多任务航空数据采集系统

张袁志

摘 要 在航空航天领域，数据采集系统设计理念不允许为了达到测试目的，而降低在高质量数据采集中快速响应及实时准确性等方面的性能。而多通道的应用则能够满足现在测试系统的要求。测量对象的尺寸和结构要求相关数据采集在集中设置或者在网络上实现分散布局，实际应用中以上方面都需要调整设置。相同的测量能力可使多参数集成化测量，今后还将实现重点测量。在LAN-XI理念的指导下，设计数据采集系统能够明显地增强系统的功能，同时减小系统对测量仪器及附件的需求量。本文重点设计了一套允许多任务数据采集，同时包括众多高新技术应用，诸如精确时间协议（PTP）的灵活性数据采集系统。

关键词 数据采集；多任务；集成化测量

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）189-0070-03

在表面噪声的交叉测量中，使用大量基于地面的测量仪器可以精简测量流程。对于立体测试，即使测量步骤所花费的时间对整个测试不起决定性作用，但是随着相关部门对测试时间要求越来越严格，因此减少测量花费的时间仍然是至关重要的。B &K的LAN-XI噪声及振动数据采集系统利用几种高新技术能够完成高难度高要求的航空测试工作。机载测试是航空测试工作的重要组成部分，是获取机载飞行试验数据的重要手段[1]。

自适应系统拓扑学：使用相同的硬件就可以实现不同类型参数的测量，而且可大量减少调整时间。测试对象有限时间：统一的宽动态输入范围可以降低对测试输入范围的要求，使测试达到准确实时性。减少步骤时间及花费：利用分布在前后端的六类以太网电缆，可以减少昂贵庞大的模拟电缆的使用长度。更容易达到相关目标：降低了系统的测量不确定性。但是在机载测试系统中存在数据传输抗干扰性差和高采样率传输距离受限等问题[2-3]。

1 飞机噪声和振动数据采集系统的要求

在每项试验中飞机噪声和振动测量的计划编制、设计及实施过程都有很大的不同。包括试验对象自身的特性、试验环境和具体试验进行条件等很多因素都要考虑。另外，高质量数据必须在尽可能短的时间内获得，并使相关费用降至最低。

1.1 测试对象的特点

通常噪声和振动测量范围从几个通道到几百个通道，因此通用数据采集系统必须具备范围广、模块化，易于重新配置等特点。现在带多通道测量功能的相同数据采集系统有望在今后被分成多个子系统，作为不同用途的小范围测量，方便使用且不会影响测量精度，还可以节约成本。

一般来讲，我们尽可能把数据采集系统的模数转换模块放置在靠近测试对象的地方，这样有利于缩短模拟量信号传输线的长度。除了能够减少昂贵的高质量传输电缆的花费及降低由于电缆材质所带来的测量误差风险的重要意义外，它还可以降低由电缆传输所带来的测量噪声。

对于大测试项目而言，要求小的测量前端或者独立模块可以方便的安装在飞机各部位，而且要求所有的测试通道之间能够精确同步。然而许多传统的采集系统既不能实现分布式测量也不能保证独立测量前端间的采样同步。现在一些采集系统已经采用多种基于电缆的同步技术来实现独立前端间的采样同步，这就使得测试系统的电缆数有所增加。

1.2 测试环境

航空噪声和振动测量粗略地分为实地测量，试验室测量和测试单元测量。实地测量经常是在苛刻条件下进行的，这对数据采集系统的鲁棒性提出了更高要求。另外，数据采集系统必须具备重量轻，体积小，便于携带，低功耗，具有电池供电选择及分布式前端的可能性。

具有单框架或多框架系统的集中式数据采集系统，在已有的试验室或test cell中得到了应用。因此长距离电缆带来的缺点先前已经谈到了。在相同的測试环境下，分布式前端的使用能够明显的减少电缆长度。图1显示了在各个测量单元的连接面板与操作间之间使用长距离连接线的传统测试单元的配置。

1.3 时间和成本控制

受制于严格的时间和成本的限制，噪声及振动测量往往不能重新测量。用快速安全，简易的方式去计划安排实施测量，并得到重要可靠测量结果尤其重要。

通过在系统中使用即插即用功能性器件能够明显地简化系统。理想的数据采集系统能够方便的与传感器连接，而且也能与PC连接，打开数据采集软件，点击开始，就能得到准确的实时测量结果。因此，测量范围必须尽量的小。

然而，由于严格的时间限制，任何时候都存在设置和测量误差的隐患。数据采集系统的人工智能反馈功能可以快速容易地发现和纠正这些潜在的误差。从每个前置模块的每个通道中可以获得系统的识别、校准、条件、超载及测量状态等信息。

2 LAN-XI的技术

LAN-XI概念的核心技术是精确时间协议（PTP），以太网供电（PoE），Req-X。

2.1 精确时间协议（PTP）

对于一般的测量来说，将模数转换器放置在接近离传感器的地方有许多优点，可以降低成本和减小干扰。显然，由于在多个独立的模数转换器之间会产生时钟漂移，这要求系统中的所有模数转换器之间拥有良好的时间同步性。LAN-XI使用了一项新技术，它能够确保通过应用相同的局域网连接传输测量数据时，保持信号采样的时间同步。这一技术可以简化数据采集系统的电缆而且可以保证长距离测量的采样同步，同时可以消除电缆和开关带来的延时。

每个LAN-XI模块中12条大容量的模拟电缆到一个猫上的6条以太网电缆的转换能够极大地减少测试的设置时间。可以使所用电缆减少到6或12根，这也减少了电缆集束的直径。

相关技术标准参见IEEE-1588-2002标准所制定的PTP规定，它在2008年3月有了新的升级版本，具体参见IEEE-1588-2008标准。PTP可以使在一个网络上的PTP设备间达到精确同步，如通过使用硬件产生的时间标签来实现以太网亚微秒级的精确同步。PTP同步给模块化数据采集系统提供了一种新的技术可能，即在不同位置实现分布式测量。仅根据局域网连接的需求，因此模块位置可以靠近实际的测量点，使用标准6类电缆传输距离可达100m或者单模式光纤可达15km。

使用LAN-XI测量通道X的带宽几乎是无限制的。同样的测试系统可以很容易地实现从2到多于1000个通道的测量。

2.2 以太网供电

使模数转换器靠近传感器的另一个难点就是供电。以太网供电技术是通过可以传输测量数据和PTP的同样的6类局域网电缆（任何独立电缆可长达100m）给分布式模块供电。这种技术标准参见IEEE8023af-2003及IEEE802.3-2005标准规定的更新。

2.3 PTP和PoE——单线操作

在LAN-XI中结合使用PTP和PoE数据采集系统的概念使人们有可能大大减少前端设置和布线带来的费用。因此分布式系统可以显著减少传感器电缆长度，并使用相同的LAN电缆进行数据传输，实现采样同步和供电。如图2（与图1比较）。它的好处是明显的，包括可以减少噪声和电缆费用，设置更快，维护更容易，设置风险和测量误差更小，便宜的LAN开关可以代替昂贵的配线架，而且不需要增加额外的电源插座。

2.4 REq-X技术

更加精确地测量减少了测量的不确定性。更少的不确定性使得测量值更接近控制的限度和不变的途径。尽管很难量化这种益处但这是重要的。

以前数据采集系统使用一个简单的单一的校准值贯穿整个传感器的测量范围。这种过度简化带来的测量不确定性可以通过修正传感器频率反馈轻松移除。

REQ-X技术通过使用传感器的校准频率响应反转的逆脉冲反馈修正传感器的时间信号，具体见GATE ETAL。如图3所示：幅度和相位也都被实时修正。

从声学上讲，通过修正麦克风对于声源、挡风玻璃和栅极引出帽的入射角度来进一步降低测量的不确定性。

3 LAN-XI的硬件

3.1 模块化机箱/框架

在一些有很多独立模块的应用中，并没有理想的系统拓扑。对于便携式系统和一些实验装置来说，将所有的通道集成到一个或多个框架和机箱上是很便利的。

在一个分布式系统中，增加或者减少相同的LAN-XI模块的随机性很强的。

不同尺寸的框架可以达到这个目的。一个C型框架能够承载5个模块（60个通道），而一个D型框架可以承载11个模块（132个通道）。同一个系统可以使用多种框架结构和独立模块。同时，PTP用来保持不同模数转换器之间的时钟

同步。

LAN-XI框架也能支持电池组或者由主電源（AC）供电，或一个宽范围的直流电压供电（10-32V）。当配一个电池和外部电源同时供电时，机箱会由外部电源进行运作，但如果有任何中断出现的话，系统将会自动转换成电池

供电。

3.2 可交互式前面板

连接器和适配器总是在测试中遇到实际的挑战。除了额外组件的花费外，在测试系统中减少使用适配器也将减少一些故障点。集成交互面板的LAN-XI模块能够让操作者决定使用哪种类型的电缆以及使传感器具有更好的互换性。常用的连接器像BNC、扩音器和直流加速度计的7针LEMO以及多针连接器是可以使用的而且能轻松互换。因此允许操作员按照要求采用多达12通道的噪声和振动输入的组合来调整设置。

4 结论

LAN-XI的数据采集系统平台实现的技术使航空试验更加容易。它的优点如下形式实现：时间——归功于即插即用功能的设置和实际测试功能。花费——主要通过节约时间来实现，也通过系统的灵活性和节约电缆来实现。精度——降低测量的不确定性，使得测量噪声值更加接近绝对

限度。

参考文献

[1]田方正.新一代机载数据采集系统的发展综述[J].航空试验测试技术学术交流会，2006：16-18.

[2]田方正，齐连普.机载数据采集器的时间延迟对飞行试验测试结果影响的研究[J].测控技术，2008，27（1）：

29-32.

[3]白效贤.基于网络的试飞机载测试系统及其应用[J].测控技术，2004，27（1）：29-32.