摘  要：针对现有测试总线GPIB、VXI及PXI在车台数据测试系统应用上的缺陷，首先阐述了LXI总线在技术上的优势，尤其是在分布式系统及同步性方面的优势，开展了基于LXI总线的大型测试系统设计及应用，实践效果表明，该测试系统运行稳定可靠且性能达标，满足设计要求。

关键词：LXI技術;VXI系统;大型测试系统同步性

中图分类号：TP274.2       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）01-0034-05

Abstract：In view of the shortcomings of the existing test buses GPIB，VXI，and PXI in the application of the test data system of the vehicle platform，this paper describes the technical advantages of the LXI bus，especially the advantages of distributed systems and synchronization. The design and application of the large-scale test system of the bus show that the test system runs stably and reliably，and the performance meets the design requirements.

Keywords：LXI technology;VXI system;large-scale test system synchronization

0  引  言

随着航空技术的迅猛发展，涡轮进口温度在不断提高，涡轮内部冷气流量在加大，功率等级也在不断提高，为了在真实工作环境中进行涡轮的各种试验，综合考虑成本、技术难度、科研的需求，中国航发动研所在几年前建立了某中温中压双转子涡轮试验器。但是随着涡轮效率水平的不断提升，涡轮气动性能潜力已经越来越难以挖掘，这需要进一步提高试验器的精度，才能反映出设计改进的效果。因此，要求测试具有较高的精细程度，提出了精细化测量的要求，来获得更加全面的试验过程中气动、传热的参数。

目前这个中温中压双转子涡轮试验器的测试系统基于VXI数据采集系统，VXI总线技术经过多年的发展已实现标准化、模块化和系统化，具有标准开放、数据吞吐能力强、可靠性强等特点。但是，该系统的测试通道数仅约两百个，采集通道能力远远不够，且大部分压力测试模块量程过大，无法满足精细化测量的需求。新的需求测试通道数达到一千个以上，且对精度提出了精细化测试的要求。因此，需要对这个涡轮台原有的测试系统进行优化设计。

1  LXI技术特点

自从20世纪70年代初，惠普公司推出GPIB通用仪器总线以来，测试仪器的发展经历了GPIB总线、VXI总线和PXI总线等多种形式。但是采用这些技术的自动测试系统都存在很多不足。如：GPIB仪器体积和重量大，数据传输速度慢，且要用GPIB卡和电缆来实现程控，成本较高;VXI系统虽然有较小的体积和重量，通道数也很多，但是VXI系统必须采用VXI机箱、零槽控制器以及1394-PCI接口卡才可实现程控，构建系统的成本比较高;PXI仪器虽然比VXI仪器的体积小、重量轻，成本也低，但PXI总线仪器的功能覆盖面有限，仪器品种也远比VXI仪器少，通道数和电磁兼容性都比VXI差。[1]

LXI标准具有网络的优势，且很好地解决了其实时性的要求。它的标准是开放式的，和其他的设备都可以相互连接，且易于与Internet连接，能够在任何城市、地方利用电话线通过Internet对企业进行监控，能够实现办公自动化网络与工业控制网络的有机结合[2]。具体来说，首先，它提高了整个系统的吞吐率，不同于其他的总线，比如GPIB传输能力低，VXI利用1394总线最高也只能达到1000 Mbps，但LXI利用网络速度，最高每秒可以达到10 GB，这是质的飞跃;其次，它具有比较灵活的形式，它具有各种宽度和高度选择，能够非常简便地混装在各种机箱中，对于安装场地并没有特殊的要求，可以随意改变;它利用灵活的系统可以使成本得到控制，在组建测试系统方面，LXI模块自带了处理器、LAN连接、电源和触发器输入，并且不需要机箱和零槽控制器，不需要专用接口卡和昂贵的电缆[3]。

因此，在本项目中，由于新的试验器测点通道数要求达到一千个以上，由小型测试系统转为大型测试系统，不仅数据的吞吐量需求大大增加，且对于测试的精度也提出了更高的要求，结合LXI总线的特点及优势，该大型测试系统采用LXI总线技术为平台建设，其下将介绍该应用具体情况及达到的效果。

2  LXI技术在大型测试系统中的应用

随着航空技术的迅猛发展，对涡轮台的改造提出了更高的要求，要求测试通道数由原来的两百余个点提高到了一千多个点以上，升级为大型系统，并且在此基础上要求保持高传输速率、高精度、高同步性等特点，要求采样率达到每通道50 Sa/s/ch，同步性精度优于20 ms。

该涡轮台原测试系统是基于VXI总线的采集系统，对于改造前的试验任务能够稳定可靠地满足相关要求。对于新的要求，如果采用原有系统架构，一方面增加了测试线缆的数量和长度，影响测量的准确性，另一方面，使测试线缆的分布复杂化，增加了系统成本，并且非常不利于系统的现场实施及后期维护。且对于新的大型测试系统并不仅仅是通道的简单叠加，还要求测试设备间具有更高精度数据同步能力。对于VXI系统来说，其同步测试方法是通过VXI仪器的背板总线触发实现同步测试，但这种方法仅在同一机箱内的模块之间有效，对于不同机箱之间就难以实现同步，该VXI系统在同步性方面存在较大局限性。因此，新的改造方案将建立一套基于LXI总线设计的大型测试系统。

2.1  总体方案

该涡轮试验台对测试能力提出了新的高要求，要求测试通道数达到新的级别一千个以上，且要求在大数据量下保持高数据同步性、高精度特点，因此，本方案拟采用LXI设备作为建设平台。LXI采集模块通过配置不同调理模块来满足不同信号类型的测量需求，测量模块等设备放置在恒温機柜中，恒温机柜放置在试验间，以确保工作稳定性及测试准确性，各子系统测量数据通过网络交换机进行传输，这种分布式布局可以大大减少测试线缆。整个数据采集测试系统如图1所示。

2.2  硬件和软件部分

硬件系统由5台计算机和1套稳态数采系统组成，分布在操作测试间和试验间，计算机通过以太网相连，如图1所示。发动机及试验台设备稳态监控参数以不同方式最终全部进入数据采集系统计算机，整个数据采集系统基于以太网构建，测试网络设备、数采计算机、数据显示计算机及电气控制工控机组建成千兆以太网。测试系统前端采用高度集成化的数据采集系统和测量模块，实现转速、流量、温度、压力、振动总量、应力、轴向力、等参数的测量;其他参数如扭矩、功率、大气压力、大气湿度等，则通过以太网等接口方式与数采计算机通讯的方式将测试数据传输到数据采集系统计算机。采用多个显示器，分别通过虚拟仪表监控屏、振动总量曲线示波屏、振动频谱分析屏、动态显示屏、发动机性能曲线跟踪屏和原始数据屏，以不同的形式显示试验件及车台设备测量参数。

软件系统采用结构化、模块化的设计方法，确保整个采集系统能够稳定可靠地运行。试验件及试验台各个设备监控参数以不同的方式最终进入数据采集系统计算机，在数采软件的统一调度下运行。数据采集系统软件就相当于整个系统的中心，系统测试软件参照流行的工控组态软件的模式构筑结构框架，实现所需功能，完成数据采集、处理和显示功能，并完成网络配置和通讯。

软件采用Windows 7作为操作系统平台，融合运用VC++和VB作为应用软件开发平台，软件采用模块化设计，然后进行系统集成。具体软件框图如图2所示。

该测试软件的设计除需完成以上所有功能外，力求达到界面友好易操作，功能完善，可以自动生成系列技术文档，具有监控参数预警、报警功能以及数据连续存储、反演功能。

2.3  压力与流量子系统

对于压力与流量子系统，LXI系统会输出一个TTL信号，用于同步触发PSI设备，因为有多个PSI机箱，则在其间增加一个TTL信号触发分支器，把一个触发信号分到多个PSI机箱中。这样可以保证压力与流量子系统与LXI系统的数据的同步性。

新的要求对测试精度提出了更高的要求，在压力测试中，试验器原来使用的压力测量模块大部分为大量程的测试模块，这就造成了在测量相对较小的压力的时候，相对误差会大量增大。在测量的时候，使用满量程精度的仪器的测量不确定度随测量值下降而下降，没有一个压力传感器在全部量程范围永远保持同样的准确度。因此，读数精度的表示都有一定的范围，在远小于最大量程的很小压力时，精度会大大降低。对于流量测试也是一样，不同支路的流量量程不同，必须按设计的流量值细分，不同的支路选用不同量程的流量计，以达到要求的测试精度。

综上所述，对于压力和流量测量的精度提出了更高的要求，则需要将压力和流量测量的范围分得更细，让测量的压力处于压力模块最佳测量范围值之间，尽可能避免因模块量程偏差太大而引起的精度降低，提高测试精度。同时，优化模块工作环境，利用恒温柜使其工作始终保持在最佳工作环境温度中，保持最佳测试精度。

压力和流量测试子系统结构框图如图3所示。

2.3.1  气体总压测量误差

气体总压测量误差包括总压探针测量误差（0.1%F.S）和压力模块测量误差（0.05%F.S）。按方和根估算其总的精度如下：

2.3.2  气体静压测量误差

气体静压测量一般采用壁面开孔测量静压，其测量误差与开孔情况（如孔径、有无毛刺、垂直度等）关系很大，如孔径为0.5 mm，其他情况符合要求，马赫数在0.8以下，其静压测量误差与动压头的比值优于0.3%。静压测量误差包括壁面开孔测量误差（0.3%F.S）和压力模块测量误差（0.05%F.S），按方和根估算其总精度如下：

2.3.3  冷气流量测量误差

冷气流量测量误差主要由质量流量计的测量误差决定。冷气流量拟采用西门子7ME4613型质量流量计进行测量，按细分的测量范围选择最合适的流量计，在其测量范围内的最大误差为±0.93%F.S，进一步考虑到数据采集模块误差，其测试链路总体误差仍然小于±1%F.S。

综上，可以通过该压力与流量测量子系统提高压力与流量测试精度以满足新的测试要求。

2.4  温度子系统

温度测量主要是各类热电偶信号，其次是热电阻信号。该试验器以往的温度测试主要采用等温板温度采集系统，温度受感器通过补偿导线将温度信号传到等温板，在等温板经过冷端补偿后通过信号线将温度信号传输给数采系统。现在对测量通道数和测量精度提出更高要求，拟采用温度测量模块方式，选用美国VTI公司的EX1048A温度测量模块，每个温度测量模块有48个通道，温度受感器通过补偿导线将温度信号传到温度测量模块，模块经过处理后通过网线将温度数据传输给数据采集系统。等温板温度采集系统的测温误差由受感器本身误差、等温参考测量误差、数采系统测量误差三部分组成，温度测量模块的测温误差由受感器本身误差、温度模块测量误差两部分组成，减少了误差源，提高了温度测量的精度。

整个温度测试子系统结构框图如图4所示。

2.4.1  热电阻温度受感器测量误差

当使用热电阻温度受感器测温时，选用A级精度铂电阻Pt100测量，受感器允许偏差±（0.15+0.002*|t|）=±0.31 ℃，温度测量模块测量误差为±0.2 ℃，温度测量总误差为：

2.4.2  热电偶温度受感器测量误差

热电偶温度受感器测量误差由受感器的测量误差、温度测量模块的测量误差两部分组成。其中，温度测量模块测量不同类型的热电偶信号时测量误差不同，具体如表1所示。

表1  温度测量模块EX1048A精度列表

结合表1可知，當温度测量点测量范围为0～1000 ℃ 时，采用K型Ⅰ级热电偶，测量误差为±4 ℃，温度测量模块的测量误差±1.1 ℃。温度测量总误差为：

当温度测量点测量范围为0～600 ℃时，采用E型Ⅰ级热电偶，测量误差为±2.4 ℃，温度测量模块的测量误差±0.6 ℃。温度测量总误差为：

当温度测量点测量范围为0～300 ℃时，采用T型Ⅰ级热电偶，测量误差为±1.4 ℃;温度测量模块的测量误差±0.4 ℃。温度测量总误差为：

综上，可以通过该温度测量子系统提高温度测试精度以满足新的测试要求。

2.5  系统运行

该系统基于LXI平台的大型测试系统的方案，已经经过调试并稳定可靠地应用到该试验台中，如图5和图6所示。

该测试系统稳定可靠的运行，并且满足测试要求。首先，作为大型测试系统通过LXI的分布式系统布局有效地解决了远距离传输和线缆繁杂的问题，控制成本，利于实施与维护，经验证整个系统测试通道数达到一千个以上的吞吐率要求，并且采样率达到每通道50 Sa/s/ch，满足测试要求;其次，对于该大型测试系统来说，LXI引入了用于分布式仪器间定时和同步的IEEE1588精密时间同步协议（PTP），可靠地保证了该系统所有数据精确同步性的问题，该系统总的时间同步性精度优于5 ms，满足测试要求;最后，利用分布式的系统架构，可根据被测点的分布调整测试设备的位置，将测试设备放置于更加靠近被测点的位置，优化各测量子系统，细分各测量模块量程，再利用恒温柜优化模块工作环境，该测试系统最终满足精细化测量要求。

3  关键技术

3.1  分布式架构

系统采用分布式的测试系统。本系统中每台机柜分别布置在被测物周围，或者拿出几台或单台设备单独放置。通过很短的测试线缆连接到被测物，测试设备通过几十米的网线或测试局域网与测控间实现通讯。不仅节省了测试线缆，同时大幅降低了线上损耗，减少了环境干扰，提高了测量精度。

原有的数据采集系统采用集中式，如图7所示，所有测试线缆都从试验间经桥架布到操纵测试间，进入数采系统，进行数据采集。为满足精细化测试的需求，该台的测点通道在一千以上，如果原数采系统保留，采用传统集中式的系统架构，一方面增加了测试线缆的长度，影响测量的准确性，另一方面，原有桥架系统容量不够，测试线缆的分布会更加杂乱，不利于系统的现场实施及后期维护，因此，整个系统必须采用分布式的架构，如图8所示，可根据被测点的分布调整测试设备的位置，将测试设备放置于更加靠近被测点的位置，简化线缆连接并提高测量精度，从试验间到操纵测试间只需布网线即可。

3.2  全系统精密同步

本数据采集系统主要基于LXI设备组建，同时包括PSI压力测量模块，采用IEEE-1588的时钟同步方式。要采集的数据信号主要来自LXI总线的EX1000A系列、PSI9116系列，另外还包括发动机的控制器、测功器等设备。通过EX2500A进一步传递信号到其他设备和LXI设备，以保证各设备之间的硬件采集同步，保证LXI设备内的数据同步是所有数据同步的基础。

设备同步过程如下，IEEE-1588的时钟同步在网络中选择EX2500A设备仪器作为主时钟仪器，主时钟向所有从时钟发出一个同步信息包，而且这个信息包中包含有信息发出的精确时间，用于同步触发EX1000A设备，同时EX2500A可以输出一个TTL信号，该信号可以控制所有的PSI机箱，由一个TTL信号触发分支器将信号传给所有的PSI设备，使其具备同时触发的能力。开始采集时，由采集软件发送一个触发指令给EX2500A设备，其后执行以上触发流程。[4]

LXI设备的EX1000A系列和EX2500A 均支持时钟同步信号，故LXI部分和其他设备部分通过IEEE-1588的时钟同步实现同步触发。其他系统同步触发信号的输入/输出通过EX2500的Trigger In/Out接口来实现。这样使得系统中各个子系统实现同步触发。因此，该LXI系统最大的特点是基于IEEE1588精密时钟同步的触发机制，使得该系统在数据精确同步性问题上能够满足设计要求。

4  结  论

本文研究了LXI总线的特点，并且组建了一套基于LXI总线设计的大型测试系统，系统运行良好，吞吐率及精度均满足要求，达到了该试验台改造技术要求。

LXI总线具有高吞吐率、形式灵活等特点，且它的最关键的技术是采用了IEEE-1588网络时钟同步协议，很好地解决了同步触发的问题，这就可以在各种大型的测试系统和远程分布式的测试应用中发挥非常显著的作用，这是其他总线所不具备的优势。LXI具有的关键技术分布式结构和全系统精密同步，使得LXI可以成为下一代测试系统中最重要的支撑，因此，在以后构建的新的测试系统中，LXI技术必将得到更广泛的研究和应用。

参考文献：

[1] 李行善，梁旭，于劲松.基于局域网的自动测试设备组建技术 [J].计算机测量与控制，2006（1）：1-4.

[2] 袁亚丽，张侃谕，王生学，等.基于LXI网络的温室分布式控制系统设计分析 [J].机电一体化，2006（2）：50-52.

[3] 汪晓东.新一代组合仪表的自动测试系统发展方向 [C].//中国计算机学会.第十四届全国测试与故障诊断技术研讨会论文集，2005：7-11.

[4] 黄云水，冯玉光.IEEE1588精密时钟同步分析 [J].国外电子测量技术，2005（9）：9-12.

作者简介：刘泽晖（1987-），男，汉族，湖南邵阳人，主管设计师，工程师，硕士研究生，研究方向：航空发动机试验测试。