在NASA航空器内进行基于LabVIEW的数据采集

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

Industry:
Government/Defense

Products:
LabVIEW,

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。
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独立数据文件，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。