利用LabVIEW實時模塊縮減F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的測試成本與時間

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

Industry:
Government/Defense, Aerospace/Avionics

Products:
Dynamic Signal Analyzers, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
用一個可采集、分析和存儲來自下一代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)引擎設(shè)計的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，來替換洛克希德馬丁航空公司的一個專用的基于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實時模塊，創(chuàng)建一個滿足嚴(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LabVIEW實時模塊，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所需的確定性響應(yīng)時間。"　

便攜式數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PDDAS）使用了LabVIEW實時模塊和PXI，以控制風(fēng)洞測試和采集記錄來自128個不同通道的空氣壓力數(shù)據(jù)。

　　顯著縮短測試周期

　　在G 系統(tǒng)有限公司，我們利用不到四個月的時間，完成了從基于VME 的設(shè)備到一個更為健壯、緊湊和可靠的數(shù)據(jù)采集與實時控制系統(tǒng)的升級?，F(xiàn)在，洛克希德馬丁公司的工程師們可以在實現(xiàn)其通道數(shù)翻番的同時，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）使測試周期從2 秒降至50 毫秒，所有這些費(fèi)用都比僅僅升級基于VME的測試系統(tǒng)的一部分所需的成本要低。

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

　　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 的測試系統(tǒng)難以配置和升級，洛克希德馬丁德公司的工程師們委托我們開發(fā)新型PDDAS 系統(tǒng)，以控制和采集來自其風(fēng)洞測試的數(shù)據(jù)。

　　PDDAS包含基于兩個PXI 機(jī)箱的128個通道同時進(jìn)行動態(tài)壓力測量的采樣，共配有16個NI PXI-4472動態(tài)信號采集模塊。初看之下，兩個機(jī)箱似乎讓系統(tǒng)太復(fù)雜，顯得多余；然而，通過利用NI MXI 光纖拓展連接這兩個機(jī)箱，并沒有引入額外的復(fù)雜度。MXI 總線基本作為一個PCI橋連接第二個機(jī)箱。從軟件的觀點來看，第二個機(jī)箱內(nèi)的板卡看似位于第一個機(jī)箱。PXI的采用還提供了以頗有競爭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，它連接至一個面向張力測量信號調(diào)理的全橋庫利特壓力傳感器。利用LabVIEW 實時模塊，我們可以實現(xiàn)確定性的響應(yīng)時間，這對于采集空氣壓力數(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實時模塊處理所謂的“嗡嗡”計算（每50毫秒近450000次浮點計算），它搜尋引擎入氣口內(nèi)的一個諧振條件。在某些操作參數(shù)下，進(jìn)入入氣口的氣流可能會同相。如果允許達(dá)到完全諧振，所產(chǎn)生的作用力可能會損害引擎。為杜絕這一現(xiàn)象，PDDAS 系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測接近嗡嗡的條件，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)量及高計算強(qiáng)度，嵌入式PXI-8176 Pentium 控制器沒有足夠的剩余帶寬將采集到的數(shù)據(jù)保存到磁盤。為了解決這個問題，我們在PXI 機(jī)箱中安裝了VMIC映射內(nèi)存卡。NI 提供LabVIEW實時驅(qū)動來支持映射內(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，作為輔助任務(wù)將數(shù)據(jù)寫入獨立磁盤冗余陣列（RAID）。映射存儲提供簡單優(yōu)越的解決方案，消除了系統(tǒng)潛在的瓶頸。

　　系統(tǒng)通信

　　因為PDDAS系統(tǒng)被應(yīng)用于全國多個風(fēng)洞中，所以Lockheed Martin的工程師需要找到一個普適的可向每個風(fēng)洞控制系統(tǒng)提供實時反饋的機(jī)械裝置。因此我們在應(yīng)用中采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。盡管UDP協(xié)議并不是一個確定性協(xié)議，但它適用于每個風(fēng)洞設(shè)備。通過謹(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。