焦岗 韩阳

摘 要：本文描述了舱段测控系统的设计需求，从系统布置、系统原理设计、系统硬件设计、系统软件设计等全方面详细描述了舱段测控系统的设计过程。测控软件采用LabVIEW进行编写。本文重点描述了软件框架的构建过程。在测量信号种类较多，各采集信号要求的采集速度不同，兼有并行任务的背景下，通过不断地优化软件框架，解决了数据采集、控制、多任务并行等软件问题，从而较好地完成了整个舱段测控系统的设计。优化后的软件能正常稳定运行，完成了采集、控制、RS422全双工通信等任务，并通过实际试验过程验证了整个系统的可靠性。

关键词：LabVIEW 采集 控制 RS422

Abstract： In this paper， the design requirements of cabin measurement and control system are described. The design process of cabin measurement and control system is described in detail from the aspects of system layout， system principle design， system hardware design and system software design. The measurement and control software is written in LabVIEW. It mainly focuses on the construction process of software framework. Under the background of many kinds of measurement signals， different acquisition speeds required by each acquisition signal and parallel tasks， the software problems such as data acquisition， control and multi task parallel are solved by continuously optimizing the software framework， so as to better complete the design of the whole cabin measurement and control system. The optimized software can run normally and stably， complete the tasks of acquisition， control and RS422 full duplex communication， and verify the reliability of the whole system through the actual test process.

Key Words： LabVIEW; Collect; Control; RS422

国内民用APU【1】处于快速发展阶段，研制所需的地面配套测试系统也随之得到发展。本文所描述的舱段测控系统主要功能是对APU及其附件进行参数测量、数据保存及事后分析，同时具备支线飞机辅助动力系统模拟舱段阀门器件的控制功能，采集APU控制器总线数据【2】，对APU控制器部分信号进行显示，并模拟部分控制指令。

2系统设计

2.1系统原理

测控系统原理图如图1所示，测控系统需要测量的参数包括：进气子系统【3】的总温、总压、静压，排气子系统的总温、总压、静压、壁温，引气子系统的总温、总压、静压、流量，安装舱的温度、压力，APU本体燃烧机匣的温度，APU附件温度，齿轮箱、核心机、冷却风扇、安装支点的振动，起动电机、发电机的电流，APU燃油温度、压力、流量，滑油散热器进出口温度。测控系统的控制功能设计，如上进气道电动调节栅板的控制，以及引气阀门的控制等。

2.2系统布置

测控系统主要由移动测试柜、移动控制柜、传感器、供电电缆【4】、信号电缆等组成。

系统布置图如图2所示，移动测试柜与移动控制柜放在一起。移动测试柜、移动控制柜与APU模拟舱的之间布置有供电电缆（弱电）、信号电缆，供电电缆（弱电）与信号电缆分开走线，避免相互干扰。移动测试柜与移动控制柜之间有供电电缆连接。移动控制柜接市电。传感器布置于舱体及管路待测量位置。

2.2.1移动测试柜

移动测试柜上安装测控计算机、显示器、鼠标、键盘、屏蔽接线盒、电荷调理器等，如图3所示。

移动测试柜主要功能：完成支线飞机辅助动力系统模拟舱段所有传感器的采集;将采集到的传感器数据进行显示，显示当前试验状态;实现与电子控制器的通信功能，采用 RS422全双工总线形式【5】与电子控制器进行通信，并解析， 显示通信数据，并发送控制指令，模拟部分控制状态;根据工作模式，采集转速传感器频率信号;模拟APU硬件功能开关：APU启动/停车开关、轮载设置开关、紧急停车开关;模拟舱段辅助控制功能，上进气道电动调节栅板;软件分屏显示功能，上端的顯示器显示采集信息，下端的显示器显示控制功能按钮，方便工作人员操作与观察。

2.2.2移动控制柜

移动控制柜上安装有功率分析仪、UPS电源、APU电子控制器、双路可调电源、开关电源、断路器、继电器、供电端子等，如图4所示。

移动控制柜功能：为电子控制器提供放置空间和直流电源（双路且（16～32）V可调）;为测控计算机及显示器供电;给有源传感器提供激励信号;为控制电路及电机提供电源及电路保护;测量APU起动电机电流、电压信号;测量APU发电机电流、电压信号。

2.3系统设计

测控系统采用NI公司18槽PXIE1075总线机箱【6】，完成信号采集、信号存储、信号显示、电机控制等功能。传感器供电与控制电路分开，防止在传感器端引入不必要的工频干扰。传感器供电采用线性电源供电，采集信号经前置屏蔽接线盒后送入采集卡。控制回路采用开关电源供电，辅以继电器进行控制。

测控系统保护功能设计，在控制电路中对供电电路设有断路器进行过流保护，对AD口增加必要的过流保护。在系统中关键位置增加限位信号及故障信号采集装置，在系统故障时发出告警信号。对APU系统部分状态通过软件指示灯的形式进行显示，并通过按钮给APU系统发送部分命令，如图5所示。

3信号采集问题

3.1信号分析

测控系统中信号种类较多，包含：压力信号、流量信号、电流互感器信号、电压变送器信号、热电阻信号、热电偶信号、加速度传感器信号（IEPE/PE）【7】、频率信号、RS422总线信号。各种采集信号总计为107路。各种采集信号如何协调有序的采集是系统首先要解决的问题。各采集信号要求的采集速度如表1所示。软件采用LabVIEW进行编写，这就要求搭建比较合理的采集结构。

3.2串联框架

编写之初搭建的串联框架模型如图6所示。这种模型在实际使用时，会出现明显的端口数据溢出BUG，此模型需改进。

3.3传统多VI框架

鉴于串联框架模型的问题，将采集速率最高的加速度信号单独采集，剩下的信号基本可同时采集，改进后框架模型如图7所示。VI间传递数据方式较多，本例中采用的是DATAsocket【8】方式。至此信号采集问题基本解决。

3.4多任务框架并入

此时，RS422数据传输问题还有待解决，测控系统中采用的是RS422全双工通信，即采集部分可集成于普通采集模式中，但发送部分存在着命令装帧的问题。同时还需要解决引气阀门的控制问题，在上述框架的基础上加入多任务框架，如图8所示。

4传感器采集电路设计及实现

4.1 AI采集

AI采集包含压力信号、流量信号、电流互感器信号、电压变送器信号等的采集。如图9所示，采用的是差分方式，避免了单端及参考单端方式带入系统误差。同时加入必要的信号隔离设备【9】，保护采集卡。

4.2温度信号采集

本文中，温度信号采集采用了两种方式，即热电阻采集及热电偶采集。

热电阻采集，如图10所示，采用的是四线制A级精度PT100【10】，四线制避免了引线带来的误差。

热电偶采集电路如图11所示。

4.3加速度采集

由于振动传感器安装位置的温度比较高，因此采用PE（IEPE）型加速度传感器，又因为不同位置的温度范围不同，因此分别采用单轴与三轴加速度传感器。

单轴采用传感器、电荷放大器方式，三轴采用传感器、信号放大器方式。

5软件运行效果

5.1软件主界面

软件主界面分为两部分，分别在两个显示屏显示，其中显示部分如图12所示。包含测试参数曲线显示界面、RS422下发数据显示界面、RS422接收数据显示界面、系统状态显示界面等4个子界面。测试参数曲线显示界面为主要显示界面，通过实时曲线显示，参数列表显示，重要参数集中显示等方式进行当前系统信息的显示。RS422下發及接收界面，则显示与控制相关的命令及接收信息，以及控制器的状态。当前系统信息，则显示的是测控系统本身运行的一些参数内核状态。

控制部分如图13所示。控制部分界面包含：主控制按钮、参数设置1、参数设置2等3个分界面。主控制按钮界面包含：主采集控制区域、数据自动存储区域、下发控制器命令区域，控制器接收命令区域、引气阀控制区域等功能区域。

参数设置1、参数设置2则为参数设置功能区。

5.2加速度显示界面

加速度VI的采集结果如图14所示。包含时域信号、频谱分布、单频信号等功能图表。该图为加速度VI的静态采集图。

5.3试验数据采集结果

某次试验的采集结果（抽引部分参数）如图15所示。验证当前的软件框架【11】已能完成系统的采集任务。

6 结语

本文采用LabVIEW软件编程，在测量信号种类较多，各采集信号要求的采集速度不同，兼有并行任务的背景下，通过不断地优化软件框架，解决了数据采集、控制、多任务并行等软件问题。优化后的软件能正常稳定的运行，完成了采集、控制、通信等任务。满足设计使用要求，完成了试验任务。

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