關于多通道同步數據采集的探討

梁志國,劉淵,尹肖,孫浩琳,張大治

(航空工業北京長城計量測試技術研究所 計量與校準技術重點實驗室,北京 100095)

0 引言

多通道數據采集,在工程應用中有多種不同的表述方式,如針對多傳感器不同物理量測量特征的“多變量綜合測量”、體現同一被測系統復雜條件下不同指標特征的“多參量綜合測量”、側重同一物理對象不同參數的“多參數綜合測量”,以及復雜系統多物理量綜合測量、復雜環境多參量綜合測量等,均屬于同一事情的不同表征方式。本文后續討論,將不再對它們進行區分,視為等同。

多通道同步采集特指數據采集中各個通道采樣時刻完全相同的采樣方式,也稱為多通道同時采集。包括等間隔采樣狀態和非等間隔采樣狀態。它往往與多通道動態信號采集測量密不可分。此時,多需要構建不同通道信號的同步、正交、固定延遲等技術條件,并進行條件判定。

盡管有些靜態多變量測量系統也使用多通道同步采集方式,由于信號平穩且沒有變化,其同步采集優勢并不明顯,僅僅在出現異?；蚬收蠒r,用于追蹤分析故障狀況,才顯現出一定優勢。

工程實踐表明,需要多通道同步采集的場合,實際上是指需要在各個通道的不同傳感器測量點處實現同時采樣,并非是指在采集系統本身的端口處實現同時采樣,兩者具有明確差異。由于通道放大器、信號調理器等的存在且參數存在差異,使得它們的含義并不相同。在系統本身端口處各個通道的同步,并不能保證它們在不同傳感器測量點處實現同時采樣。因此,多通道同步采集問題,既包含設備設計、制造問題,也包括設備使用、標定、修正、補償問題。缺少了這些環節,即使是進行了多通道同步采集的設計和制造,也并不能獲得真正的多通道同步采集結果。這也正是本文后續所要討論的核心問題。

1 多變量動態測量

動態測量問題,一直被認為是時變量值波形的采樣測量問題[1]。其關注的是量值隨時間的變化情況,以及量值波形是否真實,失真是否足夠小。實際上,這僅僅是針對單物理量值的測量思路,僅是動態測量中的一個特例。多數情況下的動態測量,人們需要關注的均為多個物理量值的群體行為。它們變化多端,包括有規律變化和無規律變化,已知規律變化和未知規律變化。即使是按照同一規律變化,也涉及到規律出現的先后時序問題。由此,體現出多通道同步數據采集在動態測量中的意義和價值。

俄國科學家B.A.格拉諾夫斯基曾說,動態是矢量[2],本質含義便是多維空間的矢量問題,其完整表征應體現出如何表征其矢量特性。對于單物理量變化規律而言,不僅是量值波形的變化規律,也包括其規律對應的時間刻度;對于多物理量值的群體變化行為而言,除了各自的時序變化規律外,其時間刻度的統一一致和先后時序關系,也是矢量特性的重要表述特征。

以最簡單的正弦交流電壓u(t)為例,其時域表示為

其矢量表述式為

式中:A為電壓幅度;f為電壓頻率;φ為電壓波形的初始相位;t為時間變量;為電壓的矢量幅度;j為復數算子符號。

將其加載到阻抗為Z的無源器件之上,通過的電流i(t)可表述為

其矢量表述式為:

式中:i為電流幅度;φ+θ為電流波形的初始相位;為電流的矢量幅度。

式中:Δτ為延遲時間。

當θ=0時,阻抗為純電阻,電壓和電流同相;

當θ=π/2時,阻抗為純電容,電壓落后電流π/2相位;

當θ=-π/2時,阻抗為純電感,電壓超前電流π/2相位。

相位差θ對應的是延遲時間Δτ,延遲時間Δτ符號的不同,體現出的是阻性、容性、感性等截然不同的電路特性。矢量特性在這里與時間延遲特性擁有完全等價的關系,其表征方式不同,表面上的含義有差別,但本質上是一致的。

復雜條件下的動態測量,一直是動態測量中的難點[3]。但條件復雜程度,因不同問題而有所不同。以航空發動機為例[4],問題有:①多元激勵特征,如轉子不平衡、對中偏離、氣動、熱變形、機械松動等不同激勵;②復雜工況特征,如高溫、高速、高加速度、變化負荷、飛行起降、爬升、俯沖等各種復雜工況組合方式;③復雜振動響應特征,如幅值、相位、頻率、模態、瞬變多頻、寬頻率范圍、非線性、復雜路徑、強噪聲下的微弱信號等響應特征。

這類問題的解決方式多被稱為多參量綜合測量,是指以不同被測對象的關聯性綜合表征為目的的多參量測量活動。

綜合測量中的多個參量相互依存、互為條件,一些參量存在相互關聯和耦合特性。它們的關聯特征、條件性特征、耦合性特征等在完整表征物理對象不同量值的群體行為時必不可少。從量值種類來說,包括不同的物理量,如幾何量、熱學量、力學量、電磁量、聲學量、光學量、電子學量、化學量、電離輻射量、生物學量等;也包括同一物理量的不同參量方式,如幅度、頻率、相位、諧波、噪聲等。

最常見的多參量綜合測量為被測物理量與對其有影響的環境參量的多參數群體綜合測量[5-6]。環境參量包括:環境溫度、濕度、壓力、震動、沖擊、電磁環境干擾、聲環境干擾、光環境干擾、大氣粉塵干擾等。

渦輪風扇發動機整機試車中[7-8],每次試驗都需要記錄燃油質量流量、發動機噴管面積、進氣流量管流通截面面積、發動機轉速、發動機燃氣溫度、空氣流場、大氣環境溫度、濕度、試車臺架變形、試車臺架推力、試車臺架振動、發動機噪音水平、發動機開機特性等多種過程量值及其變化過程,以綜合表征其總體性能,并深入分析每一參量對總體性能的貢獻規律。每個類型的參量都需要記錄采集多個測量點位的參數量值及其變化過程。不同類型的參量、不同測量點位參數之間的相互關聯,對評價航空發動機的性能均有影響。而發動機整機試車特性的評估就是一個多參量群體綜合測量結果,即在多通道同步測量的基礎上,綜合分析處理與表述的結果。

機載大氣數據計算機所測量的大氣數據參量[9],包括飛行高度、指示空速、真空速、馬赫數、升降速度、空速變化率、大氣總溫、大氣靜溫,以及迎角、側滑角等飛行控制參數,具有同步相關性及因果性,直接影響飛行安全。機載大氣數據計算機系統的多參數綜合測量,需要在多參數同步測量基礎上進行綜合分析處理與表征。

多參數綜合測量的表述并非一成不變,伴隨著對被測對象要求的深入,其綜合表征方式,呈現逐步深化和完善的特點。

完整表述正弦波需要幅度、頻率、初始相位、直流分量四個參數,使用各種手段獲取上述四個參數以表征正弦波,稱為正弦波四參數綜合測量[10-11]。實際工作中,除上述四個參數外,還需要表征其失真特性,即失真度。若進一步細化,則需要表征其噪聲失真、諧波失真、次諧波失真、雜波失真、抖動失真、殘余調制失真、頻譜特性等,以便對所測量的正弦波進行系統性綜合表征。

多參數綜合測量中,由于它們的群體關聯性、因果性、互補性等因素,使得到底選取多少參量作為被測對象,以及如何以最小的工作量獲得最全面的被測對象信息,成為人們關注的目標。

在沒有特別明確結論的前提下,一種被稱為“全域”數據采集的概念被提出[12],它是指在不十分清楚各量影響機理、關聯性、因果性、時序性等群體規律特征的前提下,對可能影響被測對象的全部物理量值進行全息同步采集存儲,以便能夠通過后續深入分析處理,尋找出被測各個物理量之間的內在關聯和規律。

多通道數據采集的結果形式,是多個采集通道的數據序列集合。每一通道的數據序列均屬于數據域信息,以具有時序坐標的幅度信息呈現,可以看作是一個二維矢量;多個通道的矢量集合構成一種數據域的矢量空間,用以表征被測量的多變量群體。由于組成矢量空間的各個矢量并不相互獨立,因此由它們構成的矢量空間并不是正交空間。

多變量波形測量問題,是一種將多個時變物理量波形通過多通道數據采集轉化成包含完整群體信息的狀態空間問題。這是一個矢量空間。由此可見,對表征該空間準確性的各個不同通道的時序統一和一致的重要性,以及多通道同步數據采集的意義和價值。

實際上,高速、高精度、高動態范圍、多通道同步采集,是多變量群體測量的基本手段。本文后續內容,將主要針對多通道同步數據采集問題進行討論。

2 同步采集技術及問題

人們很早就意識到了多通道同步數據采集的重要性和價值,并采取了相應的技術措施[13-15]。使用同一采樣時鐘是基本技術手段,而采樣保持器芯片,其作用之一,就是可以從硬件上確保其同步采樣在多通道共用同一A/D轉換器情況下仍然能夠得以實現。所有這些措施,都是為保證各個測量通道在儀器輸入端面T1-T2面上的同時采樣狀態。多通道共用同一A/D的同步數據采集系統典型結構如圖1所示。

圖1 同步數據采集系統典型結構

圖1中,傳感器1～傳感器m是為適應不同的被測物理量由使用者所額外配置,作用是將各個被測物理量信號轉換為成比例變化的電信號。信號調理器為適應傳感器輸出信號和后續數據采集通道性能相匹配所由用戶額外配置的,主要用于信號的平移、濾波、放大等變換。它們均不屬于數據采集系統的標準配置,而是可選擇配件。由于用戶選擇和設置的自由性,不可避免地造成了時間延遲的差異性。

虛線框內所表述部分,為數據采集系統及板卡通常所攜帶的標準配置部分。通道1～通道m為數據采集系統的m個采集通道。

通常的多通道同步數據采集系統,其同步界面為圖1所示的T1-T2面。從技術邏輯上能夠保證采樣保持器輸入端界面的時刻統一和一致。

當T1-T2面同步后,由于信號調理器之間時間延遲的差異性,不同采集通道的通道放大器延遲[16]、引線長度延遲、不同傳感器的延遲等均有差異,不能保證在傳感器輸出端面D1-D2面也同步,更無法保證傳感器測量端面C1-C2面上的同步特性。而傳感器測量端面C1-C2面上的同步特性才是多變量數據采集同步的真正要求。

因此,數據采集系統儀器輸入端面T1-T2面上的時間“同步”并不能保證各個不同傳感器輸入端面C1-C2面上的采樣時刻統一和一致,而不同傳感器輸入端面C1-C2面上的采集時刻統一一致才是多通道同步數據采集的最初目的。這也是到目前為止,多數多通道同步數據采集過程中存在的主要問題。而該問題,在微波器件測量中很早就得到關注,并以測量端面調整和校準方式予以了先期補償和修正[17]。而在同步數據采集中,卻鮮有提及。

由此可見,真正實現多通道同步數據采集的關鍵,并不主要在于是否采取了多通道同時采樣保持技術策略,更為關鍵的是:要在此措施基礎上,對不同通道間的延遲時間差進行校準和標定[18],并在實際的采集序列的時刻確定中,予以補償和修正[19-20]。

在用戶的觀念中,多通道數據采集系統,不同通道采集數據序列,其相同序號的采集數據對應的采集時刻應該是相同的,而實際上,由于不同通道的物理路徑延遲的不同,導致它們并不相同。

通道間延遲時間差的校準和標定,即將不同測量通道相同序號的采樣點對應時刻的差異定量表征出來。通道間延遲的補償和修正就是通過技術手段使得不同通道相同序號的采樣點的采集時刻達到相同,進而實現同步數據采集的效果。

毫無疑問,在不同通道需要進行同時采樣的應用場合,例如上述第1節所述的各種不同的多變量動態測量場合,均需要進行通道間延遲的校準、補償和修正。

對于發動機而言,其燃油流量、轉速、推力、效率等參數均應存在確定的關系,各個參數采樣時刻之間的刻度差異將導致對于發動機性能評估的誤差,進而影響其性能的使用和特性的掌握。

對于機載大氣數據計算機而言,其飛行高度、指示空速、真空速、馬赫數、升降速度、空速變化率、大氣總溫、大氣靜溫,以及迎角、側滑角等飛行控制參數均應是同步測量的結果,若飛行姿態變化中的各種高度、速度參數與迎角、側滑角之間存在時間差,或者它們與發動機推力等參數之間存在時間差異,導致的后果無疑是災難性的,飛行控制將無法達到安全和最優,極易發生空難。

另外,在需要進行正交測量的場合,如各種信號的正交解調、正交變換等,也需要進行通道間延遲的補償和修正。另外,在需要兩個通道之間存在固定時間延遲、固定相位差等情況下,也需要進行通道間延遲的修正和補償。

經過通道延遲的補償修正后,所有共用A/D的多通道數據采集系統,以及共用采樣時鐘的多通道數據采集系統,均可以實現在傳感器輸入端面C1-C2面上的多通道同步采集。

3 通道間延遲時間差

數據采集系統通道間延遲時間差被從眾多指標中單獨拿出來,并被冠以矢量特性[21-22],主要是因為,多通道采集時序的統一和一致是不同通道數據序列構成矢量空間的基礎和前提,而通道間延遲時間差直接影響多維矢量空間的復現和表征。

到目前為止,通道間延遲時間差最好的評價方法依然是正弦波擬合法[18],是國家規范采用的標準方法[23-24];其它方法包括直接測量法和三角波直線擬合法。直接測量法由于受時間抽樣間隔誤差影響,只適合大延遲測量,不能實現小于一個采樣間隔的時間差的測量;三角波直線擬合法雖然可實現小延遲的測量,但易受局部噪聲及幅度量化誤差的影響,不易獲得高精度結果。

正弦波擬合法與相位差測量方法在本質上是一致的。其優越性表現為:①既可用大時間差測量,也可用于小時間差測量,不受采樣間隔的影響,沒有原理方法誤差;②時間差可為正值、負值和0值,具有良好的適應性;③可以設定不同通道上的任意兩點作為同步界面進行評估和修正,能對不同通道引線路徑不一致、信號調理、濾波、放大等環節造成的時間延遲差異統一進行評估,進行整體補償和修正,將不同通道的同步界面直接拓展到傳感器的輸出端面D1-D2面;在各個傳感器自身延遲特性已知的情況下,將同步測量界面直接拓展到各傳感器的輸入端面C1-C2面上,實現真正物理意義上的多通道同步采集與測量;④降低了對數據采集系統同步特性的要求,使得在儀器輸入端實現不同通道同時采集變得不再重要。

4 討論

綜上所述,本文主要針對多通道同步數據采集中的問題,提出一種基于多通道同步采集基礎的多變量群體綜合測量的矢量空間表征思想,其核心是將處于變化過程中的多變量綜合測量,視為針對一個被測對象的整體測量,被測對象類似一個完整的生命體,其不同變量僅僅是該生命體在不同方面的表現形式,其不同變量之間的測量時刻點均應統一和一致。在此前提下,各個不同變量之間的相互時序關系、因果關系、耦合關系、關聯關系等才能精確無誤地展現出來,也才能真正體現出多變量綜合的意圖。否則,多變量之間如何“綜合”?它與不“綜合”的差異如何體現?均無法說清楚。

在該思想的基礎上,提出一種將測量同步界面提前到傳感器的輸入端,以實現真正被測物理量值測量序列的時間尺度的統一和一致的技術方式,而不是僅僅在數據采集系統儀器端子面T1-T2面上的同步采集,使得同步采集測量的結果更加契合本源的意義和要求。

針對不同通道物理路徑上不同時間延遲的估算、補償和修正,提出了以最終實現各個通道測量時刻點統一一致為目標的整體解決思路。其中可見,真實的數據采集系統不同通道間的延遲時間差最為重要,它的精確測量與估算,是解決多通道同步采樣問題的基礎。當然,不同通道的采樣時基的統一和一致是其基礎和前提。

本文所述工作,僅僅是多變量綜合測量的基礎和前提,針對變量之間的耦合、因果、時序等更加深入的關系,并未涉及,需要在此基礎上進行深入分析和處理,方能予以逐漸解決。

5 結論

針對動態測量中多物理量值的綜合測量及表征問題,提出一種多變量群體效應分析與表征的矢量空間思想,并分析了其對多變量同步數據采集的客觀需求,以及目前仍然存在的同步問題。針對多通道數據采集同步問題,討論了以通道間延遲時間差進行路徑延遲差異的標定、補償、修正方法,為多通道同步數據采集的實現展現了一種切實可行的技術途徑,可在實際工作中拓展應用,以解決多通道同步采集的各類同步問題。