基于反射內存網絡的風洞測量系統狀態監測系統設計

賈 霜，蒲 麒，鄧章林，鄧曉曼，鄭 磊

(1.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000 2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

1.2米×1.2米半回流暫沖式跨超聲速風洞(以下稱1.2米風洞)是我國自行設計和建造的一座半回流暫沖式跨超聲速風洞[1]，自建成以來，該風洞測量系統進過幾次設備升級和技術改進，設備數量逐漸增多，但受限于設備位置比較分散，雖然也采取了一些監測手段，但總體上來看，具有以下不足：1)監測面覆蓋不全，對重要的采集設備關注多，對附屬輔助設備如供電電源和超擴段壓力缺少監測；2)監測手段缺乏，僅僅局限于設備已有的監測能力，比如吹風過程只能看見基本的流場壓力和機構角度，對天平的載荷監測缺失；3)各設備監測比較零散和碎片化，缺乏系統性設計，各設備相對獨立，自成系統；4)監測數據管理效率低下，數據格式多樣，存放分散，形成信息孤島，不便于數據的查詢和分析。

反射內存網絡是一種基于高速網絡的共享內存技術的實時網絡,具有嚴格的傳輸確定性和可預測性，可靠性高、傳輸速度快、平臺適應性強、支持中斷信號傳輸等特點[3]。

針對以上風洞測量系統現有不足，結合反射內存網絡特點，研制一套測量系統狀態監測系統，將設備狀態信息進行集中采集、處理、存儲，實現對測量系統各設備全過程的狀態檢查、性能確認、實時監測和數據分析等功能，為風洞試驗的順利進行提供有力支撐。

1 反射內存網絡

反射內存網絡(Reflective Memory Network)是一種高速的、強實時性、傳輸確定性和可預測性的實時網絡[4]，支持不同總線結構的多計算機系統，并且可以使用不同的操作系統來共享高速的、穩定速率的實時數據。其實現方法是在每個節點(可以是計算機，也可以是總線系統)上插入一塊對應接口的反射內存卡，卡與卡之間通過光纖連接成環型網絡或者星型網絡。當一張反射內存卡上的數據寫入或更新后，反射內存卡自動地通過光纖將更新后的數據映射到連接在網絡上的其他反射內存卡的內存里，其他的反射內存卡上的數據將同步更新，數據更新的時間僅僅是納秒(ns)級，而各節點在訪問這些共享數據時，只要訪問本地的反射內存卡中的內存即可。反射內存卡使用簡單的讀寫方式，網絡上的數據傳輸全部由硬件(反射內存卡/交換機)完成，不需要考慮網絡的通信協議，簡單的軟件操作即可實現對反射內存卡的讀、寫操作。

反射內存網絡主要有兩種連接方式，一種是星型連接，另一種是環形連接，具體見圖1。

(a)星型連接

星型連接的特點是所有節點通過光纖連接到反射內存交換機上，共享數據的交互通過反射內存交換機實現，可靠性和靈活性較高，一個節點發生故障，不會影響整個反射內存網絡，反過來，若交換機發生故障，則整個網絡將失效。環形連接的特點則是各節點形成一個環形網絡，每個節點接受上一節點的數據并將數據傳輸到下一節點，缺點是若某節點發生故障，則整個網絡將失效。綜合比較二者特點及經濟性考慮，本系統選用環形連接反射內存網絡。

2 基于反射內存網絡的狀態監測系統

2.1 硬件系統設計

2.1.1 硬件系統總體方案

風洞測量系統一般包含一次儀表、二次儀表(檢測系統)、前端信號調理器和相應的管理上位機等[2]。一次儀表完成物理信號到電信號的轉變，在風洞中，一次儀表主要有壓力傳感器、溫度傳感器、角度傳感器及天平等。二次儀表也叫數據采集系統，主要有VXI系統、PXI系統、壓力掃描閥系統。本文描述的測量系統中，壓力傳感器1、角度傳感器1信號進入VXI核心控制系統，為風洞的流場調節和模型姿態控制提供原始數據；壓力力傳感器2、角度傳感器2、溫度傳感器和天平信號等進入PXI數據采集系統，為風洞流場計算和模型氣動力計算提供原始數據；模型表面壓力數據采集則通過電子掃描閥系統完成，以上3個系統屬于風洞已有的系統。而測量系統狀態監測系統(以下簡稱監測系統)將以上系統進行整合，全面納入監測范圍，實現對測量系統所屬設備全方位、全時段的監測，通過在以上3個系統的上位機和監測系統上位機之間安裝反射內存卡建立環形反射內存網絡，實現數據共享。此外，風洞超擴段的壁面壓力傳感器和設備供電電源則通過RS232/485串口連接至串口服務器，直接在監測軟件界面顯示。整個測量系統的狀態監測系統結構框圖見圖2。監測系統上位機作為反射內存網絡中的關鍵設備，完成反射內存數據的收集、處理、顯示和存儲。所有數據最后寫入數據庫，便于后期的查詢、數據分析和故障排查。

圖2 測量系統狀態監測系統結構框圖

2.1.2 反射內存卡

反射內存卡選用中科泛華PS PCI-3550卡，它是基于PCI總線，板載512MB DDR II內存，可以在局域網互連的多達128個計算機間提供高速的數據傳輸共享，數據速率最高支持170 MB/S，并提供極低的通信延遲，支持環形網絡；斷網自動恢復及網絡初始化；支持多模光纖，適用于分布式仿真與測試的高帶寬數據的交互和高速測試場合。提供Windows(XP及以上)系統下驅動及范例程序，支持VxWorks、Linux等操作系統；提供標準的LabVIEW庫文件及DLL動態鏈接庫，支持LabVIEW、VC、VB、Delphi、CVI等標準開發平臺。

系統一共采用4張PCI總線的反射內存卡，使用時，在每臺節點(上位機)上插入一塊PCI-3550反射內存卡，安裝相應的板卡驅動，并將各節點通過光纖連在一起，即構成了測量系統反射內存網絡。需要注意的是卡與卡之間的光纖連接要注意方向性，即每張反射內存卡的發送端口和要與下一節點的接收端口相連接，而接收端口則與上一節點的發送端口相連。

2.1.3 壁面壓力傳感器

壁面壓力監測點共有18個，如果采用模擬輸出信號的傳感器，則目前現有的采集系統通道數量無法滿足，因此選用數字式壓力傳感器。根據風洞運行壓力及監測實時性要求，選用HM29系列的絕對壓力傳感器，量程0～200 kPa，分辨率20 bit，精度±0.25%FS，采樣率10 Hz，RS485輸出，補償溫度范圍-10～60 ℃。

2.1.4 串口服務器

串口服務器主要實現對壁面壓力傳感器數據的采集直流電源設備信號的采集。選用卓嵐ZLAN5G00A串口服務器，有16個串口，RJ45形式，支持RS232/485/422，16個串口可獨立全雙工工作，互不干擾，可配置為不同的波特率，每一個串口可作為TCP服務端、TCP客戶端、UDP、UDP組播等。另外還有4個網口，可當交換機使用。系統一共配置2臺串口服務器。

2.2 軟件系統設計方案

軟件系統包括各上位機的軟件系統，其中VXI系統、PXI系統和電子掃描閥系統的上位機軟件只需在管理軟件中加入對所屬反射內存卡的配置、讀寫等操作環節即可。而監測系統軟件還需要實現對反射內存網絡系統節點配置、反射內存卡管理、數據讀寫邏輯關系管理，以及共享數據的處理、顯示、存儲和后期的查詢回放等，本文著重介紹監測系統軟件的實現。監測系統軟件在Windows7操作系統下使用圖形化編程軟件LabVIEW 2015編寫，數據庫采用SQL Server 2012。

2.2.1 反射內存卡設置

PCI-3550反射內存卡配套光盤里有驅動程序，運行安裝程序時，注意要安裝配套的組件，工具包提供了支持C和LabVIEW的開發庫以及相關的工具、文檔和事例，具體見圖3。

圖3 反射內存卡安裝組件選項

利用自帶的管理軟件可以查看反射內存卡卡的基本信息并進行配置。驅動程序安裝完成后，可以在安裝目錄下找到P3550.h、P3550.dll、P3550.lib等文件，文件里包含了板卡的相關操作函數，主要有四大類：

1)基本設備操作，如：初始化設備、打開設備、關閉設備、設備復位、獲取設備屬性等。

2)配置設備，如：分配/釋放內存映射、檢查環網建立、獲得板卡ID、獲得節點數量等。

3)數據傳輸，如讀取/寫入數據、查詢數據、更新數據等。

4)中斷事件，如使能事件、屏蔽事件、發送事件、等待事件及清空事件等。

2.2.2 反射內存卡數據寫入

以VXI系統為例，該節點的任務是將采集的傳感器數據和攻角數據寫入反射內存卡，供狀態監測軟件上位機讀取，該節點的上位機軟件采用LabWindows/CVI編寫，具體的操作過程及相關函數見圖4。

圖4 板卡操作流程

在操作板卡時，首先要定義設備句柄變量，并在其他引用該句柄的文件中定義為外部變量方可正常操作板卡，外部變量的定義格式為：

extern PS_DevHandle hDevice;

extern PS_DevInfoHandle pDevInfo;

2.2.3 反射內存卡數據讀取

監測系統軟件的核心功能就是將其他節點的共享數據進行讀取、換算成相應的物理量值，以圖表、曲線等方式顯示出來并寫入數據庫。該軟件采用LabVIEW2015編寫，LabVIEW軟件是NI公司推出的圖形化語言開發環境，廣泛地的應用于工業界、學術界和實驗室，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器控制平臺。

安裝PCI-3550驅動后，在軟件項目里載入的動態鏈接庫(DLL)文件，相關的操作會出現在前面板上，見圖5。

圖5 PCI-3550函數選板

每個選項都是以子vi的形式進行了封裝，以獲取板卡信息為例，根據槽位號識別反射內存卡ID并作為后期其他操作的唯一句柄，板卡被識別后，可以讀取板卡ID，并將錯誤信息輸出供操作人員查看。其程序框圖見圖6。

圖6 獲取P3550板卡信息子vi

2.2.4 天平載荷計算及顯示

天平是風洞測力試驗中各種氣動力測量的主要設備。本文中，天平數據通過PXI系統上位機寫入反射內存卡，監測系統上位機讀取本機反射內存卡內容，進行迭代計算，當迭代收斂時，則迭代結果即為天平載荷。其實現原理見圖7。

圖7 天平載荷計算實現原理圖

天平載荷的計算是通過調用banlance子VI模塊來實現的。在風洞試驗過程中，天平載荷被實時的計算出來并投影在大屏幕上，既顯示天平的實時載荷，也以天平的實測值與設計載荷的百分比這種更直觀的形式顯示出來，便于崗位人員觀察天平工況并快速確認天平的工作狀態。顯示的設計原則是：如果天平載荷超出量程范圍，則顯示的顏色會根據載荷大小的百分比以不同顏色顯示，當載荷為100%時顯示黃色，達到120%時顯示橙色，超過120%則顯示為紅色，崗位人員可以根據顏色的不同快速直觀的得出天平的工作狀態，以便采取相應的緊急措施保護模型和天平的安全。

2.2.5 過程數據存儲管理

監測系統軟件除了實時計算顯示數據外，另一個更重要的功能是歷史數據的追溯，便于通過對過程數據的分析，識別出設備性能狀況，并在氣動數據分析和設備故障排查中提供最直接的數據支撐。為了實現數據的管理，監測系統軟件將試驗過程數據以車次號作為關鍵字存入數據庫，數據庫采用SQL Server 2012。SQL Server數據庫具有更好的安全性和高可用性，具有快速的數據訪問和數據發現功能，為后期的歷史數據分析提供了數據支撐。

風洞試驗過程數據存儲在表TestDataTable中，該表的字段包含車次號，試驗時間、試驗基本信息、壓力數據信息、天平載荷信息等，表字段的設計見圖8，其中車次號設置為主鍵，不能為空。表的字段名稱可以以中文命名，在不影響數據庫訪問效率的同時提升了可讀性。

圖8 數據庫表的設計

3 狀態監測系統實現及應用效果

3.1 監測軟件主界面

監測軟件主界面包含風洞運行過程的相關信息，主要有：當前試驗車次基本信息、實時流場信息、天平載荷、傳感器壓力值、電源值和超擴段壁面壓力值等，這些信息以文本、曲線、圖表等方式顯示。顯示界面按照功能區域劃分，一共有6個功能區：試驗信息區、流場信息區、天平信息區、底壓信息區、壁面壓力區和電源監測區域其中天平載荷以實際載荷與設計載荷的百分比顯示，便于觀察天平工作狀態。如圖9所示。

圖9 監測軟件主界面

3.2 數據查詢與回放

歷史數據查詢支持單車次和多車次查詢。單車次查詢時，可以顯示多變量隨著某個變量(如時間)的變化關系曲線，不同變量以不同顏色區分；多車次查詢時，可以顯示不同車次的同一變量隨著某個變量(如時間)的變化規律，方便分析數據和故障排查。如圖10所示，顯示4個車次的攻角隨著時間的變化關系。

圖10 數據回放查詢界面

3.3 應用效果

測量系統狀態監測系統研制完成后一直應用于風洞試驗中，運行期間，設備工作正常，實時性好，數據傳輸快速準確，軟件運行良好，占用內存低，無卡頓，操作方便，實現了測量系統設備監測自動化。試驗過程中，流場信息、天平載荷數據以及超擴段壁面壓力數據實時顯示，便于崗位人員監控風洞運行狀態，以及在異常情況下采取緊急措施，從而確保測量系統設備及風洞試驗的安全。后期的數據查詢與分析功能，為崗位人員掌握測量系統設備性能狀態提供了幫助，應用效果明顯。

系統運行在某項風洞試驗期間，由于模型條件的改變和姿態角的變化，天平出現超載，載荷百分比變化超過120%，崗位人員及時采取緊急措施關閉風洞，保護了模型和天平的安全。

4 結束語

測量系統狀態監測系統整合現有設備資源，搭建了反射內存網絡，克服測量設備物理上的分散，實現了測量全系統實時監測的目的。監測軟件利用LabVIEW強大的設計功能和數據庫實現了友好的用戶界面和數據管理。設備出現異常時，監測系統均能及時報警，系統實時性和可靠性均有可靠保證。

1.2米風洞測量系統狀態監測系統的成功研制和應用，實現了對測量系統全方位、全時段的監測，監測過程數據可追溯，為風洞試驗的數據分析以及故障排查提供了數據支撐，為風洞試驗的安全運行提供了可靠保障。