高　颖

(陕西国际商贸学院，陕西 西安 712000)

发动机试车高速采集数据关键技术的实践

高颖

(陕西国际商贸学院，陕西 西安 712000)

摘要：为了适用发动机试车高速采集数据的需要，迫切需要对高速数据采集系统进行研究，提高高速数据采集系统的性能。选择了IEEE1394作为数据传输模式，建立了一个基于FPGA、DSP和IEEE1394总线的高速数据采集系统，满足了发动机试车高速采集数据的部分需要。

关键词：发动机；高速数据采集；关键技术；实践

发动机试车是发动机出厂前的最后一道程序。发动机试车高速采集数据是指在发动机试车过程中，以高采样率采集发动机零部件的振动、位移和转速等数据的过程。数据采集是获取信息的手段，通过采集发动机试车的数据并进行分析，能够帮助研究人员了解发动机零部件的动态响应特性，不断推动发动机技术的发展。随着发动机应用领域的扩大，对于发动机的性能要求更加严格，发动机试车的重要性越来越大。作为发动机试车工作中最重要的一环，发动机试车高速采集数据要求实现实时化、准确化和高效率。要实现这一目标，就要对发动机试车高速采集数据的关键技术进行研究。

1高速数据采集系统的原理

奈奎斯特釆样定理是应用范围非常广的频率采集原理。奈奎斯特釆样定理简称采样定理，是指针对一个连续模拟信号，按一定的时间间隔以高于该模拟信号最高频率2倍的频率对其进行均匀取样，通过获得的一系列采样数据来确定该模拟信号的原始频率的测试方法。

(1)

(2)

当脉冲信号的脉冲宽度越接近脉冲周期时，采样越接近理想状态。理想状态的冲激脉冲函数为：

(3)

由式2和式3可以得到：

(4)

2高速数据采集系统的建立

2.1高速数据采集系统的数据传输方式

随着发动机技术的不断提高，人们对数据采集系统的要求越来越高。由于人们对数据的要求更加精细，传统的低速数据采集系统已经不适应现在的研究需求。为了在同样的时间内获得更多的数据，研究人员开始设计和研究高速数据采集系统。目前，高速数据采集系统已经逐渐成熟，并应用于航天、航空和军事等各大领域之中。发动机试车高速采集数据要借助高速数据采集系统来实现。高速数据采集系统的性能直接影响到发动机试车高速采集数据的准确性、实时性和可靠性。研究如何提高高速数据采集系统性能是提高发动机高速采集数据技术的关键。为了保证高速采集数据的及时性和准确性，发动机试车的测试系统必须加强数据的采集和解算能力[1]。接口的传输速度对数据采集系统的精确度和工作效率影响非常大。对于作为数据采集工作难度更加大的高速数据采集系统而言，接口的传输速度的意义更为重大。

传统的发动机试车高速数据采集系统采用串行总线数据传输方式。发动机试车测控系统上通常带有多个串行通信接口，比如电子控制器的串行通信接口、带有二次仪表的设备上的串行通信接口等。由于各个串行通信接口的数据标准不一样，要实现串口之间的通信就要统一串行通信接口类型。通常做法是采用协议转换器转换通信接口的数据类型或者采用串口拓展卡分别收集各个接口的相关数据。这种串行总线数据在过去的发动机试车的数据采集中发挥了非常大的作用。然而，随着对发动机的性能要求逐渐提高，对发动机数据参数的及时性和精密性的要求更加严格，这种传输方式的传输速度慢、灵活性差和可靠性低等缺陷日益明显。目前，许多测试项目转向动态参数测试，而串行总线数据传输方式无法满足动态参数采集的要求，在这些项目中无法发挥作用，因此，要对高速数据采集系统的数据传输方式进行改革。

IEEE1394是一种高速串行总线，遵循IEEE1394串行总线标准。IEEE1394串行总线标准是1995年IEEE制定的一种高速数据传输总线标准。IEEE1394有异步传输和等时传输2种传输模式。等时传输多用于实时性的任务，以大容量实时传输等特点广泛运用于多媒体传输领域；异步传输具有CRC校验功能，反映比较灵敏。由于IEEE1394总线标准具有传输速度快、传输形式丰富和配置灵活等优势，受到了许多行业研究人员的重视。目前，IEEE1394已被广泛运用于航空、医疗、汽车和计算机等各个领域。将IEEE1394串行总线作为高速数据采集系统的数据传输模式，可以有效地解决系统控制器与子系统之间的通信问题，有效地突破数据采集系统数据接口传输速度慢的技术瓶颈，符合高速数据采集系统实时性和高可靠性的要求，因此，采用IEEE1394作为发动机试车高速数据采集系统的数据传输模式是数据采集技术发展的一个发展趋势。

2.2基于IEEE1394、DSP和FPGA建立的高速数据采集系统

2.2.1高速数据采集系统框架设计

IEEE1394是一种高速串行总线，协议结构包括链路层、物理层和事务层等3个协议分层(见图1)。事务层读取、比较和交换CSR中的数据，支持异步传输的读写和锁定操作；链路层将事务层的请求转化为相应的逻辑信号，实现对异步数据包的寻址、校验功能；物理层将链路层的逻辑信号转化为电信号放在串行总线上。IEEE1394的3个协议分层相互独立，协议内容比较复杂，因此，在实际应用中，IEEE1394多采用专用总线接口芯片。

图1　IEEE1394协议结构

一般来说，数据采集系统常用的芯片有单片机、DSP、ARM和FPGA等。DSP是一种功能强大的微处理器，对数学信号进行处理，但是工作时钟频率较低。FPGA有利于简化系统设置，保证数据采集系统的稳定性、实时性和可靠性，但是面对复杂计算的处理能力不足；因此，将DSP和FPGA结合起来，集合DSP、FPGA和IEEE1394的优点设计出数据采集系统，利用DSP+FPGA来控制IEEE1394链路层芯片和物理层芯片，既可以实现系统采集的存盘要求，又可以满足数据采集系统体积小、质量轻的设计要求。

高速数据采集系统框架设计如图2所示。首先由DSP完成数据和图像的处理和解码,再将DSP处理完毕的数据通过PFGA进行数字信号处理，最后将处理好的信号通过IEEE1394传送给计算机。

图2　高速数据采集系统框架

图3　数据采集系统功能配置

系统具体功能配置如图3所示。这个功能配置系统以FPGA和DSP等2个模块为核心，通过IEEE1394总线与计算机进行数据交换[2]。FPGA的功能主要是负责采集经过预处理的信号，并控制各个接口；DSP模块的功能主要是预处理接入信号，通过内部总线访问FPGA获得采集结果并进行变换和算法处理后通过IEEE1394总线上传到数据中心。2.2.2高速数据采集系统硬件设计方案

基于IEEE1394、DSP和FPGA建立的高速数据采集系统的硬件设计方案可以划分为IEEE1394总线通信模块、模拟信号集成电路和电源电路等几个硬件模块，其中IEEE1394总线通信模块是系统硬件设计方案的核心。IEEE1394总线模块主要包括FPGA电路、链路层芯片、物理层芯片、电源电路、时钟电路和异步存储器总线接口电路。目前，许多厂商(如Sony、Apple等)都生产IEEE1394协议的物理层芯片和链路层芯片。随着芯片生产技艺的不断提高，现在已经研发出物理层和链路层集合的芯片，极大地方便了基于IEEE1394总线的数据采集系统的设计与实现。

模拟信号采集电路是高速数据采集系统硬件设计的关键。发动机的输出信号频率很低，为了提高采集信号的准确率，要将频率信号进行倍频再转换为模拟信号，因此，在发动机试车高速数据采集系统中，模拟信号的采集应用最广泛。考虑到数据采集系统体积小、质量轻的设计要求，模拟信号采集电路设计要尽量少占用系统的资源，因此，在模拟信号采集电路中运用了FIFO元器件。

FIFO即高速先进先出存储器，具有暂时保存数据，保证数据完整性的功能。模拟信号采集电路的设计思路为FPGA将采集得到的信号进行处理，将结果缓存于FIFO内，DSP通过缓冲区读取信息，将信息进行滤波、倍频等操作后再将结果传到数据管理中心。

模拟信号采集电路的具体设计方案如图4所示。模拟信号采集电路由信号调理电路(RGA模块)、多路切换开关、比例放大电路、A/D转换器和FPGA控制电路组成。信号调理电路的作用是进行滤波和放大信号，使输出的电压值符合A/D转换器的输入值，因此，信号调理电路的调频倍数设置要考虑A/D的输入电压范围。

图4　模拟信号采集电路设计方案

2.2.3高速数据采集系统软件设计方案

高速数据采集系统软件设计流程具体如图5所示。在接通电源，采集系统通电后，系统自动完成初始化工作，软件进行初始化设置，再通过识别状态配置信号切换程序模块。系统的程序模块主要包括地面支持模块、正常工作模块和故障处理模块。在维护状态下进入地面支持模块，实现程序维护升级和下载故障记录工作[3]。在正常工作状态下，高速数据采集系统根据IEEE1394发出的控制命令切换工作状态，有周期性地采集和处理接口输入的数据并输出处理后的数据。当通过自检程序发现故障时进入故障处理模块，记录故障接口并上报数据状态。

图5　数据采集系统软件设计流程

3结语

本文采用IEEE1394作为发动机试车高速数据采集系统的数据传输模式，建立了一个以FPGA和DSP为核心的高速数据采集系统，满足了发动机试车高速采集数据的部分需要。随着技术的不断发展，在发动机试车高速采集数据工作中仍然有可能会出现新的问题，因此，在今后的工作中需要加大对高速数据采集技术的课题研究，不断积累经验，提高该方面的水平。

参考文献

[1] 赵瑞国,马杰,何志勇,等.液体火箭发动机高速采集数据工程数据库设计及应用[J].火箭推进,2011,37(3):60-64,72．

[2] 呼明亮,车炯晖,赵君,等.基于IEEE-1394总线的高速数据采集系统设计[J].电脑知识与技术,2014(19):4450-4453．

[3] 龚东磊、胡继波．IEEE 1394高速串行总线及其应用[J].计算机工程，2002(11):237-239．

责任编辑彭光宇

The Practice of the Key Technologies of High-speed Sampling Data in the Running Engine

GAO Ying

(Shaanxi Institute of International Trade，Xi’an 712000， China)

Abstract:In order to apply the need of high-speed acquisition data when engine run, it has an urgent need to study high speed data acquisition system, and improve the performance. Chose it has IEEE1394 as the data transfer mode, set up a high-speed data acquisition system based on FPGA、DSP and IEEE1394 bus, which can meet the partial requirement of nigh speed data collection of engine trial run.

Key words:the engine，high speed data acquisition，key technology， practice

收稿日期：2014-11-24

作者简介：高颖(1981-)，女，大学本科，主要从事应用数学等方面的研究。

中图分类号：TP 274.2

文献标志码：B