LabVIEW数据采集NASA航空器 进行基于 LabVIEW数据采集

\"LabVIEW软 件和数据采集产品与 加固PC无故障地协 同工作；该系统被科 学团队认为是该项目 的最佳部分。\"

- Ted Brunzie, California Institute of Technology, Jet Propulsion Laboratory (JPL)

The Challenge:

在NASA研究航空 器内部零重力情况下 采集与视频同步的加 速度与温度数据。

The Solution:

利用加固的便携式 PC中的 LabVIEW和 DAQ板卡，读入时 间代码并采集模拟电 压。

Author (s):

Ted Brunzie - California Institute of Technology, Jet Propulsion Laboratory (JPL)

基于LabVIEW 的测试系统新近被加 载到NASA DC-9“呕吐彗 星”，它以抛物线弹 道曲线飞行采集关于 超流体液氦在零重力 情况下产生的带有时 间标签的数据与视 频。该实验旨在收集 验证和改进氦在失重 时如何响应微扰动的 计算机模型所需的经 验数据。这些模型的 最直接应用就包括航 空器的设计。某些航 空器需要使热敏感部 件保持极低温度—— 超流体氦所独有的特 性使得它非常适合这 一需要。该应用的一 个良好范例便是使基 于空间的红外望远镜 的镜面保持较低的均 匀的温度。 问题在于，即使在绝 对零点，超流体氦仍 是流体，而流体受到 干扰时会泼溅。超流 体氦是最糟糕的问题 之一，因为它几乎没 有粘性或表面张力。 因此，在操控这样的 航空器（特别是较小 的航空器）时，存在 不容忽视的引发不稳 定的风险，除非这样 的泼溅在纬度控制系 统中能够得以解决。 仅仅生成一个泼溅物 理学的计算机模型是 不够的，还需要通过 实验验证模型的准确 性并进一步改进。这 就涉及到采集加速数 据并对一瓶零重力下 处于悬浮状态的超流 体液氦进行录像—— 显然，这绝非易事！

应JPL 低温物理 学组的要求，我为该 实验搭建了数据采集 （DAQ）系统。该 系统包含两个单元， 一个管状钢质漂浮封 装和一个DAQ机 架。该漂浮封装的焦 点所在是一个小尺寸 的圆柱形液氦真空 瓶，其一端开口另一 端带有透明栅格。该 真空瓶浸没在一个较 大的钢质液氮真空瓶 中，使得传递降至氦 的热量最少，以确保 在氦完全挥发前有足 够时间进行实验。

外部的真空瓶装有一 对相对应的窗口，一 窗口装有灯，而另一 窗口装有视频摄像 头。摄像头记录氦气 泡漂移时相对背景栅 格的图像。安装在外 部真空瓶上的三轴加 速计测量当氦泼溅时 所受到的微小G- 力。一个真空泵和一 对Lake Shore公司的低 温探头，用来监测当 氦在实验中通过挥发 绝对温度从4.2 开尔文降至1.4 开尔文时的超流体转 换。 第二个单元，即 DAQ 机架，是一 个紧固在航空器（一 个改装的DC-9货 运喷气式飞机）舰板 上的半高的19 英 寸仪器机架。该机架 包含一个加速计所需 的惠普双DC电源、 一个索尼专业VHS 录像机、一个 Horita时间编 码发生器模块、一个 视频监视器和安装在 机架顶部的控制计算 机。该控制计算机是 由Dolch制造的 一台基于100 MHz奔腾处理器的 加固“饭盒”便携式 计算机，它在 Windows 3.1上运行 LabVIEW 3.1.1。一个 NI AT- MIO-16F- 5 多功能DAQ 板卡占据了计算机上 六个全尺寸 EISA/PCI插 槽中的一个。一个

Cirque触摸板 代替了鼠标或轨迹球 （这两个设备在零重 力情况下都不能使 用）。

这两个单元通过一束 线缆相连——为漂浮 封装供电并将数据与 视频信号回传至 DAQ 机架。航空 器的电源通过两根 15 A 120 VAC电线接入到机 架来满足整个系统的 供电需求。

DAQ 软件设计

该项目的主要设计问 题在于VCR 记录 的视频帧与控制计算 机采集的数据之间的 同步。同步的必要在 于研究人员可以在以 后将作用于氦气泡的 G- 力与其可视行 为相关联。由于视频 是以每秒30 帧的 速度记录，所以 DAQ 需要采用相 同速率的采样周期。

主循环的定时由 Horita 时间 编码发生器提供。每 33 毫秒，该设备 就发送10字节的数 据流至PC的串口， 其中包括时间与帧序 的编码。该数据由串 口读VI 读入，但 不进行解码。

紧接着，软件从 MIO板卡读入一个 由7 个模拟电压构 成的数组。所有的数 据存储在RAM 和 缓冲中使开销最小 化。每个抛物线的典 型采集时间为40 秒（1200 个采 样），包含一个 20 秒长的失重 期。操作人员通过敲 击键盘上的回车键负 责启动和停止数据采 集。

尽可能地保持操作人 员界面简单，不仅最 小化处理开销，也消 除了操作人员操作系 统时的任何额外压 力。停止数据采集之 后，软件将时间编码 从封装的BCD 格 式转换为时间字符 串，利用数组至电子 表格字符串VI翻译 采集到的数据，并将 所得到的ASCII 数据写入磁盘文件。

为每条抛物线创建一 个写入磁盘的数 据文件，使数据安全 最大化——这是另一 个重要的设计问题。 为了降低错误发生 率，我们开发了一个 自动化的文件和目录 发生器，以维护数据 与时间标记的文件。 每次飞行得到45 个写入当天目录的文 件。我们每天在飞行 返回至机场时将数据 备份至软盘。在飞行 间隙，我们将数据读 入到电子表格程序， 以进一步操控和评价 试验。

试验结果

四天的飞行非常成 功，得到了4 个录 像带和180 个包 含时间标记的加速与 温度数据的文件。我 们在两个月内开发了 整个DAQ系统，恰 好满足了其紧凑的进 度和预算要求。 LabVIEW 软 件和数据采集产品， 与加固PC无故障地 协同工作；该DAQ 系统被科学团队认为 是该项目的最佳部 分。视频和记录数据 的初步分析表明，此 次试验捕获了多个有 效的序列，并将吸纳 到开发中的物理学模 型。

Ted Brunzie在加 州理工学院的喷气式 推进实验室完成了即 交即用式的数据采 集、分析和控制系 统，为各种NASA 与工业研究项目提供 了支持。他现从属于 JPL 测量技术中 心，将在接下来的九 年期工作中参与深空 网络项目并负责开发 自动化信号处理设 备。

本文所介绍的研究工 作在加州理工学院喷 气式推进实验室，根 据与美国国家航空宇 航管理局的合同完 成。

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