CN115638952A

CN115638952A - 多点压力数据同步并行采集系统及应用方法

Info

Publication number: CN115638952A
Application number: CN202211461623.XA
Authority: CN
Inventors: 吴军强; 杨党国; 董宾; 蒲麒; 贾霜; 严春晖; 宁荣辉; 王良锋; 刘洋; 赵阳; 黄飓; 吴鑫; 钟镓忆
Original assignee: High Speed Aerodynamics Research Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: High Speed Aerodynamics Research Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明公开了一种多点压力数据同步并行采集系统及应用方法，涉及风洞试验领域，包括：多个压力待测点位；通过压力传导管路与各待测点位连通的多个采集单元；将各采集单元进行分组集成的多个采集模块；多个采集模块组成的采集终端；对多个采集终端进行同步采集控制的同步控制模块；中央处理单元；其中，每个采集单元上均分别设置有独立、同型的AD数字仪，且各AD数字仪通过对应的锁相环进行锁相；所述AD数字仪的处理器中集成有时间戳计数器；各采集终端分别设置有对应的同步触发器。本发明提供一种多点压力数据同步并行采集系统及应用方法，可以对数百个点位进行同步压力采集，减小采集延时误差，准度更高。

Description

多点压力数据同步并行采集系统及应用方法

技术领域

本发明涉及风洞试验领域。更具体地说，本发明涉及一种风洞试验中对电子压力扫描阀测量的多个点位压力数据进行高精度同步并行采集的多点压力数据同步并行采集系统及应用方法。

背景技术

风洞试验中需要采集的数据类型包含很多，压力是其中一项非常重要参数，其主要是针对风洞稳定段总压、试验段静压、引射段引压，以及波后总压场、流场静压场，模型表面压力等。通过这些压力的测量可以解算出风速、气动力系数、模型表面流动特征等重要的风洞试验数据。其中波后总压场、流场静压场，模型表面压力的测量属于大规模压力测量，其需要同时测量的压力点数少则数十个点，多则数百个点。

如果使用一个压力测点配置一个压力传感器的方式，则对于大规模压力测量风洞试验来说，就需要同时接入上千个压力传感器同时进行压力采集，这会造成极大的系统负担和资源浪费。自20世纪90年代从美国引进电子压力测量系统后，风洞试验中针对大规模压力测量主要就是利用电子压力测量来完成。一套压力测量系统配置多个采集模块，每个采集模块又具有十几到数十个采集单元，可以同时对近千个压力测点进行压力测量。压力测量系统因为其具有小型化、精度高、测点数多等优点，在风洞试验中得到了广泛的运用。

但在电子压力测量的具体使用中，其存在以下三个缺陷：

一是现有的电子压力扫描阀，一个模块上的所有压力采集单元共用一个AD数字仪，压力数据采集时，仅有串行方式，无法实现多路压力数据并行采集；

二是现有电子压力扫描阀测量压力数据的方式是采用的轮询式，即采集模块上的所有压力采集单元按照先后顺序逐个记录压力数据，其相邻两个采集单元间的数据在时间上有个延迟Δt，模块的压力采集单元越多，则第一个采集单元和最后一个采集单元间记录压力时间的延迟就越大，该延迟为(n-1)*Δt，n为模块上的采集单元个数。同时，为了减小压力数据的随机变化误差，会将同个采集单元的数个压力值求平均作为最终采集到的压力值，此时第一个采集单元和最后一个采集单元间压力记录时间上的延迟为(nk-1)*Δt，如图1所示。另外，当进行大规模压力测量时，为保证数据读取、处理的实时性，电子压力测量的采样速率设置较小，一般在100Hz左右。此时压力采集单元间的数据记录时间就存在一个秒级的误差，因为风洞试验中所测量的压力是一个波动值，因为采集时间的延迟导致最终所采集到的压力数据不是同一时刻的压力值，造成了一个较大的误差。

三是风洞试验大规模压力测量时，需要用到多个压力测量模块，模块与模块之间的采集触发信号有网络传输的方式，也有电缆传输的方式。如图2所示，因为存在传输时间的延迟和不同采集模块间时钟信号的不同相位，从而使不同模块间存在一个随机的采集时间延迟，给最终数据带来误差。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种多点压力数据同步并行采集系统，包括：对流场、飞行器模型定常载荷进行测量的多个压力待测点位；

通过压力传导管路与各待测点位连通的多个采集单元；

将各采集单元进行分组集成的多个采集模块；

具备核心控制器和总线同步时钟的多个采集模块组成的采集终端；

通过集线器对各采集终端采集的压力数据进行分析、存储处理的中央处理单元；

其中，各采集单元上分别设置有独立、同型的AD数字仪，且各AD数字仪通过对应的锁相环进行锁相；

所述AD数字仪的处理器中集成有时间戳计数器；

各采集终端分别设置有对应的同步触发器。

一种应用在风洞试验中多点压力数据同步并行采集系统的方式，包括：

S10、定期通过压力控制器向各压力采集单元输出标准压力值，完成系统工作系数校准；

每次压力开始采集前，对当前压力环境进行零点校准；

S11，同步控制模块向各采集终端提供一个锁相后的公共时钟，以确保各采集单元AD数字仪处于同一待触发状态；

S12，中央处理单元通过同步触发器向各采集终端发出触发指令，各采集终端在接收到触发指令后，给每个采集模块中每个采集单元的AD数字仪设置一个采集起始点，开始压力信号采集，且在采集过程中各AD数字仪的时钟频率通过锁相环锁相，确保各采集单元相位不随采集时间发生偏移，各AD数字仪采集的压力信号通过时间戳计数器中记录当前同步触发事件发生前各个AD数字仪的采样周期数，对不同采集单元间的触发时间起始点误差进行识别和校正；

S13，各采集终端将采集的压力信号通过集线器回传至中央处理单元，实现信号的同步采集。

优选的是，在S12中，对不同采集单元间的触发时间起始点误差进行识别和校正被配置为包括：

各采集单元中的时间戳计数器对各自单元中的采样时钟进行计数；

当同步采集触发脉冲到来时，记录各自采集单元已发生的采样周期数；

对比各采集单元在触发脉冲到来时记录的已发生采样周期数差量；

按照各采集单元记录的已发生周期数差量确定读取数据流的起始点；

其中，当采集单元I比采集单元J采样脉冲周期计数少2，则读取各自采集单元数据流时，采集单元I数据流正常读取，而采集单元J触发时刻往前两个采样周期的数据作为数据流起始点开始读取。

优选的是，在S10中，系统工作系数的校准步骤被配置为包括：

S1110，在压力测量模块的测量范围内，按照以下公式选取11个测试压力点位；

（1）

，i=2,3,...，10 （2）

（3）

（4）

其中，E _L表示压力测量范围下限，E _H表示压力测量范围上限，E _r表示压力测量的量程，E _i表示第i点上加载的校准压力值（i=1，2，…，11）；

S1111，用压力传导管路将待校正的测量单元与标准压力控制器的输出接口相连；

S1112，利用标准压力控制器输出选定的11个压力测试信号，启动数据采集系统的数据记录，在每个压力测试点位上记录100次数据结果，并计算其平均值；

S1113，利用最小二乘法拟合每个压力测量点位的斜率和截距，完成校准。

优选的是，在S10中，所述零点校准操作步骤为：

S1120，将压力测量模块中各个测量单元的测量端口和压力参考端口暴露在同样的气压环境中；

S1121，启动数据采集系统的数据记录，重复记录100次数据结果，并计算其平均值；

S1122，计算出当前各个测量单元的测量端口和压力参考端口的压差；

S1123，在正式采集压力值时，将采集到的压力值减去零校时测得的压差，得到实际测得的压力值。

优选的是，还包括，在风洞的测量中对总压与流场稳态压力传导延时误差进行消除。

优选的是，所述消除方法被配置为包括：

S20，在每次风洞试验时通过各对应的采集单元对总压和流场静压进行同步测量时，确定每组数据的时标；

S21，基于总压峰值对应时标t₁和流场静压峰值对应时标t₂，以得到总压波动与流场中稳态压力波动的延时Δt=t₁-t₂；

S22，在第i次进行数据处理时，选取t_i+Δt时刻对应的第k个测点的稳态压力值P_k(t_i+Δt)，作为总压P₀在t_i 时刻对应的总压值P₀(t_i)，以消除总压与流场稳态压力间传导延时的误差。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明的系统在同步并行采集多点压力数据时，通过每个采集单元中均使用独立、同型AD数字仪，且通过锁相环进行锁相，能确保各采集单元AD数字仪时钟频率完全一致且相位不随时间偏移，保证在一个模块中采集单元之间的采样时钟一致；

其二，本发明通过给各采集模块提供一个锁相后的公共时钟，用来确保每个采集模块中每个采集单元的AD数字仪处于同一待触发状态。

其三，本发明在每个采集单元的AD数字仪中引入时间戳计数器，时间戳计数器记录同步触发事件发生前各个采集单元中AD数字仪的采样周期数，用来识别和校正不同采集单元间的触发时间误差，用于解决各采集单元之间的触发误差；

其四，本发明进一步地在终端中，通过终端内的核心控制器和总线同步时钟，保证每个采集模块记录数据的起始点，保证在同一终端中各采集模块之间的采集状态和采集触发时间一致；

其五，本发明进一步的在终端与终端之间，通过外接同步控制器，提供同步时钟和同步触发，确保终端与终端之间采集状态和采集触发时间一致。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为现有技术中采用轮询制采集压力数据时，不同时序下采集单元在数据记录时间就存在的误差示意图；

图2为现有技术在不同模块间，受传输时间的延迟和不同采集模块间时钟信号的不同相而造成的触发误差示意图；

图3本发明的系统组成框图；

图4为本发明其中一个子系统的组成框图；

图5本发明系统在同步采集时的示意图；

其中，采集终端-1，采集单元-11，采集模块-10，AD数字仪-12，锁相环-13，压力传感器-14，信号调理电路-15，中央处理单元-2，同步控制模块-3，压力控制器-4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图3-图4，一种在风洞试验中多点压力数据同步并行采集系统，包括：

对流场、飞行器模型定常载荷进行测量的多个压力待测点位；

通过压力传导管路与各待测点位连通的多个采集单元11；

将各采集单元进行分组集成的多个采集模块10；

具备核心控制器和总线同步时钟的多个采集模块组成的采集终端1；

通过集线器对各采集终端采集的压力数据进行分析、存储处理的中央处理单元2；

其中，各采集单元中分别设置有独立、同型的AD数字仪12，且各AD数字仪通过对应的锁相环13进行锁相；

所述AD数字仪的处理器中集成有时间戳计数器；

各采集终端分别设置有对应的同步触发器,各采集终端通过同步控制模块3与中央处理单元连接，同步控制模块为各采集终端提供同步时钟和同步触发脉冲。本方案在具体的实施中，各采集模块被配置为包括：

与气路连接组件上待测点位相配合的多个压力传感器14；

与各压力传感器通信连接以构建对应测量通道的数字A/D仪和信号调理电路15；

与各第一信号调理电路通信连接，以实现各压力传感器同步采集的压力测量组件，采用模块化设计，使得接口可扩展且不影响系统整体技术指标；

各采集终端均被配置为包括：

用于对各压力测量组件进行集成的压力测量机箱（未示出），其内设置有带操作系统的第一控制器，各压力测量组件插入压力测量机箱，完成压力测量的模块化集成，机箱为4U标准机架机箱，配一个核心控制器插槽，可插入最多8个采集模块，第一机箱插卡采用快插结构，面板有锁紧螺钉，拧紧后可以加固板卡安装，核心控制器是稳态压力测量系统的核心部件，相当于采集设备的CPU和主板，能够完成数据采集管理、采集指令发送、数据传输等功能。核心控制器的操作系统为RT实时操作系统。当与外界数据产生交互时，实时操作系统能够以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应，调度一切可利用的资源完成实时任务，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。相比于分时操作系统有着响应及时和可靠性高的优点。对于数据采集处理服务器来说，同步采集组件如同黑匣子，核心控制器内部的预置程序自动调取运行同步采集功能，通过采取驱动程序接收服务器发出的采集指令，并向数据采集处理服务器发送采集数据；

与各压力测量组件连接，以提供标准压力的压力控制器4。

压力控制器主要是输出一个标准压力，提供标准压力源，以方便完成压力测量单元工作系数的校对和故障排查工作。本方案中，各压力测量组件的参数指标需要满足表1的要求，以具备单元与单元之间、压力测量模块与模块之间、终端与终端之间相位同步采集的能力；

表1

在实际的应用中，本发明系统中的各压力测量组件配置为包括：

对信号调理电路输入的信号进行处理、输出的第一FPGA；

与第一FPGA通信连接的第一锁相环PLL、第一时钟管理模块、CPU；

其中，外部的通信接口、同步时钟信号、同步触发信号均通过控制总线与第一时钟管理模块、CPU进行通信连接；

而本发明的中所述中央处理单元（也称为控制单元）被配置为包括：

机架，其上具有带信号接口的前面板；

设置在机架内部的第二FPGA；

与第二FPGA通信连接的第二锁相环PLL、第二时钟管理模块，同步信号发生器；

其中，所述控制单元通过分路器与各压力测量组件通信连接，控制单元整体结构设计采用1U机架式结构，前面板配置信号接口，可以接入输入输出信号，同步模块通过USB口与上位机通信，系统中的硬件设备均采用基于FPGA的嵌入式构架，基于FPGA+AD的硬件架构具有符合测试条件的高实时性，不仅能实现信号的采集存储，并且同步性强，功耗低，可靠性高等优点；控制单元作为外部触发源，通过分路器同步接入多个采集终端，实现多设备同步触发的布局；

本方案的各测量模块均采用模块化设计，各模块间功能独立，无耦合。模块化的设计易于扩展系统容量，提高维护效率。

FGPA通过标准PCIe接口，在FPGA内部实现数据采集、数据处理、数据发送等操作。根据功能分为：接口单元、处理单元、输出单元等，单元之间采用数据流驱动模式，本单元数据处理完成后，将数据打包发送至下一级处，在架构内部实现数据交换。

FPGA设计要素包括接口设计、时钟设计、复位设计、功能设计等。接口设计的准则是：不添加过多逻辑，避免添加的逻辑拥堵后影响到接口时序；时钟包括逻辑时钟、接口时钟、存储器时钟等。逻辑时钟取决于逻辑的关键路径，提高产品性能。FPGA实现同步信号时序时，采用固定精准的接口时钟实现接口的同步采用。存储器时钟实现数同步缓存，设计时应避免因刷新频率造成的数据丢失或不稳定；FPGA内部复位包括硬复位、逻辑复位、软复位等。硬复位在外部引脚引入复位，在上电时给入，使整个FPGA逻辑配置完成后达到稳定的状态。逻辑复位由FPGA内部逻辑产生，用于设定如同步控制等信号的准备状态。软复位用于调试阶段，在待测试点、故障定位点等插入软复位，可以快速定位分割问题，加快调试速度。功能设计包括通过FPGA实现信号采集、信号调理、同步控制、数据传输等功能。功能设计的原则是稳定高效，综合考虑要求的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功耗及电路类型等。

一种在风洞试验中多点压力数据同步并行采集系统的应用方法，包括：

每次压力开始采集前，对当前压力环境进行零点校准；

图5说明了不同采集单元间的同步性，而以马赫8为例，其总压目标值为5MPa，总压控制精度要求在0.5%以内，意味着同一次风洞试验中，在数秒的时间内总压值就可能最大变化25000Pa，消除延时误差后，可将图1处不同时刻的采集值归于同一处，实现多点位的同步采集，将使得后期参与计算的总压值消除这最大25000Pa的波动量误差，提高数据准度。

进一步地，对系统工作系数和零点校准进行说明：

1、压力测量单元工作系数校准

a.在压力测量模块的测量范围内，按照式1~4所示，选取11个测试压力点位；

（1）

，i=2,3,...，10 （2）

（3）

（4）

b.用压力传导管路将待校正的测量单元与标准压力控制器的输出接口相连；

c.利用标准压力控制器输出选定的11个压力测试点位，启动数据采集系统的数据记录，在每个压力测试点位上记录100次数据结果，并求其平均值；

d.利用最小二乘法，根据步骤C中获得的11组标准压力值和压力测量单元测得的压力值，拟合每个压力测量单元的工作斜率和截距。

2、零点校准

因为该压力测量系统是差压工作模式，因此，在每次正式压力测量前均需对压力测量单元进行零点校准。其步骤为：

a.将压力测量模块中各个测量单元的测量端口和压力参考端口（每个压力模块有一个共有的参考压力端）暴露在同样的气压环境中；

b.启动数据采集系统的数据记录，重复记录100次数据结果；

c.求取b中100次数据结果的平均值，作为当前各个测量单元的测量端口和压力参考端口的压差；

d.在正式采集压力值时，将采集到的压力值减去零校时测得的压差，即为实际测得的压力值。

还包括，在风洞的测量中对总压与流场稳态压力传导延时误差进行消除。

所述消除方法被配置为包括：

S20，在每次风洞试验时通过各对应的采集模块对总压和流场静压进行同步测量时，确定每组数据的时标；

S22，在在第i次进行数据处理时，选取t_i+Δt时刻对应的第k个测点的稳态压力值P_k(t_i+Δt)，作为总压P₀在t_i 时刻对应的总压值P₀(t_i)，以消除总压与流场稳态压力间传导延时的误差。

以马赫8为例，其总压目标值为5MPa，总压控制精度要求在0.5%以内，意味着同一次风洞试验中，在数秒的时间内总压值就可能最大变化25000Pa，消除延时误差后，可将图1处不同时刻的采集值归于同一处，实现多点位的同步采集，将使得后期参与计算的总压值消除这最大25000Pa的波动量的误差。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。