基于 LABVIEW的直升机机弹相容试验数据采集分析系统设计

基于 LABVIEW的直升机机弹相容试验数据采集分析系统设计

余江江

中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001

摘要：基于LABVIEW虚拟仪器开发平台，根据直升机机弹相容试验振动数据采集的需求，设计了一套多通道数据采集分析系统，主要包括系统硬件的选择和系统软件的设计。硬件包括振动信号传感器、信号调理设备和数据采集卡，软件则是在LABVIEW平台上，完成了多通道数据采集、时频域处理、数据判别和数据存储与回放功能模块的设计，实现了对直升机机弹相容试验过程中振动信号的采集、处理、分析与显示。该系统开发扩展性强，可靠性高，满足了试验的各项需求，同时具有很好的人机交互界面，灵活性强，易于开发和维护。

引言：LABVIEW虚拟仪器开发平台凭借开发功能高效、支持多种采集仪器和数据采集硬件驱动等特点，被广泛地应用于航空、电子、机械等众多领域。LABVIEW 图形化编程语言^[1]，采用了图标代码来代替传统的编程语言实现程序的开发，其平台不仅具有丰富的函数库和可直接调用的子程序，同时具有多种的图形控件，满足工程测试过程中的数据采集、仪器控制、数据显示和分析等需求，目前已成为测试领域重要的开发环境之一。

直升机机弹相容试验目的是考核武器发射过程中后坐力和冲击波对机体结构的影响，需要数据采集系统来采集试验过程中机体的振动数据，同时对采集到的数据进行处理和分析，来为后续的武器与配载机相容性结论提供参考依据。目前较为常见的数据采集和测试设备，专用性强、系统的兼容性较低、功能扩展性较差并且价格昂贵。在此背景下，本文基于LABVIEW虚拟仪器开发平台，开发了一套集数据采集和分析功能于一体的多通道数据采集分析系统，本系统在满足机弹相容试验测试功能要求的基础上，还具有较好的系统便携性以及功能扩展性。

1系统的总体设计

系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括振动传感器、信号调理设、数据采集卡和数据处理计算机。振动传感器采集机弹相容试验过程中机体的振动信号并将其转换为电信号，经过信号调理设备的滤波和放大处理，以及数据采集卡的模数转换过程，最终由计算机来完成数据进一步处理分析等操作。软件部分基于LABVIEW平台进行开发设计，包括系统框架搭建、多通道数据采集、数据时频域处理、数据判别和数据保存与回放功能模块设计和实现。

2系统硬件组成

数据采集系统硬件组成包括：振动传感器、信号调理设备、数据采集设备和数据处理计算机。

2.1传感器

在本系统中，振动传感器主要用于测量机弹相容试验过程中机体结构的振动情况。本文选择的传感器为PCB振动加速度传感器，该振动传感器在具备压电加速度传感器特点的同时，还集成了电荷放大器，可以直接与数据采集设备相连，能够有效简化采集测试系统，广泛应用于振动数据采集的各种场合。

2.2信号调理和数据采集模块

考虑到试验对象的特点、数据采样频率、数据采集系统成本等因素，本系统选用的是NI PXIe-8880以太网机箱，振动数据采集卡选用NI PXI-4497数据采集卡。NI PXI-4497数据采集卡功能强大且兼容性好，具有高精度，低噪声和良好的相位线性度等优点，同时还具有16通道缓冲，24位模拟输入和IEPE恒定电流信号调理等功能。将NI PXI-4497数据采集卡模块和NI PXI-4331数据采集卡模块插入到NI PXIe-8880机箱插槽中，该机箱有8个插槽，支持不同采集卡模块热插拔，方便扩展通道，实现多通道数据同步采集，PXIe-8880机箱与计算机通过以太网总线连接来进行数据传输。

3系统软件设计实现

3.1系统软件功能结构

该系统主要对直升机机弹相容试验过程中机体的振动信号进行采集、处理和分析，同时按照软件设计的模块化和层次化设计原则，根据功能的不同，来将系统软件划分成不同的模块。在每个模块中，编写相应的程序来实现其功能，不仅能够利用Labview中的子函数进行单独调试这一优势，还能够提升整个软件设计的设计效率，也方便了后续的代码重用和相关功能的扩展。系统软件功能结构如图1所示。

图1 系统软件功能结构

3.2系统功能模块设计

3.2.1多通道数据采集

为实现16通道振动信号的采集和分析，基于Labview设计的多通道数据采集模块，需调用NI DAQmx驱动，首先为数据采集卡创建虚拟通道，根据本文的数据采集需求选择连续采样方式，将采样频率输入，随后通过振动传感器将物理信号转换为电信号，然后由具备信号调理功能的采集卡对信号进行放大滤波处理，数据采集卡再将模拟信号进行模数转换并通过之前创建好的虚拟通道传递给数据计算机。由于数据采集模块设定为“N通道N采样”，数据处理计算机需要将集到的信号按照通道的不同拆分处理，才能进行后续各通道信号的分析处理。数据采集程序框图如图2所示。

图2 数据采集程序

3.2.2时频域处理

时频域处理模块中，通过选择Labview自带的数值函数以及信号处理函数来编写信号处理程序，来对采集到的振动信号进行实时处理或者事后处理。计算信号的时域指标和频谱分布，包括最大最小值、均值、幅值谱、功率谱和功率谱密度等，作为分析信号的参考指标。

图3 系统软件流程图

3.2.3 数据判别

为进一步对试验过程中采集到的振动数据进行处理和判别数据是否异常，通过调用Labview中的MATLAB Script节点进行混合编程^[2]，在数据判别模块中借助MATLAB丰富的函数和强大的计算能力来对信号处理分析。利用事先在MATLAB Script节点中编写好的数据处理和判别异常的算法对信号进行处理，并将返回至本模块的数据处理和判别结果在波形图和布尔显示控件中显示出来。

3.2.4 数据保存与回放

针对本系统实时采集振动信号的特点，选择具有读写快，存储空间小优点的TDMS文件类型作为系统的数据存储格式，在开始存储文件前，需选择TDMS打开、TDMS写入VI、数据保存路径等VI将其放置于程序设计面板^[3]，并将其连接形成程序框图。通过while循环，采集到的数据连续存入TDMS文件中，通过数据保存控件即可中止数据采集和存储。完成数据采集后需要对数据进行回放时，选择之前保存的TDMS数据文件，通过编写程序调用TDMS读取VI来完成对多通道数据进行回放显示，数据保存与回放程序框图如图4所示。

图4 数据保存与回放程序框图

3.3系统界面设计

3.3.1 系统前面板

系统前面板包括多通道数据采集、时域分析、频域分析、数据判别和数据保存与回放这几个功能模块。本文利用LABVIEW中的选项卡，把这几个功能模块分开，用户若需要选择某一功能模块时，只需要点击选项卡中的对应选项即可，方便操作的同时界面也更整洁。

3.3.2 多通道数据采集

多通道数据采集模块包括采样参数设置、数据采集和采集过程控制。界面布置有采样参数输入控件以及放置了多通道振动数据波形显示控件，能够在数据采集过程中实时显示所有通道数据的动态值，并且可以通过界面内的开始采集和停止采集控件来控制数据采集任务的执行与停止。

3.3.3 时频域分析

时域分析界面中，通过点击界面左下侧的下拉菜单来选择滤波器的类型来对信号进行滤波，滤波后的信号时域波形将显示于波形图中。在界面右下侧，列出了信号的一些时域统计指标，利用函数选板中的一些统计函数完成对信号的时域指标的计算。频域分析界面中，放置了四个波形图表，分别用来显示信号原始波形和经处理后的信号幅值谱、功率谱和功率谱密度，通过分析信号的频谱，可以得出信号在频域内的成分以及能量分布的情况。

图5 时频域分析界面

3.3.4数据判别

数据判别界面中列由波形图表，用于显示MATLAB Script节点中编写的信号处理算法对信号处理后返回的不同频段的重构信号的信号特征向量。界面中还布有数据判别布尔显示控件，用于显示信号处理完成后判别信号是否异常的状态显示，数据判别界面如图6所示。

图6 数据判别界面

3.3.5 数据保存与回放

数据保存与回放模块中，包含数据保存按钮、数据回放按钮以及数据回放波形显示控件。点击数据保存按钮完成对采集的数据进行保存后，点击数据回放按钮即可选择当下或之前采集到的数据进行回放显示，回放波形显示控件能够显示所有通道的数据，数据保存与回放界面如图7所示。

图7 数据保存与回放界面

4性能验证

本文开发的基于Labview的直升机机弹相容试验数据采集分析系统，在实验室振动台上进行初步验证，多通道数据采集与频域分析情況如图8和图9所示，验证结果表明，本系统动态振动信号多通道连续采集和数据保存的要求，同时本系统的振动信号处理分析功能也较好。

图8多通道数据采集

图9信号频域分析

5结束语

以直升机机弹相容试验振动数据采集需求为背景，利用振动传感器、采集模块和计算机构建的基于 Labview 的试验数据采集和分析系统，包括多通道数据采集、时频域分析、数据判别和数据保存与回放四个功能模块，结合在实验室初步的试验验证情况表明，本系统能够较好的满足直升机机弹相容试验数据采集的基本需求，并且本系统具有成本较低、用户界面友好、使用方便、功能拓展性强等优点。

参考文献

1. 鄢小安, 张知行. 基于LABVIEW的振动数据采集与分析系统设计[J]. 林业工程与木工设备. 2021, 49(10): 18-24

2. 任思敏. 基于LABVIEW的波浪能量采集控制系统研究[D]. 南京航空航天大学. 2019.

3. 陈树学,刘萱. LABVIEW宝典[M]. 北京:电子工业出版社,2011.