大气数据处理实验管理系统

基于LabVIEW的大气数据处理实验管理系统设计指导教师：卢艳军答辩学生：刘颖目录课题研究背景及意义1系统设计2系统实现34课题研究结论一.课题研究背景及意义1.课题研究背景

大气数据系统是现代飞机上重要的机载电子设备。它通过实时测量飞行器所处位置的大气静压、总压、总温迎角等参数，经过大气数据计算机解算出飞行高度、马赫数、真实空速、指示空速、升降速度等飞行参数，并将其送给座舱显示系统、飞行控制系统、导航系统等。其性能的高低不仅直接关系到对大气数据的准确测量和显示，而且还决定了飞行任务能否顺利完成以及飞机飞行的安全性。

一.课题研究背景及意义1.课题研究背景

随着航空技术水平的提高，大气数据计算机也随之发展。在发展的过程中共经历了高度控制型、气压计算型、简单机电型、中等复杂机电型、高级复杂机电型、数字/模拟混合型，以及当前广泛应用于现代飞行器的数字式大气数据计算机。对于大气数据处理实验系统，目前国内只有北京航空航天大学进行研究，并正在完善当中。一.课题研究背景及意义2.课题研究意义

大气数据计算机是一个完全封装的机载电子设备,而且是应用在航空领域的重要系统。因此,在进行某些航空电子综合实验的过程中就无法采用真实的大气机来实际操作,对学习、研究和开发人员来说，就不能方便直接地了解和监控数据处理的全过程。所以，研究设计一套基于PC机的大气数据处理系统,对相关学习开发人员来说就非常必要,可以方便的对大气机进行研究和开发。一.课题研究背景及意义2.课题研究意义

由于实践教学在整体教学中起着不可替代的作用,因此创建一个具有航空航天特色的专业实验系统,可以使学生了解飞机上机载设备的工作原理、测试系统的组成和功能，以及参数的解算方法等。学生可以把书本上学习到的抽象知识在实验系统中具体化,有助于学生更好的理解和掌握相关领域的专业知识,并增强实践能力。因此,该项目的研究具有一定的实用价值和实际意义。二.系统设计本系统是一个对大气数据进行采集、显示、处理和分析管理并能进行相关实验的实时数据处理实验系统。下图是系统基本处理流程的框图：下位机采集模块采集数据解算模块解算数据教师机学生机数据库1234二.系统设计1.采集模块

采集系统主要完成系统数据的采集和数据的处理。数据采集是使用网络通信,使用UDP协议接收下位机上传的数据。数据处理是对采集的原始数据中出现的干扰进行处理。二.系统设计1.采集模块UDP通信UDP通信协议的定义发送数据格式：不定长发送形式：$D,静压,动压,总温,攻角,#例子：$D,1267,5645,24.5,1.56,#意义：静压：1267Pa，总压：5645Pa，总温：24.5摄氏度，攻角：1.56度下位机发送数据包,上位机通过UDP协议接收到数据包后对其进行解析,形成有实际意义的数据。二.系统设计1.采集模块UDP通信UDP接收数据包程序：打开UDP读取UDP关闭UDP二.系统设计1.采集模块UDP通信解析UDP数据包程序：判断是否符合通讯协议如果符合，解析成有效数据二.系统设计1.采集模块数据处理

下图是没有处理的原始信号,从图中可以看出,信号受到了脉冲的干扰,这使得最终的测量结果出现较大的偏差,并直接导致解算数据的不正确。本系统采用中值滤波对采集数据进行处理。

二.系统设计1.采集模块数据处理经过中值滤波后系统数据如下：二.系统设计1.采集模块LabVIEW与Matlab混合编程数据处理是应用Matlab进行的,因此需要LabVIEW中来调用Matlab程序。首先在Matlab中建立新工程并添加所需的M文件，然后在MatlabCOMBuilder中将其编译成COM组件，然后在LabVIEW中应用打开自动化和调用节点来完成对Matlab程序的调用。二.系统设计1.采集模块LabVIEW与Matlab混合编程二.系统设计1.采集模块LabVIEW与Matlab混合编程调用节点打开自动化二.系统设计2.解算模块解算系统主要完成大气参数的解算本系统主要完成飞行高度、升降速度、马赫数及马赫数变化率以及真实空速和指示空速的解算。二.系统设计2.解算模块参数解算——飞行高度飞机在空中距离某一个基准面的垂直距离定义为飞行高度。无特殊强调,通常指气压高度。标准压高公式适用于80Km以下的各个高度层。

Pb为相应下限高度下的气压上限值,β为温度垂直变化率,R为通用气体常数,gn为自由落体加速度。

由于标准大气压的温度不连续的,所以可得以下公式：二.系统设计2.解算模块参数解算——飞行高度1)Hp<11000米时,把带入公式可得：2)11000<Hp<20000米时,由上式求Hp=11000米Pb=22.632KPa,此时Tb=216.5K,β=0,所以：

3)20000<Hp<32000米时,由上式求出Hp=20000米Pb=5.474KPa，此时Tb=216.5K,β=0.001k/m,所以：二.系统设计2.解算模块参数解算——升降速度

在航空航天领域,升降速度就是单位时间内飞行高度的变化量,也就是飞行高度对时间的导数。计算公式如下：

其中,Hpt是N时刻的升降速度;HPN是N时刻的气压高度;HP(N-1)是(N-1)时刻的气压高度;T是系统的采样周期。二.系统设计2.解算模块参数解算——马赫数

马赫数Ma是真空速V与声速c的比值,即Ma=V/c。当Ma≤1时:当Ma>1时:其中，Pt为总压；Ps为静压。二.系统设计2.解算模块参数解算——真实空速

真实空速是指飞机相对迎面气流的速度。

当Ma≤1时:

当Ma＞1时：

其中,k=1.4为空气绝热系数;R=287.05287[m2/S2.K]为空气专用气体常数,TS为大气静温,即飞行中飞机周围未受扰动的大气温度.二.系统设计2.解算模块参数解算——指示空速

指示空速是不考虑飞机所在处大气参数(PS,Ts)随高度而改变的空速,它只与动压qc有关。当把T0=288K，P0=101.325×103代入真空速公式中即得指示空速当Ma≤1时：当Ma＞1时：二.系统设计2.解算模块解算算法

由以上公式可知,飞行高度和升降速度可以采取解析的办法来解算；而马赫数、真实空速和指示空速的计算公式不是线性方程，但并不是特别复杂,因此考虑采用比较简单的二分法进行求解。下图是应用二分法求得的马赫数正确性验证：

二.系统设计2.解算模块参数解算

解算算法验证二.系统设计2.解算模块参数解算参数解算采用C语言编程实现，因此需要在LabVIEW中调用C程序。（1）首先创建一个空的CIN节点（2）创建C语言源程序（3）将C语言源文件编译成为LabVIEW的CIN节点可以调用的*.lsb文件（4）在LabVIEW加载*.lsb文件并完成调用二.系统设计2.解算模块参数解算创建CLN节点二.系统设计3.数据库设计本系统采用SQLServer2000作为系统数据库。应用LabSQL通过ODBC数据源访问数据库。数据库组成如下图：二.系统设计3.数据库设计

数据结构设计情况如下：二.系统设计3.数据库设计要实现对SQLServer数据库的访问,首先需要创建一个ODBC数据源,选择相应的驱动程序,并设定用户名和密码。然后再应用LabSQLADOfunctions通过数据源对数据库进行访问（1）准备与SQL数据库进行连接。（2）建立与SQLServer的链接。（3）执行数据操作（4）关闭labSQL与SQL数据库的连接。二.系统设计3.数据库设计二.系统设计3.数据库设计创建连接打开链接执行操作关闭连接二.系统设计4.TCP/IP通讯

服务器与学生机之间通过TCP/IP协议进行通讯。服务器端不断的侦听，当有客户端连接的时候建立连接，然后接收和发送数据形成通讯。二.系统设计4.TCP/IP通讯打开TCP连接读写数据关闭TCP连接TCP侦听三.系统实现系统主要由监控模块、数据处理模块和通信模块组成。三.系统实现进入系统

三.系统实现系统简介系统简介试验项目三.系统实现实验项目三.系统实现数据管理数据管理三.系统实现用户管理用户管理三.系统实现用户管理三.系统实现监控模块指示灯IP地址查询按钮连接数量连接端口四.课题研究总结1.研究了大气数据系统的参数解算原理和数据的处理方法。采用二分法进行参数的解算，采用中值滤波处理系统数据。为系统的实现提供了理论基础,并通过在系统中的使用验证了方法的可用性;2.构建了整个大气数据处理实验系统，完成了系统数据库的设计，实现了LabVIEW对数据库的访问,并形成小型局域网，实现网络管理。攻读硕士期间发表的学术论文1刘颖,国凤娟,卢艳军.基于LabVIEW的旋转机械监测与诊断系统设