CN101738301A

CN101738301A - 大容量高速并行动力学试验数据采集技术

Info

Publication number: CN101738301A
Application number: CN200810180607A
Authority: CN
Inventors: 冯咬齐; 崔俊峰; 于丹; 王鹤; 沈凤霞; 韩晓健
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2010-06-16

Abstract

本发明涉及一种数据采集系统和方法，特别涉及航天器动力学环境的数据采集系统和方法。该系统包括：用于完成数据处理分析、数据存储和实时显示任务的主控计算机；内置具有较高数据传输速率的零槽控制器和A/D转换功能模块的VXI总线机箱；对输入的模拟信号进行电气隔离的输入隔离箱；其中主控计算机是按照VXI总线测试系统外置控制器方式与VXI总线机箱进行通信的。本发明可实现128通道数据高速并行同步采集，实时传输和存储，具备对正弦扫描和随机振动力学环境试验进行数据采集与处理的功能，满足航天器动力学环境试验所要求的大容量数据并行采集、实时传输以及稳定可靠的技术要求。

Description

大容量高速并行动力学试验数据采集技术

技术领域

本发明涉及一种数据采集系统和方法，特别涉及航天器动力学环境的数据采集系统和方法。

背景技术

在卫星、飞船研制过程中，需要进行大量的动力学环境模拟试验，而其中动力学环境试验的数据采集与分析工作在试验有效性评估、卫星产品质量保证方面起着重要的作用。近三十多年来，动力学环境试验测试技术是伴随着计算机技术的发展而发展的。

目前在市面上广泛使用的仪器总线平台为VXI总线和PXI总线。VXI总线平台是一种开放式的测试系统结构，体现了标准化、模块化、系列化、通用化的系统要求，能实现系统资源、软件资源、硬件资源共享，系统通道易于升级，系统易于扩充，易于适应各种场合需要而很方便地重组系统，使系统适应计算机技术和集成技术发展，使集成化测试设备系统始终能采用计算机技术、集成技术的最新成果，保持系统先进性和兼容性，提高系统测试的准确度和可靠性。PXI总线除了具有类似于VXI总线的许多特点以外，它具有数据传输率更高、小型化、价格更便宜的优点，但PXI总线技术出现的时间尚短，技术发展还有待完善，还缺乏仪器领域最有影响厂家的充分支持，产品的品种还不够丰富，国内目前还缺乏强有力的技术支持，因此，目前用PXI总线技术组建满足航天器动力学环境试验要求的高精度大中规模的数据采集系统技术上还存在一定的困难和风险。

目前在利用各种总线技术组建动力学测试系统方面，国际上比较有代表性的专业性研发公司有美国并行公司ISTAR，比利时的LMS公司，美国的SD公司，美国的DP公司，德国的M+P公司等。其中美国并行公司ISTAR数据采集系统是基于VME总线建立的，有着维护和升级困难的缺点；比利时的LMS公司的SCADAS III系统是基于PCI总线技术建立的，在计算机总线上组建内置式大规模动力学测试系统类似于VME总线，有着同样的缺点；LMS公司的HP3565采用的是IEEE-488通用总线，传输率不高，不太适合高速传输的大中型动力学测试系统。在国内，一些相关专业的研究所和大学(如东方振动噪声研究所)对PC插卡式、PC并串口方式的动力学测试仪器进行了不同程度的研究和开发，并形成了一些廉价、普及型的动力学测试产品，但在利用高端总线技术研发大中规模的动力学测试系统方面尚属空白。

综合VXI总线和PXI总线的上述特点，并通过对目前国内外组建航天器动力学环境试验测试系统所采用的总线技术进行的研究与分析，本发明采用VXI总线技术作为组建DMS-100动力学环境试验试验数据采集处理系统硬件平台的基础，并且减少了组建系统时的技术困难与风险。由于目前国内研制的数据采集系统的总体指标比较低，不能满足卫星型号的通道采集和处理的要求，因此，本发明针对卫星动力学环境试验数据流量大、实时性要求高的特点建立一套满足卫星动力学环境试验测试要求的数据采集系统。

发明内容

本发明可实现128通道数据高速并行同步采集，实时传输和存储，具备对正弦扫描和随机振动力学环境试验进行数据采集与处理的功能，满足航天器动力学环境试验所要求的大容量数据并行采集、实时传输以及稳定可靠的技术要求。

根据本发明的一个方面，提出了一种数据采集系统，该系统包括：

用于完成数据处理分析、数据存储和实时显示任务的主控计算机；内置具有较高数据传输速率的零槽控制器和A/D转换功能模块的VXI总线机箱；对输入的模拟信号进行电气隔离的输入隔离箱；其中主控计算机是按照VXI总线测试系统外置控制器方式与VXI总线机箱进行通信的。

如上所述的数据采集系统，其中，主控计算机为满足如下高性能配置的计算机：2个P4/2G CPUs，512Mb以上内存，80Gb硬盘，32Mb显卡及17时显示器、数据光盘读写机、高速网络接口，同时，主控计算机机箱内具有PCI-1394转换接口。VXI总线机箱为Agilent公司的E8401A 13槽C尺寸VXI机箱，其中内置以下模块：32通道并行A/D采集模块和Agilent公司的E8491B零槽控制器；输入隔离箱为32通道单端输入隔离箱。VXI总线测试系统外置控制方式也即主控计算机通过内置于计算机的PCI-1394转换卡、IEEE1394总线、内置于VXI总线机箱的控制功能模块(零槽控制器)与VXI测试系统机箱的连接，从面实现与VXI总线机箱及其测试模块的控制。该系统为128通道动力学数据采集系统。

根据本发明的一个方面，提出一种数据采集方法，其包括以下步骤：

响应信号由信号输入隔离箱接入VXI总线机箱；

通过采集模块A/D转换器完成动力学响应数据的采集；

所有采集数据通过VXI总线经由IEEE1394连接线实时传送到主控计算机；

完成数据处理分析、数据存储和实时显示。

根据本发明的一个方面，提出一种VXI测试系统，该系统包括：

VXI总线机箱：VXI机箱是VXI总线设备的最基础部分，VXI测控组合的供电、信号传递、模块固定冷却都是通过机箱来完成的；

零槽控制器：其可以实现上位机对VXI机箱中各功能模块的控制；

32通道高速并行A/D转换模块：用于对多个通道的电压信号的并行实时采集；

32通道信号输入隔离箱：对输入模拟信号进行电气隔离，输入与输出没有电气连接，对信号没有放大作用。

硬件驱动模块：通过PCI总线将VXI测试系统硬件模块连接到Windows操作系统上；

硬件资源配置与驱动管理模块：用来搜索、辨识硬件模块，并根据测试系统具体的硬件配置来调用相应的驱动程序，以完成硬件底层的数据采集任务；

应用系统测试运行引擎模块：其可以实现测试过程中的数据采集、数据处理、数据显示及数据存储的并行实时任务；

应用系统共用库模块：其对动力学环境试验中涉及到的各种参数、数据和用户操作进行管理，并用于将应用系统图形用户界面与应用系统测试运行引擎进行连接；

应用系统图形用户界面：用于应用软件的可视化。本发明充分考虑了硬件平台的可扩展性和可维护性，采用的VXI总线技术性能上优于上述几种总线技术，满足动力学试验的测试要求。和国内的测试系统相比，本发明的基于VXI总线技术建立的128个采集通道的测试系统尚处首创。

附图说明

根据下面提供的示例实施例的详细说明和附图，本发明可被更加充分地理解，所述详细说明和附图仅仅是为了说明的目的，因而并是限制本发明。

图1硬件平台配置清单；

图2动力学数据采集分析软件系统层次结构示意图。

具体实施方式

整个数据采集系统可分为硬件平台和软件系统两大部分，硬件平台采用VXI总线结构，包括PC主控计算机、A/D模数转换模块、信号输入隔离箱、VXI总线机箱、打印机等，所有功能模块和零槽控制器置于VXI总线机箱中；软件系统采用WINDOWS2000平台及其VisualC/C++集成开发环境作为数据采集系统软件框架，应用程序实现自动测试系统测试任务的控制，完成数据采集和控制任务，实时数据处理等任务。

硬件平台及原理：

主控计算机对VXI总线机箱的通讯连接是按照VXI总线测试系统外置控制器方式，即通过插在主控计算机机箱内的PCLink插卡和插在VXI机箱中的命令模件(零槽控制器)实现对VXI总线机箱及其测试模块的控制，相互间通讯通过IEEE-1394标准总线实现。数据采集系统在工作时，响应信号由位于机箱后板内的信号输入隔离箱上的BNC接线盒输入机箱，VXI总线机箱通过采集模块A/D转换器完成动力学响应数据的采集，采集模块AMC2322所有采集数据通过VXI总线经由IEEE1394连接线实时传送到主控计算机，由主控计算机完成数据处理分析、数据存储、实时显示等任务，硬件系统原理框图如图1所示。为了实现128通道数据高速并行采集，解决了以下关键问题：1)由于受物理尺寸的限制，要将128个并行a/d通道放在一块C尺寸的VXI模块上是不可能的，所以需要将这128个通道平均分配到几个模块上，但如果模块数量过多，上位机在读取数据时，又会减慢零槽控制器与上位机间的数据传输速率。最后，经综合考虑，采用每个模块32通道的设计方案，这样只要4个模块就可以做到128通道的并行采集。2)为了在高采样率下，AD模块的采集数据能实时的传输到上位机中，需要尽量提高系统的数据传输率，为此，在驱动程序中采用块传输的方式(即猝发方式)实现大量数据的传输。在一定范围内，块传输时数据块的大小与系统的数据传输率成正比关系，即数据块越大，系统数据传输率越高。当单个AMC2322模块的32通道工作在80KHz的采样率下，或4块AMC2322的128通道工作在20KHz的采样率下时，数据流量均为5Mbyte/s，在即满足这个速率，又留有余量的条件下，采用32K的数据块大小，所以AMC2322的板上存储器大小选取为64KW(中断服务程序中只读取FIFO大小的一半)。同时，32KW的缓存分配给模块上的32个通道，每个通道的缓存实际为1KW，这样在满通道情况下，每隔1024个采样点，上位机就可以进入中断服务程序读取一次数据，这样既保证了采样数据的实时传输，又使上位机中数据的刷新速度不至于太慢。3)32通道并行A/D模块中，采样频率从1Hz～90KHz连续可变(有间断点)的实现。AD采样频率是通过对10MHz的标准时钟信号进行分频得到的。为了提高AD采样频率的分辨率，对10MHz分频时采用了24bit宽度的计数器，由于位数足够宽，使得AD采样频率在1Hz～90KHz的范围内间断点的宽度很小，基本实现了频率的连续性。4)由于输入信号要求电气隔离，同时AD模块上又没有足够的空间实现这一功能以及信号电气隔离对电源的要求较高(主要是负载较大)，所以采用隔离箱的办法，将128个通道的隔离通过4个32通道的外部电气输入隔离箱来实现。每个隔离箱不需要使用VXI系统中的电源，这样有助于VXI系统的稳定性。同时每个通道信号的输入插头采用BNC插头，方便了被测信号的接入。5)为了128通道A/D的并行工作，需要有同一个采样时钟用来同步。我们将32通道并行A/D模块的采样时钟设计为内部时钟和外部时钟两种。当一块AMC2322单独工作时，我们使用内部时钟即可；当需要模块间同步工作时，将一块AMC2322设为主模块，其余的设为从模块，主模块除了向自己提供采样时钟外，还向其余的模块提供采样时钟，这样就可以做到128通道的完全同步。

另外，表1给出了硬件平台配置清单，其中：

(1)VXI总线机箱：为使测量仪器有良好的冷却和供电条件，并留出一定余量，我们选用Agilent E8401A 13槽C尺寸VXI机箱。

(2)VXI零槽控制器：安捷伦公司的E8491B零槽控制器有一内置IEEE-1394PC Link To VXI接口模块，利用该控制器可以通过一根4米长的电缆和一个PCI插卡将计算机直接连接到VXI背板上。基于IEEE-1394技术的VXI零槽控制器，有较高的数据传输速率，有良好的应用性能和较高的性能价格比。通过实际测试，此连接方式可以达到7-8Mbytes/s的数据传输率，满足128通道动力学数据采集系统2Mbytes/s的要求并有很大的余地。

(3)32通道并行A/D采集模块：为满足128通道动力学集成化综合测试系统的需求，我们采用外协单位研制的32通道通用并行A/D采集模块，该模块VXI接口类型为寄存器基，A16/D16方式，支持VXI中断功能；每通道的采样率从1Hz到90KHz连续可变，并可通过软件进行设置；AD采样时钟可以是内部时钟或外部时钟，并可通过软件选择；每通道的模数转换分辨率为16bit；所有通道共用一个64KW的FIFO作为缓存，通过上位机可以将该缓存中存储的数据读走；该模块具有两种工作方式：单次采集和连续采集(即实时采集)，工作方式的选择完全由软件程序决定。

(4)32通道信号输入隔离箱：该隔离箱采用2U的高度，每路信号在隔离前使用单独的隔离电源，隔离后共同使用系统电源。每路信号输入端子为BNC插头，该模块还具有“直通”功能，即输入信号不经过隔离直接输出，该功能通过信号输入BNC端子上方的手动开关进行设置。

序号	型号	描述	数量
序号	型号	描述	数量	1	E8401A	13槽C尺寸VXI机箱	1
2	E8491B	零槽控制器	1	1	E8401A	13槽C尺寸VXI机箱	1
2	E8491B	零槽控制器	1	3	Opt001	PCI-IEEE1394插卡	1
4	AMC2322	32通道高速并行A/D采集模块	4	3	Opt001	PCI-IEEE1394插卡	1
4	AMC2322	32通道高速并行A/D采集模块	4	5	AMC7203	32通道信号输入隔离箱、BNC接线盒	4

序号	型号	描述	数量
序号	型号	描述	数量	6	主控计算机	2P4/2.8G/1G/80GSCSI/40XRW-CDROM/10/100BT/W2000/128M显卡/17”	1
7	打印机	HP-1300网络打印机，用于打印数据、曲线、报表等	1	6	主控计算机	2P4/2.8G/1G/80GSCSI/40XRW-CDROM/10/100BT/W2000/128M显卡/17”	1
7	打印机	HP-1300网络打印机，用于打印数据、曲线、报表等	1	8	机柜	标准机柜，用于集成电气隔离箱、VXI机箱、电源系统等	1

1硬件平台配置清单

软件系统

软件采用面向对象技术及功能模块分层管理的设计思想，使得软件系统具有易用性、通用性、可维护性、可扩充性、可移植性等特点。整个软件系统采用标准化设计及结构化编程方法，遵循软件和硬件相对独立、测试流程与测试程序相对独立的设计原则，以确保动力学综合测试系统的通用性及可扩展性，满足动力学环境模拟各种不同试验条件下所要求的数据采集与测试分析功能。根据动力学数据采集分析软件系统的功能与特点，我们将软件系统分成6个层次及相对应的功能模块进行研发管理，如图2所示。

(1)VXI测试系统硬件模块：包括VXI总线机箱、32通道并行A/D采集板卡、零槽控制器和输入隔离箱。一块或多块采集板卡可以形成不同规模的动力学集成化综合测试系统。

(2)硬件驱动程序：通过PCI总线为VXI测试系统硬件模块和Windows操作系统搭起了一座桥梁。

(3)硬件资源配置与驱动管理：用来搜索、辨识硬件模块，并根据测试系统具体的硬件配置来调用相应的驱动程序，以完成硬件底层的数据采集任务。该层的存在实现了测试应用软件独立于具体的硬件配置，使得应用软件具有通用性，在硬件配置改变时无需修改软件程序。

(4)应用系统测试运行引擎：该层是测试系统的主体，它包括在测试过程中一些共用的数据采集、数据存储等功能引擎库和完成相应测试任务的应用软件(如正弦扫描测量和随机振动测量等应用软件)，测试过程中的数据采集、数据处理、数据显示及数据存储等并行实时任务都在此层完成。

(5)应用系统共用库：负责对航天器动力学环境试验中涉及到的各种参数、数据和用户操作进行管理，是连接应用系统图形用户界面和测试运行引擎的一座桥梁。

(6)应用系统图形用户界面：应用软件的所有可视部分将包括在该层。

系统性能优势：

128通道DMS-100动力学环境试验试验数据采集处理系统的各项技术指标如下：

●具有128路A/D，4路D/A的测试容量；

●128通道A/D并行高速采集能力；

●A/D单通道最高采样率可达90kHz；

●A/D通道分辨率为16位，动态范围大于90dB；

●通道隔离度大于90dB；

●每通道数据采集精度：最大误差小于0.5％FSB；

●单端电压输入方式，量程范围为±10V；

●A/D采样频率在DC～90kHz之间可进行任意值设置；

●32路A/D采集板拥有64KW深度的FIFO；

●具有数据采集、实时数据显示、数据存储与回复、数据处理与图形显示、报警条件的设置与生效等功能；

●具备对5～100Hz正弦扫描、10～20kHz随机振动力学环境试验进行数据采集与处理的能力。

该系统研制成功后，与目前在航天器动力学环境试验中使用的国外数据采集系统技术指标进行了对比研究，系统在并行高速同步采样、单通道最高采样率、采集通道分辨率、采集通道量程范围等方面与引进的数据采集系统(美国并行公司ISTAR系统、比利时LMS公司SCADAS III数据采集系统)相比性能处在同等水平，如表2所示，可实现128通道数据高速并行同步采集，实时传输和存储，具备对正弦扫描和随机振动力学环境试验进行数据采集与处理的功能，满足航天器动力学环境试验所要求的大容量数据并行采集、实时传输以及稳定可靠的技术要求。

表2四种数采系统技术指标比较

技术指标	通道数	单通道分辨率	单通道采样率	量程范围
技术指标	通道数	单通道分辨率	单通道采样率	量程范围	DMS-100	128	16位	90KHz	±10V
ISTAR	352	16位	51.2KHz	±5V	DMS-100	128	16位	90KHz	±10V
ISTAR	352	16位	51.2KHz	±5V	SCADAS III	200	24位	204KHz	±10V
HP-3565	160	12位	12.8KHz	±10V	SCADAS III	200	24位	204KHz	±10V

DMS-100动力学数据采集系统根据课题目标配置了128个采集通道，但在研制过程中，充分考虑了硬件平台的可扩展性和可维护性。在这个方面，美国并行公司ISTAR数据采集系统是基于VME总线建立的，有着维护和升级困难的缺点；LMS公司的SCADAS III系统是基于PCI总线技术建立的，在计算机总线上组建内置式大规模动力学测试系统类似于VME总线，有着同样的缺点；LMS公司的HP3565采用的是IEEE-488通用总线，传输率不高，不太适合高速传输的大中型动力学测试系统。我们采用的VXI总线技术性能上优于上述几种总线技术，满足我们动力学试验的测试要求。除了技术上的原因外，好多国外引进的设备是一个黑匣子，我们本身无法在现有设备的基础上对其进行通道扩充。和国内的测试系统相比，这种基于VXI总线技术建立的128个采集通道的测试系统是没有的。

Claims

1.一种数据采集系统，该系统包括：

用于完成数据处理分析、数据存储和实时显示任务的主控计算机；

内置具有较高数据传输速率的零槽控制器和A/D转换功能模块的VXI总线机箱；

对输入的模拟信号进行电气隔离的输入隔离箱；

其中主控计算机是按照VXI总线测试系统外置控制器方式与VXI总线机箱及其测试模块进行通信的。

2.如权利要求1所述的数据采集系统，其中主控计算机机箱中内置PCI-1394转换卡。

3.如权利要求2所述的数据采集系统，其中VXI总线测试系统外置控制方式也即主控计算机通过内置于计算机的PCI-1394转换卡、IEEE1394总线、内置于VXI总线机箱的零槽控制器与VXI测试系统机箱进行连接，从而实现与VXI总线机箱及其测试模块的控制。

4.如权利要求1所述的数据采集系统，其中该系统为128通道动力学数据采集系统。

5.如权利要求4所述的数据采集系统，其是通过采用4个32通道的模块来实现并行采集的。

6.如权利要求4所述的数据采集系统，其中该系统采用块传输的方式即猝发方式来实现大量数据的传输。

7.如权利要求4所述的数据采集系统，其中将采样时钟设计为内部时钟和外部时钟来实现数据的并行采集。

8.如权利要求7所述的数据采集系统，其中当一个32通道模块AMC2322单独工作时，我们使用内部时钟即可；当需要各个模块间同步工作时，将一块AMC2322设为主模块，其余的设为从模块，主模块除了向自己提供采样时钟外，还向其余的模块提供采样时钟，这样就可以做到128通道的完全同步。

9.如权利要求1至8任一权利要求所述的数据采集系统，该系统主要用于航天器动力学环境中。

10.一种数据采集方法，其包括以下步骤：

响应信号由信号输入隔离箱接入VXI总线机箱；

通过采集模块A/D转换器完成动力学响应数据的采集；

所有采集数据通过VXI总线经由IEEE1394连接线实时传送到主控计算机，

完成数据处理分析、数据存储和实时显示。

11.如权利要求10所述的数据采集方法，其可以实现128通道的数据采集。

12.如权利要求11所述的数据采集方法，该方法是通过采用4个32通道的模块来实现并行采集的。

13.如权利要求11所述的数据采集方法，其中该方法采用块传输的方式即猝发方式来实现大量数据的传输。

14.如权利要求11所述的数据采集方法，其中将采样时钟设计为内部时钟和外部时钟来实现数据的并行采集。

15.如权利要求14所述的数据采集方法，其中当一个32通道模块AMC2322单独工作时，我们使用内部时钟即可；当需要各个模块间同步工作时，将一块AMC2322设为主模块，其余的设为从模块，主模块除了向自己提供采样时钟外，还向其余的模块提供采样时钟，这样就可以做到128通道的完全同步。

16.如权利要求10至15任一权利要求所述的数据采集方法，该方法主要用于航天器动力学环境中。

17.一种VXI测试系统，该系统包括：

VXI测试系统硬件模块；

硬件资源配置与驱动管理模块：用来搜索、辨识VXI测试系统硬件模块，并根据测试系统具体的硬件配置来调用相应的驱动程序，以完成硬件底层的数据采集任务；

应用系统图形用户界面：用于应用软件的可视化。

18.如权利要求17所述的VXI测试系统硬件模块，其中包括VXI总线机箱、内置于其中的32通道并行A/D采集模块和零槽控制器、32通道信号输入隔离箱。