航空航天大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)構(gòu)建與管理

航空航天

大型多通道現(xiàn)場測試系統(tǒng)的

構(gòu)建與管理議程最新案例分享：NASA為大型環(huán)境試驗艙構(gòu)建高精度現(xiàn)場測試系統(tǒng)SpaceX為箭體和飛船構(gòu)建新的結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)的類型及難點解決思路：以軟件為中心的模塊化架構(gòu)構(gòu)建與管理過程的技術(shù)實現(xiàn)和注意問題傳感器數(shù)據(jù)采集同步測試數(shù)據(jù)管理與標(biāo)準(zhǔn)化總結(jié)1.分享：NASA最新案例NASA選用NIPXI系統(tǒng)為大型環(huán)境試驗艙構(gòu)建高精度現(xiàn)場測試系統(tǒng)

系統(tǒng)對象為NASA最大的環(huán)境試驗艙之一(13.1mx10.7m)系統(tǒng)需求： 500+模擬通道

高精度溫度測量（±3°F）

基于1588協(xié)議的同步性能

構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)軟硬件架構(gòu)可在同類系統(tǒng)中復(fù)制搭建

環(huán)境試驗艙內(nèi)部模擬空間試驗環(huán)境搭建時間：2012年12月搭建地點：

NASAJSC（約翰遜航天中心）NASA新舊系統(tǒng)對比原有系統(tǒng)NEFF470/620不足之處：1.精度不能滿足，需要額外信號調(diào)理2.溫度采集需要固定參考段3.系統(tǒng)升級維護(hù)費用昂貴 -沒有擴(kuò)展能力 -軟件基于過時os系統(tǒng)編寫，升級困難新型系統(tǒng)NIPXI系統(tǒng)1.集成信號調(diào)理和參考單端2.系統(tǒng)可擴(kuò)展至1500通道3.基于時間信號實現(xiàn)分布測試系統(tǒng)同步3.模塊化軟硬件架構(gòu) -兼容NEFF系統(tǒng) -易于復(fù)制和升級NASA測試系統(tǒng)的具體配置硬件涉及產(chǎn)品：NIPXIe-107518槽高帶寬機(jī)箱NIPXIe-435332通道，24位熱電偶采集模塊

集成信號調(diào)理(SCExpress系列)NIPXIe-43318通道，24位電橋采集模塊

集成信號調(diào)理(SCExpress系列)NIPXI-6682H定時同步模塊

實現(xiàn)IEEE1588,GPS,IRIG-B協(xié)議軟件涉及產(chǎn)品：NILabVIEWNILabVIEWOPCsupportAPINILabVIEWSQLdatabasesupportAPIIVIDriverSpaceX最新案例SpaceX選用NIPXI系統(tǒng)為大型結(jié)構(gòu)（件）構(gòu)建現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)搭建開始時間：2013年系統(tǒng)目標(biāo)：

箭體結(jié)構(gòu)測試

“龍”式飛船船體測試軟件涉及產(chǎn)品：NILabVIEWNIPXISystemNIPXISCExpress2.列舉航空航天典型的大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)風(fēng)洞試驗發(fā)動機(jī)測試結(jié)構(gòu)測試振動試驗與模態(tài)

涉及靜態(tài)或動態(tài)信號量的采集及獲取和總線傳輸靜載測試聲學(xué)定位完成的任務(wù)：多類信號量獲取大規(guī)模的通道部署與分布信號數(shù)據(jù)有效分析與處理數(shù)據(jù)查看與存儲安全大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)的共同難點1

對可靠性、擴(kuò)展性和長期維護(hù)性等提出更高要求某型設(shè)備試車試驗測試過程耗費巨大，測試系統(tǒng)需保證萬無一失

多型號間、不同批次間，測試參數(shù)和類型多樣

設(shè)備及相關(guān)配套定型后，相關(guān)系統(tǒng)使用周期可能長達(dá)數(shù)十年此外，還要考慮不同測試環(huán)境，電磁干擾，信號失真，連接方式…等問題現(xiàn)場總線監(jiān)控端試驗端大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)的共同難點2探索在信息化、網(wǎng)絡(luò)化，及標(biāo)準(zhǔn)化試驗管理等方面的拓展現(xiàn)場總線監(jiān)控端試驗端信息網(wǎng)絡(luò)化試驗?zāi)芰蚕順?biāo)準(zhǔn)與試驗數(shù)據(jù)共享儀器設(shè)備資源標(biāo)準(zhǔn)化試驗管理標(biāo)準(zhǔn)化試驗流程配置試驗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化試驗文件管理此外，還要考慮如何兼容現(xiàn)有設(shè)備，集成現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)…等問題解決思路：以軟件為中心的模塊化架構(gòu)軟件數(shù)據(jù)傳輸與同步總線處理器模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O通過軟件定義或加載不同TPS實現(xiàn)不同功能，增強(qiáng)可移植性可實現(xiàn)硬件管理和標(biāo)準(zhǔn)化配置模塊化硬件架構(gòu)便于靈活配置和升級維護(hù)，滿足不同測試需求可整合兼容現(xiàn)有設(shè)備資源標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)設(shè)備間互操作性與通用性高性能實施與網(wǎng)絡(luò)化管理

基于標(biāo)準(zhǔn)總線，通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)集成與綜合基于COTS——商用貨架技術(shù)模塊化架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)平臺——PXI平臺I/O及其他模塊可根據(jù)應(yīng)用需要靈活選擇可在不同系統(tǒng)中重復(fù)利用機(jī)箱及背板控制器整合了商業(yè)可用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的測試測量與控制平臺PCIeXtensionforInstrumentation軟件共享的電源定時控制可編程的用戶界面測量硬件cPCI/cPCIePC處理器,OS模塊化儀器系統(tǒng)模塊2模塊4模塊3模塊5模塊6模塊1模塊化架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)平臺——PXI平臺I/O及其他模塊可根據(jù)應(yīng)用需要靈活選擇可在不同系統(tǒng)中重復(fù)利用機(jī)箱及背板控制器整合了商業(yè)可用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的測試測量與控制平臺PCIeXtensionforInstrumentation支持標(biāo)準(zhǔn)化接口與技術(shù)(ATML，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式)廣泛支持傳統(tǒng)文本語言及環(huán)境，如VC,VB無縫集成LabVIEW和LabWindow/CVI基于COTS，1500多種模塊可供選擇網(wǎng)絡(luò)端口兼容支持所需的網(wǎng)絡(luò)操作及開放性要求3.構(gòu)建與管理過程的注意問題基于PXI的模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制器壓力傳感器力傳感器溫度傳感器轉(zhuǎn)速傳感器位移傳感器振動傳感器聲學(xué)傳感器特種傳感器特種儀器水力測功器或其他調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)試車臺控制信號顯示、打印、數(shù)據(jù)存儲舉例：通用發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)的注意問題傳感器數(shù)據(jù)采集多通道同步數(shù)據(jù)存儲、分析與管理

構(gòu)建過程常抽象為三個部分構(gòu)建大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)的注意問題傳感器數(shù)據(jù)采集多通道同步數(shù)據(jù)存儲、分析與管理

構(gòu)建過程常抽象為三個部分3.1

傳感器數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（分布式）遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（集中式）距離DUT較近距離DUT較遠(yuǎn)需要考慮因素:傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)電磁屏蔽信號隔離與接地例:發(fā)動機(jī)整機(jī)試車全流程測試用傳感器位置參數(shù)傳感器形式防塵網(wǎng)罩溫度鉑電阻流量管截面總壓力傳感器靜壓力傳感器流量流量管壓氣機(jī)進(jìn)口壓力傳感器壓氣機(jī)出口總壓力傳感器靜壓力傳感器總溫度熱電偶速度傳感器方向傳感器渦輪進(jìn)口總壓力傳感器靜壓力傳感器總溫度熱電偶位置參數(shù)傳感器形式渦輪出口總壓力傳感器總溫度熱電偶噴口總壓力傳感器靜壓力傳感器總溫度熱電偶臺架中心垂直面的兩側(cè)推力力傳感器發(fā)動機(jī)的減速器扭矩扭矩壓力傳感器發(fā)動機(jī)燃油流量渦輪流量計加力燃油流量渦輪流量計發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速傳感器不同傳感器所需要的信號調(diào)理類型濾波放大激勵校準(zhǔn)溫度補(bǔ)償隔離冷端補(bǔ)償應(yīng)變

壓力

熱電偶

加速度

多種基于PXI平臺信號采集模塊集成信號調(diào)理,針對各種傳感器均有對應(yīng)合適的模塊高精度，高通道密度力,壓力,扭矩,應(yīng)變8通道/slot24bitADC102.4kS/s/Ch熱電偶32通道/slot24bitADC加速度最高16通道/slot24bitADCIEPE激勵可選AC/DC耦合

RTD20通道/slot支持2-/3-/4wire24bitADC…LVDT及其他?簡化集成與開發(fā)工作——采用統(tǒng)一的NI-DAQmx驅(qū)動,配備快速調(diào)試工具電磁兼容——EMI/EMC認(rèn)證可以有效防止電磁干擾帶來的誤差系統(tǒng)工況復(fù)雜多變，除了廠商自我申明CE認(rèn)證外，系統(tǒng)產(chǎn)品需要通過第三方權(quán)威認(rèn)證：GJB認(rèn)證特殊應(yīng)用的GB認(rèn)證北美的FCC認(rèn)證歐盟的Demko和TUV認(rèn)證澳大利亞的C-Tick認(rèn)證以及其他等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證

保證系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境下的測量精度GJB3947-2000

《軍用電子測試設(shè)備通用規(guī)范》舉例：NIPXI-1045的

環(huán)境認(rèn)證可在/certification查詢所有NI產(chǎn)品環(huán)境認(rèn)證NIPXI-1045

滿足復(fù)雜環(huán)境下測試信號隔離在苛刻環(huán)境下實現(xiàn)可靠測量，避免危險、瞬態(tài)電壓提高系統(tǒng)共模抑制比，改善噪聲性能兼容模擬隔離與數(shù)字隔離采用數(shù)字光耦合隔離的NIPXI-6541舉例：NIPXIe-4300300VrmsCATII通道間隔離3300Vrms

通道-地5秒耐壓滿足高精度需求以PXIe-4331電橋測量模塊為例測量精度誤差在0.02%以內(nèi)連續(xù)實時測量準(zhǔn)確的電橋激勵電壓用以對電橋輸出測量結(jié)果進(jìn)行校正NIPXIe-4331力,壓力,扭矩,應(yīng)變8通道/slot24bitADC102.4kS/s/Ch通道間隔離300VrmsCATII通道間隔離3300Vrms通道-地5秒耐壓NIPXIe-4300NISCXI-1125依據(jù)實際情況選擇接地方式根據(jù)信號源接地方式，靈活選擇測量方式參考單端(RSE)非參考單端(NRSE)差分等系統(tǒng)接地事項信號源接地浮地差分RSENRSE+_Vs+_Vs差分RSENRSE差分RSENRSE傳感器數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（分布式）遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（集中式）距離DUT較近距離DUT較遠(yuǎn)需要考慮因素:傳感器信號調(diào)理系統(tǒng)電磁屏蔽信號隔離與接地需要考慮因素信號傳輸方式（電壓/電流…）系統(tǒng)通道密度選擇恰當(dāng)裝配方式（接線等）信號遠(yuǎn)距離傳輸方式電壓傳輸（0-10V）易產(chǎn)生壓降和失真，易受電磁干擾電流傳輸（4-20mA）抗干擾能力強(qiáng)，避免壓降損失頻率傳輸數(shù)字信號傳輸對噪聲和畸變不敏感光信號傳輸（光纖）電氣絕緣，不受電磁感應(yīng)噪聲影響

直接影響系統(tǒng)精度與成本NIPXIe-4844光纖采集模塊適合布拉格光柵光纖采集四路光學(xué)通道與NIDAQmx相同的編程體驗無需編程的NIOSIExplorer傳感器配置與采集軟件系統(tǒng)通道密度

廠商1廠商2廠商3廠商4NI系統(tǒng)最大通道數(shù)>10,000通道>

2,000通道>1,000通道4,096>13,000通道單機(jī)箱最大通道數(shù)128通道160通道104通道60通道544通道1)

備注1)18-slotchassiswithPXIe-4353系統(tǒng)通道密度決定了系統(tǒng)的容納能力大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)需要較高的通道密度以滿足測試需求和冗余擴(kuò)展能力

國內(nèi)外主流廠商系統(tǒng)通道密度對比*依據(jù)各廠商公開數(shù)據(jù)資料選用恰當(dāng)裝配方式直接影響系統(tǒng)信號精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性在測試點數(shù)較多且需要頻繁配置或者頻繁通斷的情況下，信號需要考慮特定的連接方法（大規(guī)?；ミB裝配）機(jī)箱需要考慮環(huán)境因素（如：抗震，防濕）測試點數(shù)插拔頻率接線盒/端子連線50500大規(guī)?；ミB系統(tǒng)信號不同的連接方式NIPXI+VPC選用恰當(dāng)裝配方式——PXI在機(jī)架中的安裝及信號連接皇家澳大利亞空軍將PXI安裝在堅固的機(jī)柜中,以適應(yīng)機(jī)載測試中的抗振動需求滿足移動性要求的封裝形式NI提供各種安裝連接件、線纜及接線端第三方公司可提供大規(guī)?；ヂ?lián)系統(tǒng)及其他組件某測試機(jī)柜剖面圖小結(jié)：通用發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建基于PXI的模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制器壓力傳感器力傳感器溫度傳感器轉(zhuǎn)速傳感器位移傳感器振動傳感器聲學(xué)傳感器特種傳感器特種儀器水力測功器或其他調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)試車臺控制信號顯示、打印、數(shù)據(jù)存儲傳感器數(shù)據(jù)采集多通道同步數(shù)據(jù)存儲、分析與管理構(gòu)建大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)的注意問題3.2同步需求例如:大型動態(tài)載荷測試(飛行器)風(fēng)洞多通道測試傳聲器(麥克風(fēng))陣列噪聲源定位保證多通道間的采樣時鐘相位相干是后續(xù)軟件分析處理的基礎(chǔ)系統(tǒng)中不同層次的同步機(jī)箱內(nèi)同步——中等規(guī)模系統(tǒng)多機(jī)箱同步——大規(guī)模系統(tǒng)基于NIPXI的動態(tài)信號采集系統(tǒng)要求：通道間相位嚴(yán)格同步舉例：風(fēng)洞試驗風(fēng)洞天平及模型測試系統(tǒng)412通道204.8kS/每通道100m100m405LowCostMicrophones舉例：飛機(jī)飛躍測試8x200mFiber427Channels102.4kS/s陣列節(jié)點采集節(jié)點測試服務(wù)器(NI臺架控制器)舉例：全尺寸發(fā)動機(jī)(GE90-115B)測試InControlRoom8x300mFiber395Channels102.4kS/s采集系統(tǒng)測試服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)同步PXI觸發(fā)總線8TTL觸發(fā)，時鐘和握手信號系統(tǒng)參考時鐘10MHzTTL等長度的路由<1ns誤差星形觸發(fā)總線等距離的路由傳播延遲<1ns誤差PXI背板的高性能同步與觸發(fā)特性PXIExpress進(jìn)一步增強(qiáng)了觸發(fā)與同步特性:100MHz系統(tǒng)差分參考時鐘;差分星型觸發(fā)總線進(jìn)一步提高定時精度的技術(shù)在系統(tǒng)定時槽位插入定時專用板卡,用更高精度的板載時鐘取代背板時鐘板載TCXO,OCXO時鐘,精度達(dá)50ppb例:NIPXI-6653,NIPXIe-6674T等NIPXI-6651NIPXI-6652NIPXI-6653NIPXIe-6672NIPXIe-6674T多機(jī)箱同步基于信號通過物理連線共享時鐘和觸發(fā)信號通過IEEE1588,GPS,IRIG-B等協(xié)議共享時間基準(zhǔn)基于基準(zhǔn)生成事件,觸發(fā)和時鐘基于時間兩種方式基于信號的多機(jī)箱同步

NIPXIe-6674T實現(xiàn)觸發(fā)與同步NIPXI-4070實現(xiàn)高精度采集

利用同步觸發(fā)模塊實現(xiàn)同步實際案例：西南某單位風(fēng)洞多通道測力系統(tǒng)時間：2012年上半年困難：

在保持采集精度同時實現(xiàn)精確通道間相位同步實現(xiàn)方法：利用NIPXIe-6674T實現(xiàn)同步相對精度要求：<0.05%基于時間的多機(jī)箱同步OCXO晶振調(diào)整PXI_CLK10PXI/PXIe6682時間參考GPS,1588,IRIG6653/6674與時間戳對齊后的10MHz時鐘信號例:一個基于GPS的同步參考系統(tǒng)方案200個通道(可擴(kuò)展至上千通道)小結(jié)：不同同步方式間的比較詳細(xì)技術(shù)指南可訪問，參見《定時與同步設(shè)計》章節(jié)不同廠商間同步方式對比

廠商1廠商2廠商3NI最大同步通道數(shù)>10,000通道>

2,000通道>1,000通道>13,000通道(51個機(jī)箱)支持的時基同步協(xié)議GPS,IRIG-BGPS,IRIG-BGPS,IRIG,NTPIEEE1588,GPS,IRIG-B基于時間的同步精度unknown*unknown*250ns(GPS)±47nspeak,

<10nsstandarddeviation(IEEE1588)基于信號的同步精度unknown*unknown*“SYNC-CLOCK”技術(shù)（具體參數(shù)未明）30ps(PXIe),200ps(Typical)*依據(jù)各廠商公開數(shù)據(jù)資料，

“unknown”為廠商未明確標(biāo)明

主流廠商同步精度對比傳感器數(shù)據(jù)采集多通道同步數(shù)據(jù)存儲、分析與管理構(gòu)建大型現(xiàn)場測試系統(tǒng)的注意問題3.3考慮:高通道數(shù)動態(tài)信號采集NIPXIe-4499動態(tài)信號采集卡通道數(shù):16ADC位數(shù):24bit=3Byte最高采樣率:204.8kS/s單模塊最高吞吐量:16x3x204.8k=9.6MB/s如果系統(tǒng)中使用17個模塊進(jìn)行同步采集…總吞吐量:9.6Mx17=163.2MB/s已超過PXI系統(tǒng)理論最高總帶寬132MB/s也超過了一般硬盤讀寫速度基于PXIExpress的高速數(shù)據(jù)流盤支持4-drive700MB/s讀速度，400MB/s寫速度1TB總存儲容量NI8260內(nèi)置PXIExpress磁盤陣列12-drive750MB/s讀寫速度

最大24TB總?cè)萘縉IHDD-8265基于RAID技術(shù)LabVIEW內(nèi)建強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能超過1,000種處理與分析函數(shù)特別針對多通道分析的算法譜分析（MUSIC）模態(tài)參數(shù)提?。∕atrixPencil,Prony）盲信號分離主分量分析PCA獨立分量分析ICA需要進(jìn)行海量數(shù)據(jù)管理更需要快速從海量數(shù)據(jù)中挖掘有用信息數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)挖掘的需求數(shù)據(jù)的采集和存儲數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)分析和報表生成TDMS形式的

文件存儲DataFinder用來檢索數(shù)據(jù)NIDIAdem

數(shù)據(jù)管理軟件NI數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)挖掘的解決方案TDMS支持多種主流平臺LabVIEW,VisualStudio.NET,DIAdem,Excel,C語言,MATLAB,LabWin