发布日期：2022/9/24

利用LabVIEW实时模块缩减F-35联合攻击战斗机的测试成本与时间

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

Industry:
Government/Defense, Aerospace/Avionics

Products:
Dynamic Signal Analyzers, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
用一个可采集、分析和存储来自下一代喷气式战斗机引擎设计的动态压力数据的系统，来替换洛克希德马丁航空公司的一个专用的基于VME的DSP 系统。

The Solution:
利用业界标准的、现成可用的技术，其中包括PXI、MXI、UDP 和RAID，以及LabVIEW实时模块，创建一个满足严格技术要求的、紧密集成的数据采集与控制系统。

　　"通过LabVIEW实时模块，可以在各种操作情况下获得采集空气压力数据及向风洞提供反馈控制信号所需的确定性响应时间。"　

    便携式数字数据采集系统（PDDAS）使用了LabVIEW实时模块和PXI，以控制风洞测试和采集记录来自128个不同通道的空气压力数据。

　　显著缩短测试周期

　　在G 系统有限公司，我们利用不到四个月的时间，完成了从基于VME 的设备到一个更为健壮、紧凑和可靠的数据采集与实时控制系统的升级。现在，洛克希德马丁公司的工程师们可以在实现其通道数翻番的同时，以比其先前的VME设备提高10 倍的速度配置其基于PXI 的系统。而且，便携式数字数据采集系统（PDDAS）使测试周期从2 秒降至50 毫秒，所有这些费用都比仅仅升级基于VME的测试系统的一部分所需的成本要低。

　　对喷气式引擎的设计改进需要引擎工作参数的精确表征。为完成此项工作，设计工程师们检视了喷气式引擎的空气压力分布，以观测在引擎涡轮入口处的气流模式扭曲。为采集这一数据，需要一个关于飞行器的精确扩展模型和一个接近音速的风洞来模拟实际工作条件。

　　洛克希德马丁德公司的工程师们采用F-35 联合攻击战斗机测试中的设备扩展模型。由于已经确认其先前基于VME 的测试系统难以配置和升级，洛克希德马丁德公司的工程师们委托我们开发新型PDDAS 系统，以控制和采集来自其风洞测试的数据。

　　PDDAS包含基于两个PXI 机箱的128个通道同时进行动态压力测量的采样，共配有16个NI PXI-4472动态信号采集模块。初看之下，两个机箱似乎让系统太复杂，显得多余；然而，通过利用NI MXI 光纤拓展连接这两个机箱，并没有引入额外的复杂度。MXI 总线基本作为一个PCI桥连接第二个机箱。从软件的观点来看，第二个机箱内的板卡看似位于第一个机箱。PXI的采用还提供了以颇有竞争力的成本获得足够高的数据传输速率（132MB/s），以供后续扩展。

　　PDDAS还包含有NI SCXI-1520，它连接至一个面向张力测量信号调理的全桥库利特压力传感器。利用LabVIEW 实时模块，我们可以实现确定性的响应时间，这对于采集空气压力数据和提供回馈至风洞的控制信号以改变工作条件都是必要的。

　　反射内存

　　利用PXI 架构，我们可以处理PDDAS 系统中采集的大量数据，而LabVIEW实时模块处理所谓的“嗡嗡”计算（每50毫秒近450000次浮点计算），它搜寻引擎入气口内的一个谐振条件。在某些操作参数下，进入入气口的气流可能会同相。如果允许达到完全谐振，所产生的作用力可能会损害引擎。为杜绝这一现象，PDDAS 系统持续监测接近嗡嗡的条件，并反馈至风洞控制系统以根据需要改变风洞的操作参数。

　　考虑到大数据量及高计算强度，嵌入式PXI-8176 Pentium 控制器没有足够的剩余带宽将采集到的数据保存到磁盘。为了解决这个问题，我们在PXI 机箱中安装了VMIC映射内存卡。NI 提供LabVIEW实时驱动来支持映射内存卡的安装与配置。在该方案中，我们将采集数据映射到运行Windows 2000系统的Pentium主工作站上。工作站采用成熟的商用光纤通道卡及驱动，作为辅助任务将数据写入独立磁盘冗余阵列（RAID）。映射存储提供简单优越的解决方案，消除了系统潜在的瓶颈。

　　系统通信

　　因为PDDAS系统被应用于全国多个风洞中，所以Lockheed Martin的工程师需要找到一个普适的可向每个风洞控制系统提供实时反馈的机械装置。因此我们在应用中采用用户数据报协议（UDP）。尽管UDP协议并不是一个确定性协议，但它适用于每个风洞设备。通过谨慎选取LabVIEW 任务属性，PDDAS 能够以50 ms 的固定传输率发送UDP 包。