針對洛克希德馬丁 (Lockheed Martin) 公司的噴射引擎進氣過程，使用 LabVIEW Real-Time 與動態訊號擷取功能，以量測推進氣流的變形狀態

Author(s):
Dave Scheibenhoffe - G Systems, Inc.
Mike Fortenberry - G Systems Inc.

Industry:
Government/Defense, Aerospace/Avionics

Products:
PXI-4472, Real-Time Module, SCXI-1520, PXI/CompactPCI, SCXI-1181, LabVIEW, PXI-8176 RT

The Challenge:
洛克希德馬丁航太公司 (LM Aero) 的 VME 架構 DSP 專利系統，可擷取、分析，並儲存噴射引擎進氣壓力的動態資料，進而分析氣流傾斜的變形狀態；而我們想要建立可取而代之的解決方案。

The Solution:
透過 NI 軟體與硬體產品，設計新款的可攜式數位資料擷取系統 (PDDAS)，以提升系統可設定性、穩定性，與擴充性。

大幅提升現有系統
洛克希德馬丁 (Lockheed Martin) 公司與我們 G Systems Inc. 公司簽訂合約，希望我們公司的解決方案能夠取代其現有的 DSP 架構系統。該原始系統雖可擷取共 64 個訊號處理壓力傳感器通道，卻也面臨多個問題；包含難以設定訊號處理功能，與 DSP 子系統於擷取資料時的「黑盒子 (Black box)」架構。而主要難題即在於：我們必須整合、除錯，並維護由多家製造商所提供的多款附屬系統，且必須達到更妥善整合、更開放，且可調整的系統架構。由於在操作接近音速的風洞系統時，其成本往往可達每分鐘數千美金之譜，因此系統更必須達到強大功能、緊密整合，與高穩定性的需求。

我們的新系統即以 PXI 機箱與 NI PXI-4472 動態訊號擷取 (DSA) 卡為架構，可達 128 個同步取樣動態壓力通道，並搭配 SCXI-1520 進行應變規訊號處理。LabVIEW Real-Time 可提供此應用所需的精確反應時間，以即時的測試情形更新風洞的控制系統。此系統並整合多項重要技術，包含：

• NI-4472 DSA 介面卡進行高精確度 (120 dB 動態範圍) 壓力量測
• 可於每組 PXI 機箱中，跨所有通道取得相位匹配資料 (0.1 deg 失配)
• SCXI-1520 訊號處理可自動校準，並支援全橋接傳感器
• 跨所有通道進行訊號輸入的一般校準作業
• LabVIEW Real-Time 可為風洞控制器提供精確的反饋 (Feedback) 訊號
• 以 LabVIEW Real-Time 建構反射記憶體 (Reflective memory)，可將擷取資料傳輸至 RAID 儲存裝置

高參考價值的設計效能反饋
若要設計高效能的噴射引擎，則必須進行多項設計特性與檢驗程序，讓工程師獲得高參考價值的設計效能反饋。由於在開發實際飛行器的測試作業時，需要極高的成本才能開發全功能模型，因此我們一般均於接近音速的風洞中使用等比例縮小 (Scaled-down) 的模型，以合適的環境測試多項設計解決方案。噴射引擎進氣測試的目標之一，即是引擎渦輪要能保持穩定氣流並完成整個作業。我們即針對引擎推進進氣，量測其氣流形式的變化，而完成上述作業要項。我們在傾斜 (Rake) 設定中利用多組壓力傳感器，讓系統擷取高速動態壓力資料，並獲得了引擎進氣的壓力對應圖。並進一步控制風洞的作業特性，針對完整的引擎操作過程，建立全流變形 (Full-flow distortion) 模型。與設計工程師所開發的效能模型相較，此筆資料更完整呈現了引擎效能。

動態訊號擷取 (DSA)
根據下列重要參數，我們選擇 NI PXI-4472 DSA 介面卡做為此應用的核心元件：

相關需求與 PXI-4472 的功能
訊號精確度 – 24 位元、120 dB 動態範圍、Delta-sigma A/D
通道密度 – 每組 PXI 插槽可達 8 個通道
相位同步化資料擷取 – 跨各組 PXI 機箱可於 1 kHz 達到 0.1 degree 相位失配 (Mismatch)
訊號頻寬 – 每通道 102.4 ks/s、45 kHz 訊號頻寬
訊號常態化 – AC/DC 偶合

訊號處理與校準
LM Aero 公司使用全橋接壓力傳感器，做為進氣壓力傾斜設定的基礎。若要擷取精確資料，則必須逐一設定並校準共 128 組壓力傳感器。我們並開發了詳細的校準程序，以確保能於風洞執行測試之前，即進行完整的系統校準。因此我們選擇 NI SCXI-1520 應變規模組，以符合下列需要：

必要的 SCXI-1520 功能
從 0 ~ 10 V 共 17 組激發電壓
精確的可程式化增益 (1 ~ 1,000)
-85 dB 抗擾性 CMMR
濾波器旁路 (Bypass) 10、100、1,000、10,000 Hz

而我們無法以 SCXI-1520 所達到的系統需求，即是當壓力傳感器無法作業時，必須試著透過單一的外接校準訊號輸入接頭，自動校準全部 128 個通道。我們嘗試使用 1 組 SCXI-1181 寬機板模組，建立了包含單一 BNC 輸入的模組，並可透過 SCXI 背板，將校準訊號分別傳輸至所有 128 個傳感器通道。此模組除了可達到風洞操作的功能之外，並可跨全部通道導入測試訊號。

維持系統總頻寬
在此應用的多項技術考驗之一，即是要能維持系統總頻寬，以達 128 個通道的獨立最高 20 ks/s 取樣率，並能於未來擴充為 256 個通道。

我們基於數個考量而選擇了 PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) 平台：產業標準，與 132 MB/s 的匯流排傳輸率；且若與使用大量 PCI 匯流排的桌上型運算應用相較，PXI 更具有成本優勢。

由於 PXI 的高傳輸率，我們更預先保留了擴充空間，以滿足將來的應用需求。比較需要注意的部分，即是由於 PXI 背板搭配多組介面卡，而其可能的匯流排數量。每組介面卡均使用 1 組系統中斷與 DMA 通道，且均受限於 PCIbus 架構。這個問題可於未來擴充系統時，再另行解決之道。

反射記憶體 (Reflective Memory)
由於我們使用 PXI 架構處理 PDDAS 系統所擷取的大量資料，因此我們亦需要即時的資料運算功能。此運算方式即所謂的「Buzz」計算 (約為每 50 ms 達到 450,000 次的浮點運算)，藉以了解引擎進氣的共振 (Resonance) 情形。在特定的作業參數下，氣流可能以同相 (In phase) 方式穿過引擎表面。若達到完全的共振，則所產生的力量將對引擎造成損壞。PDDAS 系統則可持續監控共振情形，並為風洞控制系統提供反饋資料，以進一步了解測試點的詳細情況。

因為大量資料與密集的運算，嵌入式 PXI-8176 控制器的頻寬，並不足以將所有的擷取資料儲存至磁碟。此外，該系統並已指定將所有資料記錄至 RAID 裝置中。為了解決此難題，我們於 PXI 機箱中安裝了 VMIC 反射記憶體介面卡。NI 並提供 LabVIEW Real-Time 驅動程式，以支援反射記憶體介面卡的設定與組態。透過此解決方案，我們即可針對擷取資料，將之「反射」至 Windows XP 的主機工作站中。此工作站即使用現成的 Fibre Channel 介面卡與驅動程式，且其次要工作即是將資料寫入至 RAID 陣列中。此系統瓶頸，即由反射記憶體提供了簡單易用的解決方案。

高速的共用記憶體設計
由於 PDDAS 系統的高通道數，因此需要 2 組 PCI 機箱。雖然上述設定，可能升高系統硬體與系統軟體架構的複雜度；然而，只要使用 NI MXI-3 光纖機箱擴充產品，即可不致影響系統的複雜性。

MXI-3 屬於高速、共用記憶體的設計，一般均用以連接 PCIbus 與第二組機箱。透過高效能的光纖介面 (最高 80 Mb/s)，MXI-3 可為機箱擴充的最佳解決方案。而從軟體的角度而言，第二組 PXI 機箱中的介面卡，即如安裝於主機控制器機箱一般無異。

UDP/模擬器
LM Aero 在全國數座不同的風洞系統中，均使用 PDDAS 系統。當然，各組風洞控制系統均將需要可提供即時狀況的機制。User Datagram Protocol (UDP) 即用於此應用，可讓系統對多個使用者定義的位置發出廣播資料。即便 UDP 並非精確的協定標準，卻是風洞設施的穩定介面。我們 G Systems 公司仔細挑選 LabVIEW Real-Time 的作業優先順序，以 50 ms (± 2 ms) 的精確速率傳送 UDP 封包。UDP 具備高效能與高普及性，且其平台獨立性亦為此應用所需。

我們共建立了 3 組模擬器，以協助進行 PDDAS 與風洞控制系統的開發和測試作業：

1. Host 模擬器將於 Host 工作站中複製 UDP 介面，可接收風洞資料並處理而為資料集
2. RT 模擬器則提供可客制化的 UDP 輸出，以測試風洞控制系統的反饋訊號
3. WT 模擬器則可為風洞控制系統，以替代 PDDAS 的開發

我們可於單一或多組電腦中執行 3 組模擬器，以協助開發介面；且在硬體不足的情況下，亦可測試部分的風洞與 PDDAS 系統整合作業。此功能可讓風洞的工作人員在 PDDAS 系統正式上線之前，先行客制化自己所需的控制系統。

系統提升
PDDAS 升級專案即是為了提供 LM Aero 更穩定的系統，以提升通道容量、擴充相關功能，並降低維護成本。下表則說明新 PDDAS 系統的數項重要提升功能：

提升的作業與功能
系統設定 – 縮短 10 倍的設定時間
資料擷取通道數 – 從 64 個通道提升為 128 個通道
測試週期時間 – 從 2 s 縮短為 50 ms
系統體積 – 省下約 75% 的系統空間
系統開發時間 – 4 個月之內即完成開發
系統開發成本 – 總系統成本低於前款 PDDAS 系統的訊號處理子系統升級成本
擴充 – 可使用超過 50 家製造商的 PXI 產品

工業級標準的現成技術
包含 PXI、MXI-3、SCXI、UDP，與 RAID 的工業級標準現成技術，所構成的平台可進一步建置此高技術需求的系統。LabVIEW 則成為共通的程式設計環境，用於主要的設定應用，與具時效性的嵌入式資料擷取計算迴路。NI PXI 產品更搭配 LabVIEW 以緊密整合軟體與硬體，除了滿足此專案的高技術需求之外，並更達到高效率的開發與整合作業。

透過的 NI 產品，G Systems 公司可於 20 週以內，為 LM Aero 設計、建置，並提供完整功能的 PDDAS 系統；而與原始系統相較，同樣的預算僅能進行升級，頂多再整合訊號處理子系統。

 

若要進一步了解更多資訊，則可聯絡：

Dave Scheibenhoffer
G Systems, Inc.
Tel: 972-516-2278
Fax:972-424-2286
E-Mail: info@gsystems.com

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