2m×2m超聲速風(fēng)洞測量系統(tǒng)與運(yùn)行管理系統(tǒng)研制

李 平，芮 偉，秦建華， 唐 亮，周 波

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

2m×2m超聲速風(fēng)洞（以下簡稱：2m超風(fēng)洞）是為了適應(yīng)中國先進(jìn)超聲速飛行器研制發(fā)展的需要，提高中國高速風(fēng)洞超聲速模擬試驗(yàn)?zāi)芰Χ陆ǔ傻母咚亠L(fēng)洞，該風(fēng)洞與2.4m×2.4m跨聲速風(fēng)洞相互銜接配套，形成2m量級的亞、跨、超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)平臺，彌補(bǔ)中國高速風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備存在的尺寸偏小、試驗(yàn)Ma數(shù)范圍較窄、試驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔愕葐栴}，其建成投運(yùn)對于提升中國國防特別是航空航天領(lǐng)域的研發(fā)能力有著非常重要的意義。其中測量系統(tǒng)與風(fēng)洞運(yùn)行管理系統(tǒng)是風(fēng)洞開展氣動試驗(yàn)的重要子系統(tǒng)，測量系統(tǒng)信號測量的精準(zhǔn)度將直接影響氣動試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣將影響風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行可靠性、試驗(yàn)效率和自動化程度。同時，2m超風(fēng)洞還要求測量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)海量交互數(shù)據(jù)。因此，如何優(yōu)化測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高自動化程度以及增強(qiáng)信息交互的能力成為了項(xiàng)目研制的關(guān)鍵。

1 研制內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)

1.1 研制內(nèi)容

主要包括風(fēng)洞測量系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、開發(fā)和風(fēng)洞運(yùn)行管理系統(tǒng)研制。運(yùn)行管理系統(tǒng)主要由風(fēng)洞運(yùn)行操作系統(tǒng)和風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成，以軟件研制為主。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

· 測力試驗(yàn)

（1）精度：0.02%；（2）量程：±10V，可程控；（3）分辨率：18位；（4）采樣速率：39kS／s／CH，可程控；（5）增益：1～2000倍；（6）增益精度：0.02%；（7）濾波：0.5、1、2、10、100Hz；（8）采樣通道：64差分輸入。

·測壓試驗(yàn)

（1）精度：0.03%；（2）測壓點(diǎn)數(shù)：768點(diǎn)，可擴(kuò)充至2048點(diǎn)。

·測控系統(tǒng)信息交互

信息吞吐量：20Mbps。

2 系統(tǒng)研制方案

2.1 測量系統(tǒng)

2.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對測力天平、氣流參數(shù)等進(jìn)行采集，由天平、傳感器等一次儀表、前置信號調(diào)理器、信號采集（A／D轉(zhuǎn)換）系統(tǒng)、測量系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)等組成。系統(tǒng)采用GE公司的反射內(nèi)存技術(shù)構(gòu)建實(shí)時網(wǎng)絡(luò)，選用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用NI公司的LabVIEW及LabVIEW RT模塊進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)的總體研制方案［1］。其中，信號采集（A／D轉(zhuǎn)換）位于風(fēng)洞現(xiàn)場，減少了模擬信號遠(yuǎn)距離傳輸帶來的干擾。具體選用美國NI公司PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（PXI－1044PXI機(jī)箱、PXI－8108RT嵌入式控制器、PXI－6284數(shù)據(jù)采集板）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Sketch of system architecture

數(shù)據(jù)采集軟件主要用于采集、分析并保存風(fēng)洞中天平、傳感器等一次儀表信號，其產(chǎn)生的試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)處理程序，由數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算氣動力（矩）及氣動系數(shù)等試驗(yàn)結(jié)果。包括主機(jī)LabVIEW程序（測量系統(tǒng)管理軟件）和RT嵌入程序兩部分，主機(jī)程序運(yùn)行在Windows XP操作系統(tǒng)下；RT嵌入程序運(yùn)行在RT嵌入式控制器中。其中，對于事務(wù)管理部分的程序模塊在主機(jī)程序中實(shí)現(xiàn)，對于實(shí)時性要求高的程序模塊如PXI數(shù)據(jù)采集、反射內(nèi)存卡通訊等在RT嵌入式控制器中實(shí)現(xiàn)。主機(jī)程序和RT嵌入程序通過網(wǎng)絡(luò)共享變量進(jìn)行通訊。

數(shù)據(jù)采集軟件包括資源管理、系統(tǒng)校準(zhǔn)、試驗(yàn)準(zhǔn)備、風(fēng)洞試驗(yàn)、系統(tǒng)工具、系統(tǒng)幫助等功能模塊。

2.1.2 壓力測量系統(tǒng)

選用美國PSI公司的帶數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)腜SI 8400DTC系統(tǒng)進(jìn)行模型表面壓力測量，壓力測量軟件主要用于對PSI 8400DTC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督管理，實(shí)現(xiàn)壓力測量，主要包括系統(tǒng)初始化、零點(diǎn)校準(zhǔn)、全程校準(zhǔn)，系統(tǒng)自檢，風(fēng)洞試驗(yàn)等功能模塊。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序包括測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序和測壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序。

測力試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)數(shù)據(jù)采集軟件采集的總靜壓傳感器、溫度傳感器以及天平電壓值，計(jì)算出Ma數(shù)、力、力矩等數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目研制的數(shù)據(jù)處理程序滿足單天平體軸校常規(guī)及大迎角縱橫向測力試驗(yàn)、常規(guī)及大迎角縱向測力試驗(yàn)、大迎角大側(cè)滑角縱橫向測力試驗(yàn)、模型與天平同轉(zhuǎn)90°的測力試驗(yàn)的需求。包括讀原始數(shù)據(jù)、天平管理、參數(shù)管理、天平迭代計(jì)算、氣流參數(shù)計(jì)算、結(jié)果數(shù)據(jù)輸出等功能。

測壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)壓力測量軟件采集的模型表面壓力，計(jì)算壓力系數(shù)及其它相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.2 運(yùn)行管理系統(tǒng)

2m超風(fēng)洞運(yùn)行管理系統(tǒng)主要包括運(yùn)行操作系統(tǒng)軟件和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

2.2.1 運(yùn)行操作系統(tǒng)軟件

運(yùn)行操作系統(tǒng)軟件運(yùn)行于控制系統(tǒng)運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)中，通過測控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)核心控制系統(tǒng)PXI－8108RT嵌入式控制器通信，主要完成風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行、操作、控制以及參數(shù)配置等工作。軟件按照功能要求分成資源管理、子系統(tǒng)單動、試驗(yàn)吹風(fēng)以及數(shù)據(jù)分析4個部分。主要包括系統(tǒng)配置、資源管理、傳感器管理、報警參數(shù)管理、A／D通道板和I／O管理、全模迎角控制、主調(diào)壓閥、旁路閥及快速閥控制、引射器調(diào)壓閥及快速閥控制、準(zhǔn)備狀態(tài)檢查、固定Ma數(shù)連續(xù)變迎角試驗(yàn)控制、固定Ma數(shù)階梯變迎角試驗(yàn)控制、安全聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)錄入與檢索、數(shù)據(jù)處理等14個模塊以及傳感器校準(zhǔn)等30余個子模塊。

2.2.2 狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件

風(fēng)洞狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行于狀態(tài)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)中，通過測控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與其它控制子系統(tǒng)通訊：（1）與撓性噴管型面現(xiàn)場控制計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)對4＃油源及撓性噴管的型面預(yù)置控制參數(shù)的給定與反饋狀態(tài)的實(shí)時顯示；（2）與風(fēng)洞現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)控PLC S7－300通訊，實(shí)現(xiàn)對1＃～3＃油源的控制與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、超擴(kuò)段調(diào)節(jié)片控制與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、安全聯(lián)鎖控制、補(bǔ)償段工作門升降控制、充氣密封控制、快速連接與噴管段側(cè)壁移動控制、主快速閥電動閘閥控制、引射快速閥電動閘閥控制等；（3）與風(fēng)洞運(yùn)行管理系統(tǒng)通訊，完成重要參數(shù)的傳遞和試驗(yàn)準(zhǔn)備工作。軟件包括試驗(yàn)實(shí)時顯示、超擴(kuò)段運(yùn)行控制與狀態(tài)監(jiān)測、油源系統(tǒng)運(yùn)行控制與狀態(tài)監(jiān)測、快速連接運(yùn)行控制與狀態(tài)監(jiān)測、安全聯(lián)鎖控制與狀態(tài)監(jiān)測、撓性噴管運(yùn)行控制與狀態(tài)監(jiān)測等功能模塊。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決途徑

3.1 測控系統(tǒng)實(shí)時通訊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2m超風(fēng)洞作為一座2m量級高速風(fēng)洞，其試驗(yàn)危險性大、能耗高，對風(fēng)洞測控系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中的信號傳輸和信息交換的實(shí)時性和同步性要求較高；同時為下一步開展連續(xù)變迎角等試驗(yàn)需要，要求測控系統(tǒng)高速實(shí)時地記錄氣流參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)。采用普通的以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息交互時，延遲為ms量級，無法滿足要求。該系統(tǒng)采用反射內(nèi)存技術(shù)實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)實(shí)時、同步地交換試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如總壓、總溫、大氣壓和模型底壓等）信息。通過在核心控制系統(tǒng)PXI機(jī)箱和測量系統(tǒng)PXI機(jī)箱中分別插入一塊GE公司的VMIC5565反射內(nèi)存卡，構(gòu)建實(shí)時網(wǎng)絡(luò)。VMIC反射內(nèi)存技術(shù)是一個實(shí)時的基于全局共享內(nèi)存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（見圖2），其所有工作都是由硬件完成的，加上采用光纖傳輸介質(zhì)，因此可以達(dá)到數(shù)十兆字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸率和百納秒級的數(shù)據(jù)傳輸延遲，更重要的是這種網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲是確定的和可以預(yù)期的，這是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)難以達(dá)到的［2］。

圖2 反射內(nèi)存技術(shù)全局共享內(nèi)存示意圖Fig.2 Sketch of reflective shared－memory

3.2 主機(jī)和對象系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運(yùn)行操作系統(tǒng)上位管理計(jì)算機(jī)安裝了NI LabVIEW實(shí)時模塊，RT對象系統(tǒng)是NI PXI－RT嵌入式控制器。因此，整個軟件采用主機(jī)和對象系統(tǒng)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)見圖3。主機(jī)應(yīng)用程序運(yùn)行在主機(jī)上，運(yùn)行非確定性任務(wù)，主要工作包括：通過前面板方式實(shí)現(xiàn)與RT對象應(yīng)用程序的通訊；用戶接口參數(shù)和數(shù)據(jù)的設(shè)定和獲??；數(shù)據(jù)記錄與分析以及數(shù)據(jù)向其它系統(tǒng)的傳輸。對象應(yīng)用程序運(yùn)行在RT對象系統(tǒng)上，采用搶占優(yōu)先級進(jìn)程方式。進(jìn)程可以嚴(yán)格確定執(zhí)行時間，且在一個進(jìn)程中可以使用帶優(yōu)先級的多個線程。

圖3 主機(jī)和對象系統(tǒng)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of host and application system

該項(xiàng)目測量系統(tǒng)管理軟件和運(yùn)行操作軟件運(yùn)行在上位機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的共享變量向核心PXI系統(tǒng)發(fā)送控制指令，而核心系統(tǒng)軟件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的共享變量上傳數(shù)據(jù)采集結(jié)果和總壓控制與執(zhí)行系統(tǒng)、引射器壓力控制與執(zhí)行系統(tǒng)、全模型迎角控制與執(zhí)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

采用這種體系結(jié)構(gòu)確保了核心系統(tǒng)測量、控制的實(shí)時性，確定性，存在的問題是各子系統(tǒng)間存在大量的數(shù)據(jù)接口，信息交換頻繁，在軟件設(shè)計(jì)時必須充分考慮、采取合理的通訊方式及數(shù)據(jù)格式。子系統(tǒng)間信息交互方式見圖4。

圖4 子系統(tǒng)間信息交互方式Fig.4 Style of information communication with subsystem

3.3 軟件工程思想貫穿項(xiàng)目研制

該項(xiàng)目完成了測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理程序、風(fēng)洞運(yùn)行操作軟件、狀態(tài)監(jiān)控軟件等的研制工作，對于這么大的系統(tǒng)，如果在功能需求不是很清楚的情況下就迫不及待地開始編寫代碼，編碼之前毫無計(jì)劃，肯定會遇到諸如程序變得越來越龐大臃腫，后期的一些小改動可能牽涉到全局的改動等問題［3］。為了做好該項(xiàng)目軟件，項(xiàng)目組實(shí)施了軟件過程管理，用軟件工程的思想指導(dǎo)該項(xiàng)目軟件開發(fā)，歷經(jīng)了需求分析、軟件設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試等階段，每個階段都進(jìn)行了評審并產(chǎn)生相應(yīng)的技術(shù)文檔。

4 調(diào)試結(jié)果

該項(xiàng)目2008年開始設(shè)計(jì)，2010年1月完成了測量系統(tǒng)硬件集成及測量系統(tǒng)、運(yùn)行管理系統(tǒng)軟件在地面的調(diào)試工作，5月成功應(yīng)用于2m超風(fēng)洞通氣試驗(yàn)，截至2011年3月，已完成多期風(fēng)洞調(diào)試試驗(yàn)，一期標(biāo)模和型號試驗(yàn)；圖5給出了中法標(biāo)模試驗(yàn)結(jié)果比較。

主要結(jié)論如下：

① 通過GBM－04標(biāo)模試驗(yàn)及與2.4m跨聲速風(fēng)洞、法國S2風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較可以看出，2m超風(fēng)洞的試驗(yàn)精度與2.4m風(fēng)洞、法國S2風(fēng)洞基本一致，試驗(yàn)精準(zhǔn)度均達(dá)到或接近國軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)；

圖5 中法標(biāo)模試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.5 Standard model test data comparisons between 2mSWT and S2MA

② 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，功能完善，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)；

③ 采用RT嵌入式技術(shù)，實(shí)時響應(yīng)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐率高；

④ 在風(fēng)洞現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)采集，減少了信號線路遠(yuǎn)距離傳輸帶來的干擾，系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性較高；

⑤ 系統(tǒng)軟件豐富，應(yīng)用軟件功能齊全 ，通用性好；操作界面友好、快捷，使用維護(hù)方便。

5 結(jié)束語

2m超風(fēng)洞測量系統(tǒng)與運(yùn)行管理系統(tǒng)通過課題組人員的共同努力，先后完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、硬件集成、安裝與調(diào)試，系統(tǒng)軟件開發(fā)嚴(yán)格按軟件工程思想進(jìn)行過程管理。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求。

［1］ 陳錫輝.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［2］ 徐琦.基于反射內(nèi)存網(wǎng)的多飛行模擬器時間同步［J］.火力與指揮控制，2009，34（11）：164－167.

［3］ 朱少民.軟件過程管理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［4］ 惲起麟.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差與修正［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

［5］ 趙特偉.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析［M］.北京：中國鐵通出版社，1981.