介绍

直升机研制过程中需要做各种试验，一方面验证某些理论计算是否与试验结果相符，另一方面做些探索性试验，摸索新的试验方法及数据处理方法，完善试验手段。在所有的试验中，旋翼旋转试验是最复杂的，它涉及多种不同类型的测试参数、不同数据采集方式及要求各异的数据分析能力。例如，旋翼载荷需要等方位采集；温度、压力等缓变信号准确性要求很高；转速及流量需要频率量采集卡进行采集；而振动信号需要用专业的大动态范围信号采集卡采集，并且需要进行实时频谱分析等。不同类型参数采集及分析相对独立， 但数据结果往往又相互联系，因此对系统集成及软件开发具有较高的挑战性。

以前的旋转试验台测试系统，往往根据不同类型参数测试要求，配置多套测试系统，如旋翼系统配置的测试系统首先要能满足等方位采集功能，在数据分析上一般有整周期数据平均、频谱分析，数据结果生成报表等功能。对于振动信号则基本采用国外进口的动态信号分析仪，如HP3566、DP620等，这些专用设备价格昂贵，与其它系统之间不能实现数据交换。尤其当同时需要主旋翼和尾旋翼的试验台时，由于二者等方位采集频率不同，通常需要配置两套相同功能的测试系统，国外类似的试验台基本上也都是这样配置的。

图1 旋转试验台（略）

随着计算机运算能力不断提高，虚拟仪器技术飞速发展，基于VXI、PXI总线平台的模块化数据采集卡功能增强，使得以前价格昂贵、功能相对独立、体积庞大的数据采集系统、动态信号分析系统被基于VXI、PXI总线平台的模块化设备所取代。新一代的综合测试系统与以前系统相比，具有系统总体成本大大降低、体积小、功能强、易于维护、扩展性好等优点。同时，功能强大的LabVIEW, DIAdem等测量测试领域专业软件使得系统的开发更加简单高效。

图2 基于PXI总线的旋转试验台(略)


传统测试系统与新一代测试系统硬件组成及比较

系统组成简介

从系统组成框图(图3)可知，整个系统由测量传感器、信号调理、一分三信号转接板、数据采集及分析系统组成。主旋翼及尾旋翼属于旋转部件，信号经过集流环进入台架下信号调理器，放大后的信号经过长线传输进入系统中间的一分三信号转接板，在传统测试系统中，信号分别进入主旋翼采集器和尾旋翼采集器。在新的测试系统中，信号分别进入相应的PXI-6052E模块。

图3 传统测试系统硬件组成框图（略）

温度、压力等缓变信号，转速、流量等频率量信号经过调理、长线传输到一分三转接板。在传统测试系统中，如果输入旋翼采集器，会增加数据量，所以也可输入别的系统。频率量进入旋翼采集器中专门配置有频率量信号采集板。在新的测试系统中，缓变信号进入相应的PXI-6052E模块，以较低的采样频率采集。对于频率量，可以进入PXI-6052E模块中的模拟通道或计数器通道，不需要另配I/O采集卡，如图4所示。

图4 新一代测试系统硬件组成框图（略）

电荷型加速度动态信号通过放大器调理经长线传输至一分三转接板，再进入动态信号采集卡PXI-4472B，对于ICP型加速度传感器，直接从传感器通过长线进入动态信号分析系统。

新旧系统比较

新旧系统在测量参数类型、测试系统线路没有改变，但信号调理器、数据采集系统有很大改变，主要有以下几个方面：

信号调理器

传统测试系统主旋翼、尾旋翼信号采用专用应变信号调理器，而其它如缓变信号、压力温度信号采用专用变送。信调器供电、安装及接口多种多样，缺乏统一性与互换性。在新的系统中，采用性能优良的5B系列隔离放大器，放大后的信号经长线到一分三信号转接板供多个系统共用。另外，还配置了SCXI-1520信号调理器，主要用于信号独立使用、要求占用空间小、携带方便等场合，如独立尾桨、机场试验等。 集成度

传统系统由独立的多套系统组成，每套系统都有相应的计算机与控制分析软件组成。新的系统是基于PXI总线的模块化仪器，传统体积庞大的采集器被体积很小的采集模块代替，使用一台外置计算机或体积更小的内嵌式计算机取代先前多台计算机，新的系统总体积甚至比以前单独的一套旋翼信号采集器还要小，集成度大大提高。传统系统试验时需要多个人负责操作及监视，而新的系统只需一个人即可。

操作性

传统测试系统是从不同厂商购置的，各系统互相独立自成体系，系统之间数据不能同步与综合，所以在实际使用过程中难以达到一些特殊要求。而新的系统是在同一套PXI系统中实现的，在硬件及软件中可以解决上述问题，可操作性得到增强。

可维护性

设备维修、升级及扩展是所有测试系统面临的共同问题。由于先前的系统各厂家基本都是自定义的，系统维修升级只能由原来厂家负责，这样不但价格昂贵，而且有些厂家由于各种原因停产，很可能使系统报废。新的基于PXI总线系统是开放的标准系统，模块不但价格便宜，而且维修、升级及扩展可以由不同的厂家支持，延长了系统使用生命周期。

软件设计与实现

系统软件开发是以LabVIEW7.1为平台，配以Sound & Vibration Toolkits 3.1及DIAdem 9.1工具箱。采用NI-PXI1045 18槽机箱，PXI-8186 嵌入式控制计算机，其中3块PXI-6052E为主旋翼参数采集、2块PXI-6052E为尾旋翼参数采集、1块PXI-6052E为缓变信号采集、2块PXI-4472B为动态信号采集。这些数据采集模块在硬件层根据功能不同需要相互独立，但又能并行工作。在数据处理模块，根据试验要求需要对各系统相关的数据进行综合处理。由于采集的数据类型多，各种参数又相互关联，本系统采用了DIAdem报告生成软件，DIAdem是一个强大的离线分析工具，可对上百亿数据同时进行分析。

为达到上述功能，软件设计采用了如下几个方面的技术。

模块化设计

采用模块化设计的目的是增加软件的灵活性和提高软件的整体效率。在该软件中，系统分成6个模块，即：文件配置、数据采集、数据格式等。并根据一定要求各模块进入同步或异步采集状态。

在数据分析与综合模块中，首先从数据采集模块读取数据，得到原始数据后，各系统进行相应处理，如对于旋翼系统数据进行多圈平均、动态值及静态值计算，对于加速度动态信号进行频谱分析等。对处理得到的结果，按要求再进行综合，如将转速信号存盘。

在报告生成模块中，可以按试验要求在DIAdem软件中使用内置程序自动生成含有图形、文字、图片和表格等元素的复杂报告，也可以将报告写入到WORD等软件中。

多线程并行运行技术

系统由相对独立的多个子系统组成，并且整个系统又分成数据分析与综合、数据显示、数据存盘及报告生成。

在文件配置模块中，使用动态事件方法，可以交互式创建、修改配置文件，能对配置文件进行快速增加、复制、删去等功能，如图5所示。

图5 通道配置模块进行界面(略)

在数据采集模块中，各模块按照一定规范进行设置，如采样频率、触发方式、数据块长度、采集到的温度、压力等参数与旋翼系统参数进行合并等。

在数据显示模块，可以对采集到的当前数据、经数据分析与综合后的数据进行图形、表格及状态显示。如图6所示，在同一个画面中任选几个通道时域波形数据进行显示。

图6 数据波形显示模块运行界面（略）

在数据存盘模块，可以将数据分析结果或原始时域数据在各模块进行，为确保整个系统能以较高的效率运行，必须使用多线程并行运行的方法。
首先在数据采集模块各系统进行并行数据采集，采集到的数据以队列的方式临时放在内存中，以备数据分析与综合模块使用。

其次，在系统软件启动时，各模块以多线程方式进入运行状态，各模块之间的数据传递，对于重要状态或配置参数，由于数据量小，则采用全局变量的方式，如配置表。对于数据量大的原始时域数据，则采用队列方式传递数据。

最后，对于有时间顺序控制要求的模块，采用信号灯等同步方法实现。

采用以事件驱动的软件架构

在LabVIEW6.0及以前版本中没有事件响应，程序的连续运行完全靠循环来控制。在LabVIEW7.1版本中增加了事件响应，特别是动态事件，使得主程序中产生的事件可以在子VI中进行响应，有利于应用程序模块化设计，如新设计的配置文件软件模块中，利用动态事件，在配置表修改子VI中修改配置表，可以在显示VI中同步更新显示，而这在早期版本中几乎不可能实现。正是这些功能的完善，为系统软件架构实现提供了重要手段。

另外，为保证软件整体结构具有良好的适应性与扩展性，模块集成采用动态菜单与事件相结合的方法。特别值得注意的是，在LabVIEW7.1中增加了sub panel子面板功能，使所有子函数面板都可以嵌入到主程序面板中，整个软件界面简洁、统一，与使用通用语言开发的多文档软件更接近。

总结与展望

该系统采用了目前技术先进的PXI总线硬件平台，使用了模块化数据采集卡，特别要提到的是，我们采用NI PXI-6052E采集卡，它具有外部触发和外部采样时钟的功能，可将零方位脉冲信号接入AI START TRIG，多点脉冲信号接入AI SAMP CLK，从而满足了旋翼系统等方位采集要求。而以前的系统或其它类似的采集卡都不具备该触发功能，需要外加辅助电路实现，在试验时还需要人工干预。 经过多年发展，LabVIEW图形化开发软件在不同应用领域都有丰富的例子，很多现成例子稍加改造即可集成到软件中。另外，振动与噪声工具包简化了理论较深的动态信号分析，DIAdem软件为生成功能复杂的报告提供了便利。正因为如此，一套功能较复杂的系统可以在较短的时间内完成。

新的综合测量系统由于集成性较好，在完成相同功能的情况下，总体价格不到原来系统的一半，并且体积大为减小，完全可以向机载设备方向发展。该系统已经在试验中成功应用，试验结果也得到国外专家认可与好评。