关键词：铁鸟；外加传感器；分布式系统；以太网。
0引 言
早期的铁鸟还不能算是名符其实的“铁鸟”，
只能视作飞机操纵系统或是液压系统的试验台。当操纵系统逐渐增加了阻尼器、增稳、控制增稳、多余度管理功能，液压系统成为具有多功能、多余度和多用户的复杂系统，同时飞控、液压、航电、起落架等多个系统紧密交联并在试验室综合的时候，这种全系统级的试验台才演变成为真正意义上的铁鸟，因为工程师和试飞员可以在铁鸟上，即在地面上“试飞”这架飞机[1]。
飞机系统综合化程度的提高导致对铁鸟试验综合功能的需求更为迫切，同时也使得铁鸟更加庞大、复杂。我们需要采集的传感器信号也越来越多，包括舵面位置信号、液压压力信号、刹车位移信号、油门角位移信号等等。若采用传统的集中式信号采集方法，传感器输出信号通过模拟量或离散量的方式发送给采集计算机，整个铁鸟台的线缆将非常繁杂，不利于后期的维护。
分布式数据采集系统相较于传统的集中式数据采集系统，具有很强的通用性、灵活性和可扩充性[2]，对实时参数的响应快及节省大量信号传输电缆等特点。
因此对于铁鸟台这种系统交联信号复杂的系统，分布式数据采集系统是最佳的解决方案。
1系统总体通信方案
1.1 通信方案
1)集中式数据采集方案
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图1 集中式数据采集方案
集中式数据采集系统以计算机为核心设备，搭载采集板卡，集数据采集和处理能力于一体。该系统的数据采集速度和精度依赖于采集板卡的性能以及计算机的处理速度。
采集板卡是集中式数据采集系统的核心硬件, 它主要完成数据的采集、A/ D 转换和存储。选型时主要考虑采样频率、输入精度、A/ D 转换速度与分辨率等技术指标。
采集板卡与所有铁鸟台外加传感器的输出端直接相连，传输线缆长且多，维护困难，且需考虑信号衰减问题。铁鸟台综合化程度越来越高，若后期增加外加传感器，需增加采集板卡连接电缆，拓展难度大。
2)分布式数据采集系统方案
随着以太网的发展，人们希望对底层设备也能进行真正意义上的远程控制。与传统的集中式数据采集系统相比，基于以太网的分布式数据采集系统在维护性、可扩展性、实时性方面都具有非常大的优势。
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图2 分布式数据采集系统方案
小型控制器及采集模块可做为前端机分布在铁鸟试验区的任何位置，采集模块根据传感器输出信号类型进行选型。控制器搭载采集模块将采集到的传感器信号转换为网络信号打包发送至网络上。该方案将所有的传感器信号传输电缆终止在了铁鸟台架上，从台架上输出的线缆只有每个控制器输出的一根以太网线。
数据采集计算机做为整个分布式数据采集系统的核心计算机对网络上所有的数据进行解析。后期铁鸟台有需要扩展采集的传感器信号，只需要扩展控制器和采集模块即可。
1.2 系统方案
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图3 系统通信方案架构图
该数采系统分为两级，数据采集计算机作为监控管理级，主要完成对前端控制器的实时管理和数据传递，以及数据处理和分析等功能。前端控制器为数据采集级，完成铁鸟试验中的数采准备和数采执行功能。
通过两级布控的模式能高度安全及有效的进行分散式实时控制,解决了集中式数据采集系统直采传感器信号带来的线缆多、维护性差、抗干扰能力差等问题，且更利于后期的信号采集拓展和底层设备的监控。
2 前端机硬件配置
本文选用NI cRIO-9035八槽高性能控制器和配套的信号采集模块作为前端机来采集铁鸟台外加传感器信号。
NI cRIO-9035控制器是一款嵌入式CompactRIO控制器，带实时处理器和可重配置FPGA，实现自定义定时、板载处理和控制网络故障防护，可轻松的将分布式监控和控制添加至任意以太网络。技术参数如下：
1)处理器
CPU ：Intel Atom E3825
CPU核的数量：2
CPU频率：1.33GHz
2)网络
端口数量：2
网络接口：10Base-T, 100Base-TX,1000Base-T Ethernet
兼容性:IEEE 802.3
通信速率:10Mbps,100 Mbps,1000 Mbps 自动调节
线缆最大长度：100米/段
本数据采集系统中配套IO设备选用型号为NI 9207的AD模块。其主要功能是通过连接感器采集原始的连续电压信号,并通过集成化数字/模拟信号滤波电路以阻容方式和光电隔离方式分别电压信号进行滤波, 将滤波后的信号分别送至处理器内部12位的AD转换器和计数器, 并在控制器系统内部进一步将信号进行软件滤波。最后由处理器将各路信号按一定数据格式打包, 通过以太网控制器进行以太网传输。
3 系统软件设计
TCP/IP是目前所实现的最成功的网络协议, 是Internet互连网的基础[3]。本系统在TCP/IP 协议簇提供的TCP和UDP 2种端到端网络通信协议中选用简单的UDP协议。TCP 协议虽然提供的是可靠的数据传输,但是实现起来比较复杂,实时性不好,并且不支持广播方式；而UDP协议虽然不提供可靠的数据传输, 但实现起来简单,速度快、实时性好、支持广播和组播, 适用于简单的局域网。
控制器底层配置可设置成上电自启动功能， 控制器只要通电就将采集到的传感器输出电压信号按设置的固定周期（50Ms）进行转换，并发送至网络，按UDP协议以广播的方式打包发送至网络。前端机软件流程图如图4所示。
数据采集计算机根据协议对数据进行解析，实时存储和显示。数据采集计算机软件流程图如图5所示。
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图5 数据采集计算机软件流程图
数据采集计算机软件主要包括6个模块, 功能如下:
1)系统设置：设置传感器信息采集点、通道、所属控制器,进行初始调零, 选择传感器比例尺系数、测量单位等；
2)系统连接：对前端控制器进行网络连接, 对网络连接结果进行在线或不在线显示，若显示不在线，检查前端控制器并重新连接，确保上、下级通信正常；
3)数据采集及处理：捕获网络上的数据包，按协议将收集的数据进行解析；
4)数据显示：以表格、曲线、单通道等方式显示采集到的数据信息；
5)数据存储：默认将数据存储至计算机硬盘中，硬盘空间满后自动更新新的数据；
6)数据导出：根据需要将后台数据库中的数据按照dat、txt文本、Excel文件和Access 数据库的形式导出, 用于电子数据交换。
4 试验测试
4.1测试方法
本试验测试的目的是验证基于网络的铁鸟台外加传感器信号分布式数据采集系统的实时性和准确性。测试步骤分为两部分：
1)网络信号测试
现有试验环境中铁鸟台外加传感器均为电压输出信号，进行刹车、推拉油门、舵面偏转等操作，通过AD模块采集，控制器将采集的传感器信号转换为以太网信号，通过TCP/IP协议进行数据传输。每个控制器都有一个IP地址，通过以太网抓包工具wireshark捕获网络上的数据包，检查每个控制器是否按设置的IP以固定的周期（50Ms）往以太网发送数据。
2)数据存储及显示测试
数据采集计算机软件将所有铁鸟台外加传感器信号按ICD进行配置，进行刹车、推拉油门、舵面偏转等操作，检查传感器信号显示是否正确。导出试验数据，对存储数据进行检查，每一条试验数据都带有时间戳，检查传感器数据是否出现丢包情况。
4.2 测试结果
经过长时间的测试，以太网数据发送频率远远高于试验环境所要求的传感器输出频率，数据收发实时性高，从未出现丢包和卡滞的现象。测试结果证明了基于以太网的分布式数据采集系统的实时性、准确性和可靠性。
5 结论
按照上述系统软、硬件设计方案,实现了铁鸟台外加传感器数据的分布式采集、监控和数据处理等功能。在某型飞机铁鸟试验环境中，该系统在试验任务过程中已经正常工作了一年多时间, 目前仍在继续工作。
该系统的设计、研制与成功应用表明,对于铁鸟台这种信号种类多、分布位置广的系统进行数据采集与监控,基于以太网的分布式数据采集系统结构具有巨大的优势,传输速率高,实时性好,多点并发,可靠性高,扩展性好。
参考文献
[1]李振水.飞机铁鸟技术进展综述[J]. 航空科学技术，2016（27）：01-04 .
[2]余辉里，陈荣璇. HSC-3000两级分布式数据采集系统[J].中国航空科技文献，2013（1）：1-8.
[3] 罗智佳，狄琤，毛宗源.基于以太网的分布式数据采集监控系统的应用[J].微计算机信息,2006(22):22-24.
论文作者:武琳 曾行 邹霞 谭磊
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/17
标签：信号论文; 数据论文; 传感器论文; 分布式论文; 控制器论文; 以太网论文; 系统论文; 《科学与技术》2019年20期论文;