风洞风速控制与数据采集处理系统的研究与开发概要

1、第28卷 第1期2007年03月内蒙古农业大学学报Journal of I nner Mongolia Agricultural UniversityVol.28 No.1Mar.2007风洞风速控制与数据采集处理系统的研究与开发3石坤，童淑敏，麻硕士，洪宝棣(内蒙古农业大学机电学院，呼和浩特 010018摘要：本文依据现代测试技术理论和虚拟仪器的思想，在配置风洞风速控制硬 件系统的基础上，利用Lab W indows/ CV I平台开发出1套在通用计算机上实现风 洞风速控制、数据采集分析及处理的软件系统。关键词：风洞；风速；数据采集；测控系统中图分类号：TP391.9 文献标识码：A文章编号

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世纪80年代以来,我国建立的低速风洞，包括各种风蚀风洞和民用空气 动力学实验风洞都是把动力系统、控制系统和数据采集处理系统集为一体以实现其 高自动化作为设计目标之一。目前，对于风蚀风洞而言，设备相对落后，自动化程度不 高试验工作人员劳动强度大，实验时

5、间长，风洞试验的质量和实验的成功率受到比较 大的影响。本文以Lab W indows/CV I为软件平台介绍了自动化程度较高的1种低速风洞测控系统的研究与开发。研究所用的风洞为内蒙古农业大学研制的0F DY-1.2型可移动式风蚀风洞，其属于直流吹气式风洞，由1台风机提供实验气流，风机功率为30k W,电源采用自带柴 油发电机组，又可利用当地城市电的双重供电方案，柴油机发电机组的功率为40k Wo风洞实验段风速为0m s-118m s-1。1系统硬件设计风洞测控系统包括电机风扇、变频器、皮托管、气压差变送器、数据采集卡等 部分，如图1所示。工作过程是由计算机给定1个风速，使用RS232/RS48

6、5接口 ,实现计算机和变频 器之间的连接和通讯，通过变频器完成对风洞动力系统的控制，完成微机监控下风蚀 风洞中风速的设定。皮托管和气压差变送器用来测量风速的压力并将该压力信号转 换成电信号，根据公式：P+1p V2=P式中:P静压力-流体的密度V流体的流速P0总压力通过计算可以得出风速值。3收稿日期：2006-10-30基金项目：教育部博士学科基金（20050129007内蒙古科技厅攻关项目 （20030703作者简介：石坤（1981 一,男，硕士研究生，主要从事现代测试技术方面的工 作.图1风洞测控系统框图Fig.1The figure of measure ment and contr o

7、l syste m in wind tunnel 111 风速控 制装置在参考国内外研究的基础上，设计了1种基于计算机和单片机的风洞风速控制 系统。通过该系统控制变频器，由变频器控制风机从而产生所需要的风速。在系统 设计方面，上位机为计算机与下位机（单片机进行通信。计算机按照设定的风速，给下 位机（单片机发送1个控制风速的电流值，单片机从计算机的通信口获取数据，并把此 数据送给D/A板，通过D/A板的电位器转化成控制电流，将此电流输入变频器，以此 实现变频器控制风机的转速。112传感元件选择传感元件时，首先要考虑测试仪器置入流场后，其轮廓形状应尽量减少对原 流场的影响。其次考虑到野外实验条件的

8、局限性 ，应尽量选择便于携带、安装、拆 卸以及有较高性价比的测试仪器。本系统选用 AST-1型标准皮托管。皮托管安装在风洞内，接受气流的总压和静压，通过管线将压力信号传送给气压 差变送器。113气压差变送器0F DY-1.2型风蚀风洞属小型可移动式风洞，工作环境差，风速低（小于18m s-1, 风速范围内对应的气压差值在 0Pa到256Pa综合考虑其它因素，选用JCJ800B2型 微差压变送器。气压差变送器接受皮托管输入的两压力信号，并转换成动压的电信号，此电信号 经过放大通过数据采集卡采集信号，最后用软件对数据进行处理、存储和显示。114数据采集卡为简化系统硬件的设计，并便于计算机控制，采用

9、1块PC I-M I O-16E-4作为计 算机与变频器、传感器等外围部件的接口 ，完成D/A、A/D转换以及控制等功能。 PC I-M I O-16E-4是美国国家仪器公司（Nati onal I nstru ment简称N I推出的1种通 用型PC I总线数据采集卡。2系统软件设计本系统是以Lab W indows/CV I为软件开发平台，主要由软件来实现信号的控 制、采集、存储、处理和显示。主要功能包括：上位机与下位机通信完成对风速的 控制、风速波形的实时显示以及存储、多通道的数据采集、数据存储和数据处理等 等。211风速控制风速控制面板如图2所示。在Lab W indows/CV I软

10、件开发环境下，通过编程实现变频调速系统的控制算法及实验系统的监控功能，在该系统中，软件部分主要涉及监控面板的设计、对硬件的 握手操作和控制算法的设计。Lab W indows/CV I提供了 GP I B和RS-232接口编程。本系统使用的函数是 ComW rt(，其函数定义如下：Status30=ComW rt(Comport30,Data30, Bytes;参数Comport30已定义为COM端口号。参数Bytes为向端口发送数据的字节 数,如果为0,则忽略该参数，当遇到停止字符或者发生错误时函数停止操作p +T工 J/ I Z/1Z4 A a图2风速控制面板Fig.2wind vel o

11、city contr ol panel212数据采集数据采集面板如图3所示。利用该界面可以实现多通道的数据自动采集，以及对采集数据的分组存储。在 数据采集前，可选择采集通道（本系统共设置了 18个通道、设置采样频率及采样时 间和外界环境等参数。由于内蒙古地区温差较大 ，海拔较高，为了得到比较准确的实 验数据，所以对影响气体密度的两个参数温度和气压进行预处理，即外界环境的设置。221内蒙古农业大学学报2007年XI图3数据采集面板Fig.3data acquisiti on panelLab W indo ws/CV I提供了用于端口读写的 Easy I/O for DAQ函数库，用户只须 正确

12、的设置有关的参数值，然后调用库中的函数就能方便的实现从外部采集数据。本系统采用 A I Start A cquisiti on（和A I ReadAcquisiti on（两函数搭配使用完成数据 采集功能，其函数定义如下：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;参数device表示设备号，channelString表示采集通道，bufferSize为存储采集数据 的内部缓存器大小,

13、scansPerSecon的采样频率,highL i m it和l owL i m it分别为采 样的上限和下限值。参数actualScanRateJ实际的采样频率,task I D为采样操作I D 号。A I ReadAcquisiti on(task I D,scanst oRead,read2 Mode,3scan Backl og,fill M ode,wavefor m;参数task I D为采样操作I D号，由A I Start A cqui2 siti on函数得到，scanst oRead为采样长度。参数read2 Mode表示读取模式，可以为LATEST_MODE和 CONS

14、ECUTI V E_MODE两种模式，LATEST_MODE表示读取最新采集至U的数 据,CONSECUTI V E_MODE表示从上次读取的数据后面接着读取；本系统所选用的 是LATEST_MODE模式。参数fill M ode表示数据的存储模式，可以是 GROUP_BY_CHANNEL 和 GROUP_BY_SCAN 两种模式，为 GROUP_BY_CHAN2 NEL时表示按照通道顺序存放，为GROUP_BY_ SCAN时表示按照采样次数顺序存 放;本系统所选用的是 GROUP_BY_CHANNEL模式。参数scanBack2 l og表示缓存 器中还剩数据的大小，wavefor m为得到

15、的double型数据。213信号分析数据处理面板如图4所示。通过该界面可以对已采集数据进行回归分析做拟合曲线图和拟合方程，可以完成风速廓线、风蚀量廓线、数据波形显示和处理结果的输出。Lab W indo ws/CV I提供了用于信号分析的 “anal2ysis.libS数库。考虑到实际 的理论依据在本系统中选用指数拟合库函数 ExpFit(，该函数可直接确定各项拟合系 数，其函数定义如下：ExpFit(A rray X,A rray Y,Number of Ele ments, Out put A rray,Amp litude,Decay,Mean Squared Er2 r or;参数A

16、rray X为采集不同数值输入量数组 X。参数A rray Y为风速仪上5个高 度位置布置测点距离地表的高度。Nu mber of Ele ments为数组单元数，该处为5。Out put A rray为数据回归方程。 Amp litude和Decay分别表示回归系数。MeanSquared Err or为数据拟合的均方根误差值。图4数据处理面板Fig.4data p r ocessing panel3结论本研究通过计算机与单片机通信的方式控制变频器，从而达到调节风速的目 的。利用Lab W indows/ CV I开发的虚拟测控仪器在OF DY-1.2型风洞实验中可实 现风速控制、数据采集与

17、处理功能。测试结果表明整个系统方案可行、各项指标均 达到了设计要求，经济实用、操作简单且自动化程度较高。参考文献：1陈振民.低速风洞测控自动化应用技术J.数据采集与处理,1997,12(3:201-204.2王铁城.空气动力学实验技术M.北京:国防工业出版社,2000.3胡学海.单片机原理及应用系统设计M.北京:电子工业出版社,2005.4程刚，谢驰.在Lab W indows/CV I环境下开发虚拟仪器自动测试系统J.实用测试技术,2002,3:27-28. 5 M c Quist on.V irtuai instru ments for use in test syste m s de2vel opment.Ro