CN112446066A - 一种航天器储运环境监测的通用设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器储运环境监测的通用设计方法，包括：S1、硬件设计，针对不同节点的硬件采用通用性的模块化设计；S2、基于生产者/消费者设计模式搭建软件框架；S3、参数配置，通过硬件配置、通道配置的参数配置，适应多种模块，扩大软件适用范围；S4、流程、数据统一化，模式固化，便于模块扩展；S5、数据分卡分类分模块处理，用于降低耦合度；S6、数据预处理，告警数据预提取，用于提高分析效率。本发明所述的航天器储运环境监测的通用设计方法采用开放系统架构，支持硬件即插即用、软件按需加载，通过软件编程实现灵活化、多样化和定制化的功能。

Description

一种航天器储运环境监测的通用设计方法

技术领域

本发明属于航天器储运技术领域，尤其是涉及一种航天器储运环境监测的通用设计方法。

背景技术

航天器在公路、铁路、飞机以及轮船等运输过程中，需保障储运环境(包装箱)内部温度、湿度、压差以及振动、冲击等环境条件在一定的范围内，为航天器运输安全提供可靠的保护。因此，在航天器储运过程中需要专用的监测系统，用于对储运环境温度、湿度、压差、力学环境振动数据等参数进行实时监测、记录。

航天器储运监测传统产品作为单一目标定制产品，研制周期长、成本高，且不同型号的硬件不能直接互换，软件不可复用，可重构性能具有局限性，制约资源最优化实现。不同型号需求，采集数据类别不同、通道数量不同、采集卡类别不同，目前的监测系统各有不同，造成现在监测系统种类繁多不易维护；数据记录格式不统一，数据分析维护困难；监测系统设计、测试反复重复，浪费人力物力。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种航天器储运环境监测的通用设计方法，以解决现有的监测系统种类繁多不易维护；数据记录格式不统一，数据分析维护困难；监测系统设计、测试反复重复，浪费人力物力的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种航天器储运环境监测的通用设计方法，包括：

包括：

S1、硬件设计，针对不同节点的硬件采用通用性的模块化设计；

S2、基于生产者/消费者设计模式搭建软件框架；

S3、参数配置，通过硬件配置、通道配置的参数配置，适用多种模块，扩大软件适用范围；

S4、流程、数据统一化，模式固化，便于扩展；

S5、数据分卡分类分模块处理，用于降低耦合度；

S6、数据预处理，告警数据预提取，用于提高分析效率。

进一步的，所述步骤S1中，硬件设计时，将硬件分模块安装，其中包括主控模块、采集模块、驱动及转接模块、交换机模块。

进一步的，各模块均安装在监测箱内；所述采集模块为可插拔式采集卡，所述采集卡为多个，用于获取各类传感器采集的数据信息；

采集卡通过驱动及转换模块连接主控模块，主控模块连接交换机模块，所述主控模块为工控机。

进一步的，所述步骤S2中，软件框架的搭建包括数据采集功能模块、数据预处理功能模块、数据存储功能模块、命令执行功能模块、通信转发功能模块、日志记录功能模块。

进一步的，所述步骤S3中，硬件参数配置包括对以下几方面的参数配置：地址、端口、采样率、首通道、末通道、时钟选择、外触发源、触发方式；

通道配置包括对以下几方面的参数配置：通道类型、信号类型、公式参数。

进一步的，所述步骤S4的具体方法如下：

首先整理归纳采集卡常用控制操作流程，主要包括：连接设备、断开设备、采集开始、采集停止、数据读取、调零、采集预启动；将不同采集卡的接口函数按采集常用控制流程完成各流程事件编辑，主函数在进行采集卡相应控制操作时，调用相应事件流程，做到隔离各采集卡的差异性；

不同采集卡数据格式不同，将数据统一格式为同一含义、同一类型的二维数组传递；

扩展采集卡类别，增加采集卡选择分支，修改事件流程并格式化读取数据。

进一步的，所述步骤S5的具体方法如下：

采用不同的采集卡完成数据采集后，需完成公式计算、分类处理、数据转发、数据存储、数据显示操作；多卡同时处理会造成程序迟滞、数据不一致、显示不及时，故采用分卡处理的方式，降低各卡的耦合度；

对数据采集、处理、显示、存储分模块通用化处理，降低程序间耦合度，提高程序易扩展能力

其中，数据处理程序包括数据分类、公式计算、预处理、数据组包、数据包转发至显示、存储程序，其中显示程序根据包格式反解析分类显示，存储程序固定存储格式根据数据包分类分组存储并记录相关配置参数；

数据包根据采集频率和用途分为冲击数据包、振动数据包、缓变量数据包、显示数据包、存储数据包；各数据包组成如下：

冲击数据包和振动数据包，由包络数据、详细数据、告警状态、起始时间组成；

缓变量数据包由缓变量数据组成；

显示数据包由卡号、时间、告警状态、通道查看状态、包络数据、缓变量数据、详细数据组成；

存储数据由卡号、时间、采样率、组名称、通道名称组成。

进一步的，所述步骤S6的具体方法如下：

数据预处理主要包括数据压缩、特征值提取、告警判断、告警数据提取；具体如下：数据完成告警判断，提前将振动、冲击数据的告警前0.5s和告警后1.5s的详细数据提取；

对缓变量数据提前完成数据压缩处理；

对振动冲击全过程状态查看，数据处理完成1s内的特征值提前提取。

相对于现有技术，本发明所述的航天器储运环境监测的通用设计方法具有以下优势：

本发明所述的航天器储运环境监测的通用设计方法采用开放系统架构，支持硬件即插即用、软件按需加载，通过软件编程实现灵活化、多样化和定制化的功能。同时软件兼容原有系统硬件，使原有系统平滑过渡自适应。有效提升监测系统设计效率，保证系统的易维修性，数据的可维护性。本发明人机界面操作简单，稳定性高；同时该软件使用图形化语言编程，方便修改调试。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为软件框架流程图；

图2为参数配置示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

监测系统主要由传感器和数据采集卡、工控机、监测端等组成。

基本原理如下：传感器数据经采集卡转换后传输到工控机，工控机负责数据的读取、处理、存储和转发。工控机将监测数据转发笔记本电脑、手机等监测端。

采用开放系统架构，支持硬件即插即用、软件按需加载，通过软件编程实现灵活化、多样化和定制化的功能。同时软件兼容原有系统硬件，使原有系统平滑过渡自适应。

该设计方法主要包括以下步骤：

步骤一：硬件模块化设计

监测箱采用模块化设计，将采集卡，电源，工控机等分模块安装，方便更换、维修。共分为主控模块、采集模块、驱动及转接模块、交换机模块，增加抗震设计，适应运输环境。

步骤二：软件框架搭建

软件采用成熟开发平台编制，整体架构采用生产者/消费者设计模式。基本功能主要有数据采集、数据预处理、数据存储、命令执行、通信转发、日志记录。

基本的数据流程如附图1所示。

步骤三：参数配置设计

软件设计兼容现有成熟硬件，以常用采集卡为例，主要有USB2852、EM9636、NET0824三种。考虑多卡通用、适应多种传感器，选用不同种类、不同数量的卡以及不同的传感器只需修改相应的配置即可，主要设计有硬件配置和通道配置，见附图2。

硬件配置为与采集卡有关的硬件参数(连接、时钟、通道数、采样等参数)。各卡的硬件参数有所区别，且部分参数采用默认设置即可。硬件配置参数主要设计有地址、端口、采样率、首通道、末通道、时钟选择、外触发源、触发方式，其中时钟相关设置是同步卡多卡级联时需要用到，且有的卡通信将命令端口和数据端口分开，因此各卡硬件参数根据所选卡型号不同参数也略有不同。

通道配置为与单通道的相关参数(通道类型、信号类型、公式参数等)。监测传感器类型主要有温度、湿度、压差、振动、冲击、电压、电流等，信号类型主要有0-5v，4-20mA(调理模块转换至1-5v)，±5v等。各卡各通道所接传感器不同，从采集卡数字量转换至实际传感器的模拟量转换公式也相应不同。通道配置中主要设计有通道号、通道类型、传感器编号、信号类型、参数1、参数2、修正系数、通道可用等参数。其中通道号根据选择采集卡类型相应变化，最大为所选采集卡实际通道数；通道类型与传感器编号为数据显示、存储时数据分类分通道索引所用；实际模拟量计算根据信号类型、参数1、参数2、修正系数计算，不同类型参数1与参数2意义不同，温湿度类型输入传感器测量范围，压差类型输入斜率和零点，冲击振动类型输入灵敏度和零点，其中零点可根据实际零压、零振动时分别进行调零设置。

程序根据所选类型相应完成公式调整。示例如下：

步骤四：流程、数据统一化

不同的采集卡，通信协议、函数、接口文件各有不同。

首先整理归纳采集卡常用控制操作流程，主要包括：连接设备、断开设备、采集开始、采集停止、数据读取、调零、采集预启动。将不同采集卡的接口函数按采集常用控制流程完成各流程事件编辑，主函数在进行采集卡相应控制操作时，调用相应事件流程，做到隔离各采集卡的差异性。

不同采集卡数据格式不同，将数据统一格式为同一含义(比如：以v为单位的电压值)、同一类型(比如：单精度浮点数)的二维数组传递。

扩展采集卡类别，增加采集卡选择分支，相应修改事件流程并格式化读取数据即可。

步骤五：数据分卡分类分模块处理，降低耦合度

不同的采集卡完成数据采集后，需完成公式计算、分类处理、数据转发、数据存储、数据显示等操作。多卡同时处理会造成程序迟滞、数据不一致、显示不及时等，故采用分卡处理的方式，降低各卡的耦合度。

数据采集、处理、显示、存储分模块并通用化处理，降低程序间耦合度，提高程序易扩展能力。采集处理程序完成数据分类、公式计算、预处理、数据组包，数据包转发至显示、存储程序。显示程序根据包格式反解析分类显示，存储程序固定存储格式根据数据包分类分组存储并记录相关配置参数(采样率、通道数等)，方便数据维护。

根据采集频率与用途，主要有冲击数据包、振动数据包、缓变量数据包、显示数据包等，数据包组成结构如下：

冲击数据包和振动数据包由包络数据、详细数据、告警状态、起始时间组成；

缓变量数据包由缓变量数据组成；

显示数据包由卡号、时间、告警状态、通道查看状态、包络数据、缓变量数据、详细数据组成；

存储数据由卡号、时间、采样率、组名称、通道名称组成。

步骤六：数据预处理，告警数据预提取，提高分析效率

不同数据采样频率不同，数据分析时用户关注点也不一致。储运时间的长短直接影响数据分析的时间。了解用户需求，根据常用数据分析办法，提前对数据做预处理，提高数据分析效率。数据预处理主要包括数据压缩、特征值提取、告警判断、告警数据提取。详细设计如下：数据完成告警判断，提前将振动、冲击数据的告警前0.5s和告警后1.5s的详细数据提取，提高频谱分析的效率；缓变量数据需要全过程趋势，提前完成数据压缩处理；振动冲击全过程状态查看，数据处理完成1s内的特征值(比如：最大最小值)提前提取。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于,包括：

S1、硬件设计，针对不同节点的硬件采用通用性的模块化设计；

S2、基于生产者/消费者设计模式搭建软件框架；

S3、参数配置，通过硬件配置、通道配置的参数配置，适应多种模块，扩大软件适用范围；

S4、流程、数据统一化，模式固化，便于模块扩展；

S5、数据分卡分类分模块处理，用于降低耦合度；

S6、数据预处理，告警数据预提取，用于提高分析效率。

2.根据权利要求1所述的航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，硬件设计时，将硬件分模块安装，其中包括主控模块、采集模块、驱动及转接模块、交换机模块。

3.根据权利要求2所述的航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于：各模块均安装在监测箱内；所述采集模块为可插拔式采集卡，所述采集卡为多个，用于获取各类传感器采集的数据信息；

采集卡通过驱动及转换模块连接主控模块，主控模块连接交换机模块，所述主控模块为工控机。

4.根据权利要求1所述的航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，软件框架的搭建包括数据采集功能模块、数据预处理功能模块、数据存储功能模块、命令执行功能模块、通信转发功能模块、日志记录功能模块。

5.根据权利要求1所述的航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，硬件参数配置包括对以下几方面的参数配置：地址、端口、采样率、首通道、末通道、时钟选择、外触发源、触发方式；

通道配置包括对以下几方面的参数配置：通道类型、信号类型、公式参数。

6.根据权利要求1所述的航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于，所述步骤S4的具体方法如下：

首先整理归纳采集卡常用控制操作流程，主要包括：连接设备、断开设备、采集开始、采集停止、数据读取、调零、采集预启动；将不同采集卡的接口函数按采集常用控制流程完成各流程事件编辑，主函数在进行采集卡相应控制操作时，调用相应事件流程，做到隔离各采集卡的差异性；

不同采集卡数据格式不同，将数据统一格式为同一含义、同一类型的二维数组传递；

扩展采集卡类别，增加采集卡选择分支，修改事件流程并格式化读取数据。

7.根据权利要求1所述的航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于，所述步骤S5的具体方法如下：

采用不同的采集卡完成数据采集后，需完成公式计算、分类处理、数据转发、数据存储、数据显示操作；多卡同时处理会造成程序迟滞、数据不一致、显示不及时，故采用分卡处理的方式，降低各卡的耦合度；

对数据采集、处理、显示、存储分模块通用化处理，降低程序间耦合度，提高程序易扩展能力

其中，数据处理程序包括数据分类、公式计算、预处理、数据组包、数据包转发至显示、存储程序，其中显示程序根据包格式反解析分类显示，存储程序固定存储格式根据数据包分类分组存储并记录相关配置参数；

数据包根据采集频率和用途分为冲击数据包、振动数据包、缓变量数据包、显示数据包、存储数据包；各数据包组成如下：

冲击数据包和振动数据包，由包络数据、详细数据、告警状态、起始时间组成；

缓变量数据包由缓变量数据组成；

显示数据包由卡号、时间、告警状态、通道查看状态、包络数据、缓变量数据、详细数据组成；

存储数据由卡号、时间、采样率、组名称、通道名称组成。

8.根据权利要求1所述的航天器储运环境监测的通用设计方法，其特征在于，所述步骤S6的具体方法如下：

数据预处理主要包括数据压缩、特征值提取、告警判断、告警数据提取；具体如下：

数据完成告警判断，提前将振动、冲击数据的告警前0.5s和告警后1.5s的详细数据提取；

对缓变量数据提前完成数据压缩处理；

对振动冲击全过程状态查看，数据处理完成1s内的特征值提前提取。

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