、數采計算機、數據顯示計算機及電氣控制工控機組建成千兆以太網。測試系統前端采用高度集成化的數據采集系統和測量模塊，實現轉速、流量、溫度、壓力、振動總量、應力、軸向力、等參數的測量;其他參數如扭矩、功率、大氣壓力、大氣濕度等，則通過以太網等接口方式與數采計算機通訊的方式將測試數據傳輸到數據采集系統計算機。采用多個顯示器，分別通過虛擬儀表監控屏、振動總量曲線示波屏、振動頻譜分析屏、動態顯示屏、發動機性能曲線跟蹤屏和原始數據屏，以不同的形式顯示試驗件及車臺設備測量參數。

軟件系統采用結構化、模塊化的設計方法，確保整個采集系統能夠穩定可靠地運行。試驗件及試驗臺各個設備監控參數以不同的方式最終進入數據采集系統計算機，在數采軟件的統一調度下運行。數據采集系統軟件就相當于整個系統的中心，系統測試軟件參照流行的工控組態軟件的模式構筑結構框架，實現所需功能，完成數據采集、處理和顯示功能，并完成網絡配置和通訊。

軟件采用Windows 7作為操作系統平臺，融合運用VC++和VB作為應用軟件開發平臺，軟件采用模塊化設計，然后進行系統集成。具體軟件框圖如圖2所示。

該測試軟件的設計除需完成以上所有功能外，力求達到界面友好易操作，功能完善，可以自動生成系列技術文檔，具有監控參數預警、報警功能以及數據連續存儲、反演功能。

2.3? 壓力與流量子系統

對于壓力與流量子系統，LXI系統會輸出一個TTL信號，用于同步觸發PSI設備，因為有多個PSI機箱，則在其間增加一個TTL信號觸發分支器，把一個觸發信號分到多個PSI機箱中。這樣可以保證壓力與流量子系統與LXI系統的數據的同步性。

新的要求對測試精度提出了更高的要求，在壓力測試中，試驗器原來使用的壓力測量模塊大部分為大量程的測試模塊，這就造成了在測量相對較小的壓力的時候，相對誤差會大量增大。在測量的時候，使用滿量程精度的儀器的測量不確定度隨測量值下降而下降，沒有一個壓力傳感器在全部量程范圍永遠保持同樣的準確度。因此，讀數精度的表示都有一定的范圍，在遠小于最大量程的很小壓力時，精度會大大降低。對于流量測試也是一樣，不同支路的流量量程不同，必須按設計的流量值細分，不同的支路選用不同量程的流量計，以達到要求的測試精度。

綜上所述，對于壓力和流量測量的精度提出了更高的要求，則需要將壓力和流量測量的范圍分得更細，讓測量的壓力處于壓力模塊最佳測量范圍值之間，盡可能避免因模塊量程偏差太大而引起的精度降低，提高測試精度。同時，優化模塊工作環境，利用恒溫柜使其工作始終保持在最佳工作環境溫度中，保持最佳測試精度。

壓力和流量測試子系統結構框圖如圖3所示。

2.3.1? 氣體總壓測量誤差

氣體總壓測量誤差包括總壓探針測量誤差（0.1%F.S）和壓力模塊測量誤差（0.05%F.S）。按方和根估算其總的精度如下：

2.3.2? 氣體靜壓測量誤差

氣體靜壓測量一般采用壁面開孔測量靜壓，其測量誤差與開孔情況（如孔徑、有無毛刺、垂直度等）關系很大，如孔徑為0.5 mm，其他情況符合要求，馬赫數在0.8以下，其靜壓測量誤差與動壓頭的比值優于0.3%。靜壓測量誤差包括壁面開孔測量誤差（0.3%F.S）和壓力模塊測量誤差（0.05%F.S），按方和根估算其總精度如下：

2.3.3? 冷氣流量測量誤差

冷氣流量測量誤差主要由質量流量計的測量誤差決定。冷氣流量擬采用西門子7ME4613型質量流量計進行測量，按細分的測量范圍選擇最合適的流量計，在其測量范圍內的最大誤差為±0.93%F.S，進一步考慮到數據采集模塊誤差，其測試鏈路總體誤差仍然小于±1%F.S。

綜上，可以通過該壓力與流量測量子系統提高壓力與流量測試精度以滿足新的測試要求。

2.4? 溫度子系統

溫度測量主要是各類熱電偶信號，其次是熱電阻信號。該試驗器以往的溫度測試主要采用等溫板溫度采集系統，溫度受感器通過補償導線將溫度信號傳到等溫板，在等溫板經過冷端補償后通過信號線將溫度信號傳輸給數采系統。現在對測量通道數和測量精度提出更高要求，擬采用溫度測量模塊方式，選用美國VTI公司的EX1048A溫度測量模塊，每個溫度測量模塊有48個通道，溫度受感器通過補償導線將溫度信號傳到溫度測量模塊，模塊經過處理后通過網線將溫度數據傳輸給數據采集系統。等溫板溫度采集系統的測溫誤差由受感器本身誤差、等溫參考測量誤差、數采系統測量誤差三部分組成，溫度測量模塊的測溫誤差由受感器本身誤差、溫度模塊測量誤差兩部分組成，減少了誤差源，提高了溫度測量的精度。

整個溫度測試子系統結構框圖如圖4所示。

2.4.1? 熱電阻溫度受感器測量誤差

當使用熱電阻溫度受感器測溫時，選用A級精度鉑電阻Pt100測量，受感器允許偏差±（0.15+0.002*|t|）=±0.31 ℃，溫度測量模塊測量誤差為±0.2 ℃，溫度測量總誤差為：

2.4.2? 熱電偶溫度受感器測量誤差

熱電偶溫度受感器測量誤差由受感器的測量誤差、溫度測量模塊的測量誤差兩部分組成。其中，溫度測量模塊測量不同類型的熱電偶信號時測量誤差不同，具體如表1所示。

表1? 溫度測量模塊EX1048A精度列表

結合表1可知，當溫度測量點測量范圍為0～1000 ℃ 時，采用K型Ⅰ級熱電偶，測量誤差為±4 ℃，溫度測量模塊的測量誤差±1.1 ℃。溫度測量總誤差為：

當溫度測量點測量范圍為0～600 ℃時，采用E型Ⅰ級熱電偶，測量誤差為±2.4 ℃，溫度測量模塊的測量誤差±0.6 ℃。溫度測量總誤差為：

當溫度測量點測量范圍為0～300 ℃時，采用T型Ⅰ級熱電偶，測量誤差為±1.4 ℃;溫度測量模塊的測量誤差±0.4 ℃。溫度測量總誤差為：

綜上，可以通過該溫度測量子系統提高溫度測試精度以滿足新的測試要求。

2.5? 系統運行

該系統基于LXI平臺的大型測試系統的方案，已經經過調試并穩定可靠地應用到該試驗臺中，如圖5和圖6所示。

該測試系統穩定可靠的運行，并且滿足測試要求。首先，作為大型測試系統通過LXI的分布式系統布局有效地解決了遠距離傳輸和線纜繁雜的問題，控制成本，利于實施與維護，經驗證整個系統測試通道數達到一千個以上的吞吐率要求，并且采樣率達到每通道50 Sa/s/ch，滿足測試要求;其次，對于該大型測試系統來說，LXI引入了用于分布式儀器間定時和同步的IEEE1588精密時間同步協議（PTP），可靠地保證了該系統所有數據精確同步性的問題，該系統總的時間同步性精度優于5 ms，滿足測試要求;最后，利用分布式的系統架構，可根據被測點的分布調整測試設備的位置，將測試設備放置于更加靠近被測點的位置，優化各測量子系統，細分各測量模塊量程，再利用恒溫柜優化模塊工作環境，該測試系統最終滿足精細化測量要求。

3? 關鍵技術

3.1? 分布式架構

系統采用分布式的測試系統。本系統中每臺機柜分別布置在被測物周圍，或者拿出幾臺或單臺設備單獨放置。通過很短的測試線纜連接到被測物，測試設備通過幾十米的網線或測試局域網與測控間實現通訊。不僅節省了測試線纜，同時大幅降低了線上損耗，減少了環境干擾，提高了測量精度。

原有的數據采集系統采用集中式，如圖7所示，所有測試線纜都從試驗間經橋架布到操縱測試間，進入數采系統，進行數據采集。為滿足精細化測試的需求，該臺的測點通道在一千以上，如果原數采系統保留，采用傳統集中式的系統架構，一方面增加了測試線纜的長度，影響測量的準確性，另一方面，原有橋架系統容量不夠，測試線纜的分布會更加雜亂，不利于系統的現場實施及后期維護，因此，整個系統必須采用分布式的架構，如圖8所示，可根據被測點的分布調整測試設備的位置，將測試設備放置于更加靠近被測點的位置，簡化線纜連接并提高測量精度，從試驗間到操縱測試間只需布網線即可。

3.2? 全系統精密同步

本數據采集系統主要基于LXI設備組建，同時包括PSI壓力測量模塊，采用IEEE-1588的時鐘同步方式。要采集的數據信號主要來自LXI總線的EX1000A系列、PSI9116系列，另外還包括發動機的控制器、測功器等設備。通過EX2500A進一步傳遞信號到其他設備和LXI設備，以保證各設備之間的硬件采集同步，保證LXI設備內的數據同步是所有數據同步的基礎。

設備同步過程如下，IEEE-1588的時鐘同步在網絡中選擇EX2500A設備儀器作為主時鐘儀器，主時鐘向所有從時鐘發出一個同步信息包，而且這個信息包中包含有信息發出的精確時間，用于同步觸發EX1000A設備，同時EX2500A可以輸出一個TTL信號，該信號可以控制所有的PSI機箱，由一個TTL信號觸發分支器將信號傳給所有的PSI設備，使其具備同時觸發的能力。開始采集時，由采集軟件發送一個觸發指令給EX2500A設備，其后執行以上觸發流程。[4]

LXI設備的EX1000A系列和EX2500A 均支持時鐘同步信號，故LXI部分和其他設備部分通過IEEE-1588的時鐘同步實現同步觸發。其他系統同步觸發信號的輸入/輸出通過EX2500的Trigger In/Out接口來實現。這樣使得系統中各個子系統實現同步觸發。因此，該LXI系統最大的特點是基于IEEE1588精密時鐘同步的觸發機制，使得該系統在數據精確同步性問題上能夠滿足設計要求。

4? 結? 論

本文研究了LXI總線的特點，并且組建了一套基于LXI總線設計的大型測試系統，系統運行良好，吞吐率及精度均滿足要求，達到了該試驗臺改造技術要求。

LXI總線具有高吞吐率、形式靈活等特點，且它的最關鍵的技術是采用了IEEE-1588網絡時鐘同步協議，很好地解決了同步觸發的問題，這就可以在各種大型的測試系統和遠程分布式的測試應用中發揮非常顯著的作用，這是其他總線所不具備的優勢。LXI具有的關鍵技術分布式結構和全系統精密同步，使得LXI可以成為下一代測試系統中最重要的支撐，因此，在以后構建的新的測試系統中，LXI技術必將得到更廣泛的研究和應用。

參考文獻：

[1] 李行善，梁旭，于勁松.基于局域網的自動測試設備組建技術 [J].計算機測量與控制，2006（1）：1-4.

[2] 袁亞麗，張侃諭，王生學，等.基于LXI網絡的溫室分布式控制系統設計分析 [J].機電一體化，2006（2）：50-52.

[3] 汪曉東.新一代組合儀表的自動測試系統發展方向 [C].//中國計算機學會.第十四屆全國測試與故障診斷技術研討會論文集，2005：7-11.

[4] 黃云水，馮玉光.IEEE1588精密時鐘同步分析 [J].國外電子測量技術，2005（9）：9-12.

作者簡介：劉澤暉（1987-），男，漢族，湖南邵陽人，主管設計師，工程師，碩士研究生，研究方向：航空發動機試驗測試。