多功能便携式数据采集系统设计与应用

2019-12-13文维阳刘汉青

航空发动机 2019年5期

文维阳，刘汉青，杨娟，刘辰

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.北京中科泛华测控技术有限公司沈阳办事处，沈阳110168）

0 引言

随着中国各型号航空发动机不断装配飞机，外场发动机的维护保障工作也变得日益增多。鉴于发动机所处外场环境与发动机内场台架环境不同[1]，振动、温差、风速、湿度、气压等环境条件变化范围很大，常规数据采集系统无法适应外场恶劣环境。目前国内航空发动机外场数据采集系统技术的研究仍然处于发展阶段，虽已有一定数量的应用，但仍存在系统功能单一，操作复杂，采集速率低，可靠性差等问题。例如目前使用的外场数据采集系统是由内场迁移过去的，体积较大，抗干扰能力差，虽能完成外场试验工作，但在外场恶劣工作环境下，系统的测试精度及可靠性均不能保证。国外的便携式数据采集系统比国内完善，技术也相对成熟，如美国无论是硬件设备还是软件技术都居世界首位，其军用测试设备兼具通用性、多功能性和便携性，但整套数据采集系统价格比较昂贵，系统后续的扩展和开发成本较高[2]。

为了顺利、有效地完成发动机在外场的使用、维护保障工作，获取装机状态下发动机在外场地面试验中的宝贵数据，开发了1套多功能便携式数据采集系统，该系统不仅能够满足外场测试要求，适应不同外场环境，同时还具有体积小、方便携带等特点。

1 系统总体设计

为了设计1款高性能、高精度、高可靠性的测试系统，达到军用装备的使用环境标准，在电子部件的选择上要采用可靠性和测量精度高的军用级别产品。在结构设计上要考虑密封防水、防潮、防电磁干扰等性能要求，外壳选用金属全封闭结构；考虑到防振动和抗冲击性能，内部连接采用紧固连接方式；支撑采用悬挂减震结构；选用军用级电子元器件满足宽温的工作要求，内部有调节控制单元，用于监视温度以及电源系统和蓄电池的实时状况并进行合理的调节控制。

为了满足以上要求，采用美国国家仪器公司（NI）的cDAQ平台为核心搭建采集系统，包括测试与自检、电源、远程显示以及接口等，其结构如图1所示。

图1 系统结构

系统的采集单元与显示操作单元分开，采集单元用于现场数据信号的采集与处理，只设置显示电源、通讯等工作状态指示灯；显示操作单元采用军用便携式电脑以适应运输安全和各种应用环境下的可靠运行。采集单元得到的数据通过以太网传送到远处的显示操作单元。为了避免数据通讯干扰，提高数据通讯速度，采集单元与显示操作单元之间用光缆连接。

系统具有通道自检功能。系统自身向测试通道模块发出标准信号，如电压、频率等信号，对测量值与标准信号值进行比较，其差值在允许范围内则认定该通道通过自检。对测试通道的自检在试验前进行，以保证设备正常使用以及数据采集的准确性；在测试异常时可应用该功能对故障进行快速定位。

系统正常工作供电电源为220 V交流电，同时配有军品宽温级锂电池，保证系统在没有交流供电的情况下续航时间不小于4 h；系统所有的电气连接都采用密闭性好的军用航空插头。在物理结构方面着重考虑规范性、合理性，以及安装、使用和日后维修的方便性。

系统配备2个专用运输箱，1个是数据采集设备、笔记本电脑及军品锂电池运输箱，另1个是附件运输箱。运输箱需要防水、防振动、抗冲击，其结构为拉杆式，配有4个万向轮。

2 系统硬件设计

根据测量参数要求，数据采集选用NI的cDAQ采集设备及各工业级输入输出模块[3]，各模块名称及功能见表1。

表1 数据采集设备主要模块

表中序号2～6为系统测试模块，分别测试电压、数字量、电偶、RTD、频率信号。系统采用自主研发的MX-605电路板，完成8通道数字输入信号隔离，以及8通道频率信号调理，将变幅变频信号调理成标准的TTL电平。序号7～9为系统自检模块，分别对应电压输出、数字量输出及频率输出。自检模块的信号输出直接进入测试模块的输入端来完成通道自检。另外，热电偶的自检功能也通过输出温度对应的电压值来完成。RTD的自检通过测量系统自带的高精密电阻来完成。

数字量输入信号隔离电路如图2所示。输入信号DI_P串4.7 kΩ电阻给光耦，信号经过隔离后输出，高、低电平输出电压分别为24、0 V。

图2 数字量输入隔离电路

频率信号输入调理电路如图3所示。频率信号的输入为0～5000 Hz，幅值为0～40 V，为了保护采集设备，Freq_P信号串10 kΩ电阻接入运算放大器ADA4891，加了稳压二极管MM3Z3V3进行保护，最高电压不会超过3.3 V。信号反向接入，正向比较端是25∶1，取输出电平电压为比较电压。当Freq-P信号由低到高变化至大于0.2 V时，ADA4891输出低电平0 V。当输入信号由高电平降低至0 V时，ADA4891输出5 V。ADUM5241为信号隔离芯片，5 V转5 V。频率输入信号经过调理电路后，输出标准的TTL信号进入cDAQ。

图3 频率信号输入调理电路

数据采集设备输入电源为220 V交流电，经交/直流转换后，转为24 V直流电。数据采集、压力变送器、外接设备均为24 V直流供电[4]。电源适配器需满足防水、宽温、电源功率的要求。目前市面上没有现成产品，按照上述3个需求进行了定制。

军品锂离子电池组为系统和传感器正常供电，续航时间不少于4 h。低温锂电池需满足使用温度、电池容量、现场环境的要求，最终选择了军用低温锂电池，并做防水外壳设计，与机箱分离，需要时可携带。

根据需求，系统最多可同时连接4台电脑进行系统操作和监控，故主机箱内配备的以太网交换机具有5个RJ45端口。

为保证系统在高、低温环境下均能够正常工作，在机箱内部配备温度调节单元，采用通过硅胶加热片进行低温加热、散热槽进行高温散热的方式，使系统满足外场试验的技术要求（工作温度为-40~70℃）。

3 系统软件设计

为了开发的便捷性，软件设计也采用了NI公司的虚拟仪器开发软件LabVIEW，实现软件各功能。

3.1 数据采集软件设计

数据采集包含的主要功能模块有数据采集、数据显示、数据存储、软件通讯等模块。

数据采集模块调用了板卡的DLL驱动程序，按照编程规范实现数据采集功能[5]。数据采集模块实现板卡参数设置、板卡开始采集、板卡数据读取、板卡停止采集等一系列功能。以压力采集为例，其程序如图4所示。

图4 板卡参数设置

数据存储是将本地采集到的数据进行本地存储，存储格式为TDMS[6]。数据存储子程序分为3个步骤：打开文件、存储数据、关闭文件，其程序如图5所示。

图5 数据存储程序

本系统设置了与其他计算机进行通讯的功能。通讯的方式为TCP/IP[7]，传递的数据为当前采集的所有数据，其程序如图6所示。

图6 数据通讯程序

3.2 数据回放软件设计

数据回放软件与便携式数据采集软件相互独立，其功能包括数据读取、数据显示、数据入库。

数据读取是指将存于本地文件中的TDMS数据读取到软件中进行显示分析和处理。读取数据采用TDMS相关函数进行操作，其程序如图7所示。

图7 数据读取程序

读取到的数据根据选择显示，并根据选择的曲线进行动态游标显示[8]。该功能使用的是波形图表的游标显示功能，其程序如图8所示。

数据入库是将存于本地的数据存入SQL Server数据库中进行远程数据回放[9]。存储方法是将试车序列号存入1个固定的表中，其他的数据按照数据的名称存成2个表[10]：配置文件表和数据列表。数据入库采用的软件功能模块是Database相关的函数模块[11]。其程序如图9所示。

图8 数据按需显示程序

3.3 通道自检软件设计

通道自检功能包括5个功能性检测：即电压通道自检、热电偶通道自检、RTD通道自检、频率通道自检和开关量通道自检。该软件使用流程为设置输出固定数值，点击开始测试，可在右侧通道中看到测试的值，如果测试值与输出值相差在误差允许范围内，视为该类自检通过。电压通道、热电偶通道、频率通道使用此方法进行自检。

RTD的自检采用1个高精密电阻（固定阻值为100 Ω）模拟成Pt100的方式，由于Pt100在阻值为100 Ω时温度约为0℃[12]，所以测试RTD模块时，如果显示值为0℃左右，则视为自检通过。

开关量通道自检通过点击开关按钮来操作，如测试值与给定开关按钮状态一致，则自检通过。

4 系统测试

为了考核系统是否满足设计要求，需要在内场对系统进行性能考核试验[13]。测试对象为某型航空发动机，测试环境的温度、振动、电磁环境等与外场环境相似，测试参数为油压、发动机转速、滑油温度、进气温度、控制信号等多种类型信号。

首先将多功能便携式数据采集系统（如图10所示）运抵现场，在试验前进行系统自检，确认系统各模块工作正常。

在试车过程中，系统采集功能正常，参数曲线及各指示灯均显示正常，如图11所示。

试车结束后，停止数据记录，通过数据回放软件分析数据可知，数据记录正常，回放软件功能达到设计要求，如图12所示。

图12 回放软件界面

多功能便携式数据采集系统在内场某型航空发动机上经过10天共20个周期累计50 h的性能考核试验，系统工作稳定，参数测量准确且满足精度要求，无死机现象发生；测试软件采集、显示、存储及回放功能均满足设计要求。

图10 系统主机实物

图11 数据显示界面

5 系统应用

目前多功能便携式数据采集系统已多次应用于外场（包括多家航空发动机厂所）发动机排故试验。同时该系统也可以做为内场发动机试验测试的补充。在内场整机试验中，如遇到测试通道数量不够，或是测试设备无法正常工作的情况，多功能便携式数据采集系统可以作为台架测试系统的补充参与整机试验，通过网络通讯将采集的数据发送到台架测试系统中[14]。下面列举1个该系统外场应用的试验。

依据某型号发动机持久试车任务书及试车大纲，需进行发动机外场试验来验证发动机主机部分的性能并进行发动机表面温度测试。

根据测试要求，需对所有热电偶测试项目、高低压转子转速、管路油压、发动机控制信号、发动机排气温度同时进行稳态和瞬态数据采集，并在试车过程中对数据进行瞬态显示。试验最终的测试方案为：转速频率信号、压力信号、控制信号等进入便携式数据采集cDAQ[15]；由于温度测试点较多，故采用2个温度采集模块3250（每个32路）来测量电偶温度；cDAQ与温度采集模块3250将采集数据通过网络传输给数据采集计算机汇总及处理[16]；2个显示程序分别显示主机性能与部件壁温。