1、第28卷 第1期2007年03月內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of I nner Mongolia Agricultural UniversityVol.28 No.1Mar.2007風(fēng)洞風(fēng)速控制與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的研究與開發(fā)3石坤，童淑敏，麻碩士，洪寶棣(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，呼和浩特 010018摘要：本文依據(jù)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)理論和虛擬儀器的思想，在配置風(fēng)洞風(fēng)速控制硬 件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用Lab W indows/ CV I平臺(tái)開發(fā)出1套在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)風(fēng) 洞風(fēng)速控制、數(shù)據(jù)采集分析及處理的軟件系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：風(fēng)洞；風(fēng)速；數(shù)據(jù)采集；測(cè)控系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)

2、：1009-3575(200701-0121-03ST UDY AND DES I GN O F W I N D VELOC I TY CONTROL AND DAT AACQU I S I TI O N PROCESS I N G SYSTE M FOR W I N D-T UNNEL SH I Kun,TONG Shu-m in, MA Shuo-shi, HONG Bao-di(College of M echanical and E lectrical Engineering,InnerM ongolia A gricultural U niversity,Huhhot010018,C

3、hinaAb s tra c t: A set of s oft w are syste m t o carry out data acquisiti on,analysis and p r ocess of wind tunnel on the general-pur pose comput2 er by means of theories of modern test technol ogies and ideas of virtual instru ments based on configuring the hard ware test syste m of aer2 odyna m

4、ic characteristics of portable er osi on wind tunnel making use of Lab W indows/CV Iwas devel oped.Key wo rd s: W ind tunnel; wind vel ocity; data acquisiti on; test syste m20世紀(jì)80年代以來,我國建立的低速風(fēng)洞，包括各種風(fēng)蝕風(fēng)洞和民用空氣 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞都是把動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)集為一體以實(shí)現(xiàn)其 高自動(dòng)化作為設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。目前，對(duì)于風(fēng)蝕風(fēng)洞而言，設(shè)備相對(duì)落后，自動(dòng)化程度不 高試驗(yàn)工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，實(shí)驗(yàn)時(shí)

5、間長，風(fēng)洞試驗(yàn)的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)的成功率受到比較 大的影響。本文以Lab W indows/CV I為軟件平臺(tái)介紹了自動(dòng)化程度較高的1種低速風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)。研究所用的風(fēng)洞為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的0F DY-1.2型可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞，其屬于直流吹氣式風(fēng)洞，由1臺(tái)風(fēng)機(jī)提供實(shí)驗(yàn)氣流，風(fēng)機(jī)功率為30k W,電源采用自帶柴 油發(fā)電機(jī)組，又可利用當(dāng)?shù)爻鞘须姷碾p重供電方案，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的功率為40k Wo風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速為0m s-118m s-1。1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)包括電機(jī)風(fēng)扇、變頻器、皮托管、氣壓差變送器、數(shù)據(jù)采集卡等 部分，如圖1所示。工作過程是由計(jì)算機(jī)給定1個(gè)風(fēng)速，使用RS232/RS48

6、5接口 ,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和變頻 器之間的連接和通訊，通過變頻器完成對(duì)風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)的控制，完成微機(jī)監(jiān)控下風(fēng)蝕 風(fēng)洞中風(fēng)速的設(shè)定。皮托管和氣壓差變送器用來測(cè)量風(fēng)速的壓力并將該壓力信號(hào)轉(zhuǎn) 換成電信號(hào)，根據(jù)公式：P+1p V2=P式中:P靜壓力-流體的密度V流體的流速P0總壓力通過計(jì)算可以得出風(fēng)速值。3收稿日期：2006-10-30基金項(xiàng)目：教育部博士學(xué)科基金（20050129007內(nèi)蒙古科技廳攻關(guān)項(xiàng)目 （20030703作者簡介：石坤（1981 一,男，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)方面的工 作.圖1風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)框圖Fig.1The figure of measure ment and contr o

7、l syste m in wind tunnel 111 風(fēng)速控 制裝置在參考國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了1種基于計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的風(fēng)洞風(fēng)速控制 系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)控制變頻器，由變頻器控制風(fēng)機(jī)從而產(chǎn)生所需要的風(fēng)速。在系統(tǒng) 設(shè)計(jì)方面，上位機(jī)為計(jì)算機(jī)與下位機(jī)（單片機(jī)進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)按照設(shè)定的風(fēng)速，給下 位機(jī)（單片機(jī)發(fā)送1個(gè)控制風(fēng)速的電流值，單片機(jī)從計(jì)算機(jī)的通信口獲取數(shù)據(jù)，并把此 數(shù)據(jù)送給D/A板，通過D/A板的電位器轉(zhuǎn)化成控制電流，將此電流輸入變頻器，以此 實(shí)現(xiàn)變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。112傳感元件選擇傳感元件時(shí)，首先要考慮測(cè)試儀器置入流場(chǎng)后，其輪廓形狀應(yīng)盡量減少對(duì)原 流場(chǎng)的影響。其次考慮到野外實(shí)驗(yàn)條件的

8、局限性 ，應(yīng)盡量選擇便于攜帶、安裝、拆 卸以及有較高性價(jià)比的測(cè)試儀器。本系統(tǒng)選用 AST-1型標(biāo)準(zhǔn)皮托管。皮托管安裝在風(fēng)洞內(nèi)，接受氣流的總壓和靜壓，通過管線將壓力信號(hào)傳送給氣壓 差變送器。113氣壓差變送器0F DY-1.2型風(fēng)蝕風(fēng)洞屬小型可移動(dòng)式風(fēng)洞，工作環(huán)境差，風(fēng)速低（小于18m s-1, 風(fēng)速范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的氣壓差值在 0Pa到256Pa綜合考慮其它因素，選用JCJ800B2型 微差壓變送器。氣壓差變送器接受皮托管輸入的兩壓力信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成動(dòng)壓的電信號(hào)，此電信號(hào) 經(jīng)過放大通過數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)，最后用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示。114數(shù)據(jù)采集卡為簡化系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，并便于計(jì)算機(jī)控制，采用

9、1塊PC I-M I O-16E-4作為計(jì) 算機(jī)與變頻器、傳感器等外圍部件的接口 ，完成D/A、A/D轉(zhuǎn)換以及控制等功能。 PC I-M I O-16E-4是美國國家儀器公司（Nati onal I nstru ment簡稱N I推出的1種通 用型PC I總線數(shù)據(jù)采集卡。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是以Lab W indows/CV I為軟件開發(fā)平臺(tái)，主要由軟件來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的控 制、采集、存儲(chǔ)、處理和顯示。主要功能包括：上位機(jī)與下位機(jī)通信完成對(duì)風(fēng)速的 控制、風(fēng)速波形的實(shí)時(shí)顯示以及存儲(chǔ)、多通道的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理等 等。211風(fēng)速控制風(fēng)速控制面板如圖2所示。在Lab W indows/CV I軟

10、件開發(fā)環(huán)境下，通過編程實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制算法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控功能，在該系統(tǒng)中，軟件部分主要涉及監(jiān)控面板的設(shè)計(jì)、對(duì)硬件的 握手操作和控制算法的設(shè)計(jì)。Lab W indows/CV I提供了 GP I B和RS-232接口編程。本系統(tǒng)使用的函數(shù)是 ComW rt(，其函數(shù)定義如下：Status30=ComW rt(Comport30,Data30, Bytes;參數(shù)Comport30已定義為COM端口號(hào)。參數(shù)Bytes為向端口發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié) 數(shù),如果為0,則忽略該參數(shù)，當(dāng)遇到停止字符或者發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)函數(shù)停止操作p +T工 J/ I Z/1Z4 A a圖2風(fēng)速控制面板Fig.2wind vel o

11、city contr ol panel212數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集面板如圖3所示。利用該界面可以實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，以及對(duì)采集數(shù)據(jù)的分組存儲(chǔ)。在 數(shù)據(jù)采集前，可選擇采集通道（本系統(tǒng)共設(shè)置了 18個(gè)通道、設(shè)置采樣頻率及采樣時(shí) 間和外界環(huán)境等參數(shù)。由于內(nèi)蒙古地區(qū)溫差較大 ，海拔較高，為了得到比較準(zhǔn)確的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以對(duì)影響氣體密度的兩個(gè)參數(shù)溫度和氣壓進(jìn)行預(yù)處理，即外界環(huán)境的設(shè)置。221內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2007年XI圖3數(shù)據(jù)采集面板Fig.3data acquisiti on panelLab W indo ws/CV I提供了用于端口讀寫的 Easy I/O for DAQ函數(shù)庫，用戶只須 正確

12、的設(shè)置有關(guān)的參數(shù)值，然后調(diào)用庫中的函數(shù)就能方便的實(shí)現(xiàn)從外部采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用 A I Start A cquisiti on（和A I ReadAcquisiti on（兩函數(shù)搭配使用完成數(shù)據(jù) 采集功能，其函數(shù)定義如下：A I Start A cquisiti on(device,channelString,buff2 erSize,scansPerSecond,high L i m it,l owL i m it,3actual2 ScanRate,3task I D;參數(shù)device表示設(shè)備號(hào)，channelString表示采集通道，bufferSize為存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù) 的內(nèi)部緩存器大小,

13、scansPerSecon的采樣頻率,highL i m it和l owL i m it分別為采 樣的上限和下限值。參數(shù)actualScanRateJ實(shí)際的采樣頻率,task I D為采樣操作I D 號(hào)。A I ReadAcquisiti on(task I D,scanst oRead,read2 Mode,3scan Backl og,fill M ode,wavefor m;參數(shù)task I D為采樣操作I D號(hào)，由A I Start A cqui2 siti on函數(shù)得到，scanst oRead為采樣長度。參數(shù)read2 Mode表示讀取模式，可以為LATEST_MODE和 CONS

14、ECUTI V E_MODE兩種模式，LATEST_MODE表示讀取最新采集至U的數(shù) 據(jù),CONSECUTI V E_MODE表示從上次讀取的數(shù)據(jù)后面接著讀取；本系統(tǒng)所選用的 是LATEST_MODE模式。參數(shù)fill M ode表示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模式，可以是 GROUP_BY_CHANNEL 和 GROUP_BY_SCAN 兩種模式，為 GROUP_BY_CHAN2 NEL時(shí)表示按照通道順序存放，為GROUP_BY_ SCAN時(shí)表示按照采樣次數(shù)順序存 放;本系統(tǒng)所選用的是 GROUP_BY_CHANNEL模式。參數(shù)scanBack2 l og表示緩存 器中還剩數(shù)據(jù)的大小，wavefor m為得到

15、的double型數(shù)據(jù)。213信號(hào)分析數(shù)據(jù)處理面板如圖4所示。通過該界面可以對(duì)已采集數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析做擬合曲線圖和擬合方程，可以完成風(fēng)速廓線、風(fēng)蝕量廓線、數(shù)據(jù)波形顯示和處理結(jié)果的輸出。Lab W indo ws/CV I提供了用于信號(hào)分析的 “anal2ysis.libS數(shù)庫?？紤]到實(shí)際 的理論依據(jù)在本系統(tǒng)中選用指數(shù)擬合庫函數(shù) ExpFit(，該函數(shù)可直接確定各項(xiàng)擬合系 數(shù)，其函數(shù)定義如下：ExpFit(A rray X,A rray Y,Number of Ele ments, Out put A rray,Amp litude,Decay,Mean Squared Er2 r or;參數(shù)A

16、rray X為采集不同數(shù)值輸入量數(shù)組 X。參數(shù)A rray Y為風(fēng)速儀上5個(gè)高 度位置布置測(cè)點(diǎn)距離地表的高度。Nu mber of Ele ments為數(shù)組單元數(shù)，該處為5。Out put A rray為數(shù)據(jù)回歸方程。 Amp litude和Decay分別表示回歸系數(shù)。MeanSquared Err or為數(shù)據(jù)擬合的均方根誤差值。圖4數(shù)據(jù)處理面板Fig.4data p r ocessing panel3結(jié)論本研究通過計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通信的方式控制變頻器，從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)速的目 的。利用Lab W indows/ CV I開發(fā)的虛擬測(cè)控儀器在OF DY-1.2型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中可實(shí) 現(xiàn)風(fēng)速控制、數(shù)據(jù)采集與

17、處理功能。測(cè)試結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)方案可行、各項(xiàng)指標(biāo)均 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡單且自動(dòng)化程度較高。參考文獻(xiàn)：1陳振民.低速風(fēng)洞測(cè)控自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)J.數(shù)據(jù)采集與處理,1997,12(3:201-204.2王鐵城.空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)M.北京:國防工業(yè)出版社,2000.3胡學(xué)海.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,2005.4程剛，謝馳.在Lab W indows/CV I環(huán)境下開發(fā)虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)J.實(shí)用測(cè)試技術(shù),2002,3:27-28. 5 M c Quist on.V irtuai instru ments for use in test syste m s de2vel opment.Ro