利用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊縮減F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的測(cè)試成本與時(shí)間

Author(s):
Dave Scheibenhoffer - G Systems
Michael Fortenberry - G Systems

Industry:
Government/Defense, Aerospace/Avionics

Products:
Dynamic Signal Analyzers, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
用一個(gè)可采集、分析和存儲(chǔ)來(lái)自下一代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)引擎設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，來(lái)替換洛克希德馬丁航空公司的一個(gè)專用的基于VME的DSP 系統(tǒng)。

The Solution:
利用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成可用的技術(shù)，其中包括PXI、MXI、UDP 和RAID，以及LabVIEW實(shí)時(shí)模塊，創(chuàng)建一個(gè)滿足嚴(yán)格技術(shù)要求的、緊密集成的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

　　"通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)模塊，可以在各種操作情況下獲得采集空氣壓力數(shù)據(jù)及向風(fēng)洞提供反饋控制信號(hào)所需的確定性響應(yīng)時(shí)間。"　

便攜式數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PDDAS）使用了LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和PXI，以控制風(fēng)洞測(cè)試和采集記錄來(lái)自128個(gè)不同通道的空氣壓力數(shù)據(jù)。

　　顯著縮短測(cè)試周期

　　在G 系統(tǒng)有限公司，我們利用不到四個(gè)月的時(shí)間，完成了從基于VME 的設(shè)備到一個(gè)更為健壯、緊湊和可靠的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的升級(jí)。現(xiàn)在，洛克希德馬丁公司的工程師們可以在實(shí)現(xiàn)其通道數(shù)翻番的同時(shí)，以比其先前的VME設(shè)備提高10 倍的速度配置其基于PXI 的系統(tǒng)。而且，便攜式數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PDDAS）使測(cè)試周期從2 秒降至50 毫秒，所有這些費(fèi)用都比僅僅升級(jí)基于VME的測(cè)試系統(tǒng)的一部分所需的成本要低。

　　對(duì)噴氣式引擎的設(shè)計(jì)改進(jìn)需要引擎工作參數(shù)的精確表征。為完成此項(xiàng)工作，設(shè)計(jì)工程師們檢視了噴氣式引擎的空氣壓力分布，以觀測(cè)在引擎渦輪入口處的氣流模式扭曲。為采集這一數(shù)據(jù)，需要一個(gè)關(guān)于飛行器的精確擴(kuò)展模型和一個(gè)接近音速的風(fēng)洞來(lái)模擬實(shí)際工作條件。

　　洛克希德馬丁德公司的工程師們采用F-35 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)測(cè)試中的設(shè)備擴(kuò)展模型。由于已經(jīng)確認(rèn)其先前基于VME 的測(cè)試系統(tǒng)難以配置和升級(jí)，洛克希德馬丁德公司的工程師們委托我們開(kāi)發(fā)新型PDDAS 系統(tǒng)，以控制和采集來(lái)自其風(fēng)洞測(cè)試的數(shù)據(jù)。

　　PDDAS包含基于兩個(gè)PXI 機(jī)箱的128個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的采樣，共配有16個(gè)NI PXI-4472動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊。初看之下，兩個(gè)機(jī)箱似乎讓系統(tǒng)太復(fù)雜，顯得多余；然而，通過(guò)利用NI MXI 光纖拓展連接這兩個(gè)機(jī)箱，并沒(méi)有引入額外的復(fù)雜度。MXI 總線基本作為一個(gè)PCI橋連接第二個(gè)機(jī)箱。從軟件的觀點(diǎn)來(lái)看，第二個(gè)機(jī)箱內(nèi)的板卡看似位于第一個(gè)機(jī)箱。PXI的采用還提供了以頗有競(jìng)爭(zhēng)力的成本獲得足夠高的數(shù)據(jù)傳輸速率（132MB/s），以供后續(xù)擴(kuò)展。

　　PDDAS還包含有NI SCXI-1520，它連接至一個(gè)面向張力測(cè)量信號(hào)調(diào)理的全橋庫(kù)利特壓力傳感器。利用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊，我們可以實(shí)現(xiàn)確定性的響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)于采集空氣壓力數(shù)據(jù)和提供回饋至風(fēng)洞的控制信號(hào)以改變工作條件都是必要的。

　　反射內(nèi)存

　　利用PXI 架構(gòu)，我們可以處理PDDAS 系統(tǒng)中采集的大量數(shù)據(jù)，而LabVIEW實(shí)時(shí)模塊處理所謂的“嗡嗡”計(jì)算（每50毫秒近450000次浮點(diǎn)計(jì)算），它搜尋引擎入氣口內(nèi)的一個(gè)諧振條件。在某些操作參數(shù)下，進(jìn)入入氣口的氣流可能會(huì)同相。如果允許達(dá)到完全諧振，所產(chǎn)生的作用力可能會(huì)損害引擎。為杜絕這一現(xiàn)象，PDDAS 系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)接近嗡嗡的條件，并反饋至風(fēng)洞控制系統(tǒng)以根據(jù)需要改變風(fēng)洞的操作參數(shù)。

　　考慮到大數(shù)據(jù)量及高計(jì)算強(qiáng)度，嵌入式PXI-8176 Pentium 控制器沒(méi)有足夠的剩余帶寬將采集到的數(shù)據(jù)保存到磁盤。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)赑XI 機(jī)箱中安裝了VMIC映射內(nèi)存卡。NI 提供LabVIEW實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)來(lái)支持映射內(nèi)存卡的安裝與配置。在該方案中，我們將采集數(shù)據(jù)映射到運(yùn)行Windows 2000系統(tǒng)的Pentium主工作站上。工作站采用成熟的商用光纖通道卡及驅(qū)動(dòng)，作為輔助任務(wù)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入獨(dú)立磁盤冗余陣列（RAID）。映射存儲(chǔ)提供簡(jiǎn)單優(yōu)越的解決方案，消除了系統(tǒng)潛在的瓶頸。

　　系統(tǒng)通信

　　因?yàn)镻DDAS系統(tǒng)被應(yīng)用于全國(guó)多個(gè)風(fēng)洞中，所以Lockheed Martin的工程師需要找到一個(gè)普適的可向每個(gè)風(fēng)洞控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)反饋的機(jī)械裝置。因此我們?cè)趹?yīng)用中采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。盡管UDP協(xié)議并不是一個(gè)確定性協(xié)議，但它適用于每個(gè)風(fēng)洞設(shè)備。通過(guò)謹(jǐn)慎選取LabVIEW 任務(wù)屬性，PDDAS 能夠以50 ms 的固定傳輸率發(fā)送UDP 包。