基于LabVIEW的颤振激励信号生成与测试系统研究

冉景洪，赵 玲，季 辰，刘子强

（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）

基于LabVIEW的颤振激励信号生成与测试系统研究

冉景洪，赵 玲，季 辰，刘子强

（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）

基于NI公司的数据采集硬件设备，结合跨音速风洞颤振试验特点，用LabVIEW语言为颤振试验设计了一套激励信号生成与多通道同步动态信号采集系统。设计的系统成功实现了新型IEPE传感器和传统电荷式传感器兼容、加速度信号与应变信号同步采集、激励信号生成与多通道数据采集同步、直接内存读取数据、数据无限时存盘、信号实时显示等方面的功能。经试验验证，该系统设计方案完全满足颤振试验数据采集的要求，获得良好的测试结果，在多功能同步采集系统设计方面取得了技术性应用成果。

颤振试验；信号生成；数据采集；风洞试验；LabVIEW语言

1 引 言

气动弹性问题的研究对设计高性能飞行器有着举足轻重的作用。特别是近空间高超音速飞行器，它有广阔的飞行包线，并对结构重量有着严格的限制，大量使用超轻质、高强韧材料，因而机体整体和部件的柔性变形不可忽略。它还需要经历长时间气动加热的影响，一方面导致结构材料的机械性能变化，另一方面气动加热产生的热应力对结构振动和气动弹性特性都会产生复杂的影响[1-2]。基于这些原因，气动弹性研究特别是颤振、抖振和发散现象的研究就显得更加重要。

众所周知，理论分析、试验探索和数值计算三种研究手段中，试验分析是获得新型结构特性和气动性能的最可靠的手段。考虑到风洞试验流动速度高、干扰大、试验空间小、颤振现象发生时间不确定等因素的存在，一套性能优异、功能齐全的数采系统必然也就成了试验研究中必不可少的工具。

气动弹性试验特别是颤振试验需要测量的参数比较多，通常要求在具备生成激励信号功能的同时，还要能够同步地采集力、多通道的加速度以及应变信号。为了捕捉颤振现象发生时的响应特性，还要求数采系统能够不限时间地连续采集和存储，并实时显示与监测分析，这对硬件定时的高速采集、数据存储的可靠性都提出了很高的要求。该文针对气动弹性研究中的颤振试验用LabVIEW语言为相应的硬件设备设计了一套激励信号生成与多通道同步的动态信号采集系统，经试验验证该设计方案满足试验要求。

2 颤振试验对数据采集系统的要求

（1）颤振试验常需要对模型输入激励信号，故数据采集系统须具备信号生成功能，将生成的信号通过功放后输入激振器激励模型振动。

（2）试验中必须记录下激振器传给模型的激励力。因此，要能够采集力信号。与此同时，模型的振动响应将以加速度和应变的形式输出，数采系统还要能够同时采集快速响应的加速度信号和缓慢变化的应变信号。

（3）数据分析理论要求激励源、力、加速度和应变信号同步采集，且因试验中可能同时使用或在不同实验室用分别使用传统电荷式和新型IEPE两种加速度传感器，还要求数据采集系统具备兼容带激励电流测量和不带激励电流的测量这两个功能。

（4）为捕捉颤振现象发生时刻的响应特性，数据采集必须能够实时记录整个非定常的试验过程，包括所有物理量变化过程和时间同步，即要实现大量数据的无限时高速流盘，并实时同步地显示流动参数变化情况，以便监测之用。

（5）由于试验中流速较高，风洞振动和环境干扰比较大，因此要求系统具备较高的抗干扰能力。

3 试验硬件设备

激振器（含功放）1台、ENDEVCO牌IEPE力传感器1只及IEPE加速度传感器2只、BK牌电荷式加速度传感器及电荷放大器1套、已贴好2路全桥应变桥的机翼模型、NI公司PXI-1042机箱1台、PXI-8106嵌入式控制器1块、PXI-4461信号生成与快信号采集卡1块、PXI-4462快信号采集卡1块、PXI-4220应变信号采集卡2块，具体连接情况如图1所示。

图1 试验设备连接示意图

4 系统结构及关键技术

因PXI构架采用了PC技术，保持了PC总线技术的优点。同时，NI公司的PXI平台坚固耐用[3]。因此，设计方案采用了结构化和模块化设计原则，建立了一套基于PXI总线的数据采集系统。其关键技术描述如下：

4.1 任意波形信号的生成

颤振试验有时需对模型进行激振，常用的有正弦、脉冲和随机白噪声等激励信号，LabVIEW语言都有这些信号的库函数[4]。该文调用LabVIEW动态链接库中的模块Waveform Buffer Generation.vi子VI来实现信号生成。其工作原理如下：先基于PXI-4461采集卡Buffer（板卡内存而非计算机内存）的最大尺寸以数据个数的形式定义一个合适的使用空间Samples Per Buffer后，结合物理概念定义这个Buffer内全部数据是多少个周期即Cycles Per Buffer，同时给幅值、相位或白噪声相关参数等赋值；程序运行后先生成Samples Per Buffer个数据存入板卡Buffer后，由板件硬件时钟按指定速率发给DA转换器，从而生成指定波形的激励信号，见图2。

图2 信号生成模块的程序框图

4.2 电荷式传感器与IEPE传感器的兼容

电荷式加速度传感器在使用过程中产生的电荷需经专门的电荷放大器后才能输出电压；而IEPE传感器则是一种自带集成电路芯片的新型传感器，可在恒流激励下感应加速度后直接输出电压。LabVIEW语言根据这一原理分别为它们设计了不同的库函数，故使用两者在同一系统中测量加速度时需区别对待。

该文设计兼容性时用LabVIEW的Case选择结构在所有通道上都加入了选择按钮，要求指明输入信号的传感器类型。具体设计时对每块多通道采集卡的独立功能建一个任务，用数组的一个元素（簇）描述一个通道，该簇可记录每通道的信息，比如输入数值或输入属性等，循环执行即可形成一个数组，与任务对应。用户在前面板界面上滑动水平滚动条指定通道（对应一个簇元素），再根据传感器实际连接情况指定输入信号类型后（DSA Input Type）就可调用LabVIEW的不同库函数来驱动硬件进行数据采集工作，从而就可以在采集中同时使用两种传感器了，如图 3（a）～图 3（d）所示。

4.3 信号生成与多通道信号采集的同步

获取同步信号是物理研究的基础，也是衡量数采系统性能的重要指标。采样频率、时钟和触发源都相同是同步采集的基础，分3种情况：

图3 电荷式传感器与IEPE传感器的兼容方案

（1）信号生成与数采同步。PXI-4461是一块既能生成信号，又能采集动态信号的高性能采集卡。该文将两个功能各自指定一个Task后，在共享时基和触发源的情况下指定相同的采样率就实现了生成与采集同步。

（2）快变化信号采集卡之间同步。PXI-4461和4462属同系列板卡，都使用过采样时钟原理进行工作，每块板卡各有一个时钟系统，故需将两种板卡共享同一时基和同一触发源后，再指定相同采样率才能实现同步采集。注意，只能用PXI-4462作主卡插入机箱的Slot2插槽，即共享4462的时基和触发源，反之则不行。因PXI-4461的时基在输出到信号生成和采集两个Task后就没有多余线路将时基输出到PXI总线用于共享了；而PXI-4462作主卡后，其时基除了输出到自身信号采集Task后，还有条线路可路由到PXI总线上供其他板卡共享。

（3）快变信号采集卡与缓变信号采集卡之间的同步。PXI-4461和4462两块快信号采集卡使用的是过采样时钟，必须共享时基来实现同步；而PXI-4220应变信号采集卡使用的是采样时钟，则只能共享时基分频实现同步。

该文选PXI-4462作主卡，取其触发源供所有板卡使用，并将其时基输到PXI总线上供PXI-4461使用，再将其采样时钟共享给PXI-4220，如图4所示。

图4 数据采集系统设计同步的程序框图

图4中①是将PXI4462的采样时钟（时基分频）路由给PXI-4220；②是将PXI4462的时基路由给PXI-4461的信号生成Task和信号采集Task，这两者结合保证了整个数采系统使用同一时钟；③是将PXI4462的同步触发源路由给其他所有板卡，再指定相同的采样率即实现了所有板卡同步。

4.4 无限时大量数据高速流盘技术

由于PXI-4461和PXI-4462都是最高采样率为204.8KS/s、24位精度的高性能采集卡，若10个通道同时使用数据流量将达到至少3Mb/s。且颤振现象发生的时刻还不能确定，故数采系统必须使用流盘技术才能做到无限时大量数据存盘[5]。

基于PXI-4461/4462和PXI-4220都支持的DMA（Direct Memory Access）数据传输方式，直接将数据采集系统ADC获得的数据传输到计算机内存后，借助循环缓存技术（双缓存技术Double-buffering）实现高速流盘。即通过定义队列在计算机内存中开辟一块空间[6]，容量大小定为所有通道一起工作时其采样率×通道数的两倍。一方面各板卡的ADC在“生产者-消费者”模式的“生产者”环节中采集数据后，以DMA方式将数据传到队列中，一次读取的采样数为一倍采样率×通道数的大小；另一方面计算机在程序控制下同时从“消费者”环节中以二进制形式将数据存入硬盘，以保证程序不停地从ADC中将数据读入内存，且一个不漏地将数据从队列中取走并存入到硬盘里，详细实现方式如图5所示。

图5中①是将所有通道采集到数据组成数组后以DMA的方式送入队列；同时从②将数据从队列中读出来以二进制的方式写入硬盘。

图5 高速流盘技术及实时显示的程序框图

4.5 动态信号数据实时显示与监测技术

传统的试验中只能通过观察模型或示波器监视响应情况，但当前的数采系统支持信号实时显示功能，可用于监测试验状态变化动向，LabVIEW语言中的Waveform Chart（波形图表）就是专门为动态信号数据实时显示而设计的。

该文将ADC采集的数据流引一条分支进波形图表来进行监测[7]，起到和示波器完全相同的作用，优点是大大简化整个试验设备，程序框图如图5中位置③处所示。

4.6 采集系统抗干扰处理技术

低干扰、高信噪比的信号无疑是所有研究试验都期待的结果，但大干扰和高噪在实际工作中总是不可避免的问题，关键问题在于如何尽可能地降低干扰，提高信噪比。该文设计的方案中从如下两个方面进行：

（1）设低通滤波器。对于PXI-4220这两块慢信号采集卡，在设计过程中通过属性节点保证采集任务启动时打开其低通滤波功能，其调用方式如图6所示。

（2）提高采样频率。对于PXI-4461/4462这两块快点信号采集卡，本身自带的抗混叠滤波功能会在数据采集启动时自动打开。除此以外，将采样频率设定为所关心信号成份频率的5倍以上便可尽可能减少由于采样率过低而导致的误差[8]。由于颤振试验所关心频率通常在2 000Hz以下，最可能引发颤振现象的频率在500Hz以下，所以这样处理导致采集系统引入的高频干扰对颤振试验数据的要求和结果影响不是很大。

5 数据采集系统软件

基于上述关键技术，结合程序设计中的模块化原则，充分考虑操作员误操作容错处理和采集参数最优化选择等因素后[9]，开发出了一套与硬件紧密结合的数据采集系统软件，其主体构架如图7所示。

图7 SGADSAS软件主体构架图

除所有信号全部同步以外，其主要功能如下：

5.1 任意波形的信号生成

用户可定义物理频率（Desired Frequency）、波形类型、幅值、是否叠加白噪声、白噪声类型等信号生成参数和期待的数据采集采样率（点/s），然后指定用PXI-4461的ai0还是ai1通道输出信号。Samples Per Buffer和Cycles Per Buffer在经过优化设计后由程序根据信号的物理频率和期待采集数据的采样率进行自动优化选择，其重要关系式如下：

波形所含点数：Samples Per Cycle=Samples Per Buffer÷Cycles Per Buffer

系统实际采样率：Resulting Sample Clock Rate=Desired Frequency×Samples Per Cycle

注意，系统实际采样率是在考虑激励信号生成与响应信号数据采集同步时特针对该系统作优化设计情况下的特殊参数，与期待采样率可能相同，也可能不同，但绝不是定义物理硬件采样率的公式。

5.2 力信号采集与加速度信号采集

PXI-4461和4462两块板卡的6个通道可采集6路信号力或加速度信号，且兼容电荷式传感器和IEPE式传感器，其最高采样速率为每通道208KS/s。

5.3 应变信号采集

两块PXI-4220缓变信号采集卡一共可以采集4路应变桥（全、半或1/4桥均可），在开启同步保持的情况下同时使用4个通道采集数据，其最高采样率为每通道66KS/s。若每块板卡只启用1个通道采集数据时其最高采样率增加为每通道100KS/s。当PXI-4461、PXI-4462、两块PXI-4220共4块板卡同时使用时，系统最高采样率取决于最慢板卡的情况，即由PXI-4220决定，为每通道66KS/s。

5.4 实时显示动态信号变化情况

设计的软件能够分为力信号、加速度信号和应变信号3个波形图表单独显示各种不同类型的信号。

5.5 数据无限时大流量流盘

在硬盘有空间的情况下，数采系统已经实现将采集的数据直接存入硬盘的功能，从而打破了内存容量的限制。理论上只要硬盘够大，就可以永远采集数据。

6 结束语

运用设计的SGADSAS数据采集系统在风洞里对NACA0012机翼模型进行了颤振试验，试验过程中4块板卡全部启用，在生成激励信号的同时同步采集了力信号、加速度信号和应变信号。

硬件系统工作正常表明，所设计的软件能够正常驱动硬件进行数据采集工作。从同步通道测量同一标准信号的结果分析得知，测量结果误差小于0.000001，速变信号采集通道严格同步，细微的差别是由于采集板卡24位精度及信号强度方面的原因所致。用所有通道对同一模型振动数据的采集分析结果表明，没有相位差且系统具有较高的测量准确度和较强的抗干扰能力，可直接服务于颤振试验数据采集工作，达到了预期的目的和设计要求。

相比传统数采设备采集时间有限制，只能借助于示波器监测响应变化趋势，且仪器数量较多的情况，该设计方案大大地简化了研究人员的操作强度和劳动量，是数据采集在颤振试验设备方面的一次重要技术应用。

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Design of excitation signal generation and data acquisition system for flutter test based on LabVIEW

RAN Jing-hong，ZHAO Ling，JI Chen，LIU Zi-qiang
（China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China）

Based on the characteristics of flutter test in wind tunnel and NI DAQ equipments，a dynamic synchronous data acquisition（DAQ）system with excitation signal generation was designed for flutter test based on LabVIEW.The system can realized several functions，such as compatibility for IEPE transducer and traditional charge transducer，synchronous data acquisition of acceleration signal and strain signal， synchronous signal generation and DAQ， direct memory access，unlimited data streaming as well as dynamic signal real-time display.The validation test showed that the designed system could meet the requirements of flutter test and it was a successful technique application of signal generation and multi-channel dynamic DAQ for flutter test in wind tunnel.

flutter test；signal generation；data acquisition；wind tunnel test；LabVIEW

TP311.52；TM930.12

A

1674-5124（2011）01-0084-05

2010-02-09；

2010-04-28

冉景洪（1980-），男，贵州思南县人，工程师，硕士，主要从事低雷诺数流动和气动弹性研究。