美国航空暨太空总署兰利研究中心，喷射噪音实验室在展示了其数据采集的功能和控制系统性能，喷射噪音实验室是一个模拟现实的混合系统对火箭轮机式鼓风机喷射发动机喷嘴废气进行模拟。系统能够采集数据并为噪音和喷嘴运转进行评估。
这篇论文阐述了改进的整合系统控制和测量喷管性能，并对喷嘴在双重的独立高压气流下工作噪音进行现实模拟。采集和控制系统能够同时测量瞬时力矩，静电和动态模型压力和温度以及喷射噪音。在设计思想上讨论了控制计算机和多通路数据采集系统的结合。
阐述了控制系统设计和实施，包括功能、设备和基于PC机系统使用得经验等。
2 绪 论
研究喷射噪音的问题已有数年， 自从各种喷射噪音产生在震动的机械装置包括液压管上,减少喷射噪音得课题便富有挑战性。
喷射噪音的特殊部分，在美国航空暨太空总署火箭研究中心 (LaRC)兰利喷射噪音实验室 (JNL) 中进行研究。噪音主要是喷射排气产生的。流体力学中，发生水柱噪音的现象是狂暴的混频,超音速的漩涡，电波幅射,通过陡震的狂暴漩涡，当宽频陡震噪音和共呜的陡震摆动共鸣时即出现噪音。
为了有效对喷射噪声进行抑制，需要对其进行系统的研究。首先要知道机械装置是怎么产生噪音的。 对喷射噪声进行模拟仿真是最经济有效的方法。一个重要的特征是，现实喷射排气系统在高温燃烧的环境下产生喷射噪音，低温环境下的喷射噪音的减少并不代表在高温环境下就能抑制噪音。所以需要有一个研究系统能模拟现实的温度，压力和空气状况。
3 数据采集系统
⑴什么是数据采集系统
数据采集系统，正如名字所暗示的，是一种用来采集信息成文件或分析一些现象的产品或过程。在最简单的形式中，技术人员将烤箱的温度记录在一张纸上就是数据采集。随着技术的发展，通过电子设备，这个过程已经得到简化和变得比较精确、多用途和可靠。设备从简单的存储器发展到复杂的电脑系统。数据采集产品像聚焦点一样为系统服务，和一系列产品一起，诸如传感器显示温度、水流、程度或者过程。
数据采集技术在过去30到40年以来已经取得了很大的飞跃。举例来说,在 40 年以前,在一个著名的学院实验室中,为追踪用青铜做的坩埚中的温度上升情况的装置是由热电偶、继电器、查询台、一捆纸和一支铅笔。
今天的大学学生很可能在PC机上自动处理和分析数据，有很多种可供你选择的方法去采集数据。至于选择哪一种方法取决于多种因素，包括任务的复杂度、你所需要的速度和精度、你想要的证据资料等等。无论是简单的还是复杂的，数据采集系统都能够运行并发挥它的作用。
铅笔和纸
用铅笔和纸的旧方式对于一些情形仍然是可行的，而且它便宜、易获得、快速和容易开始。而你所需要的就是捕捉到多路数字信息（DMM），然后开始用手记录数据。
不幸的是这种方法容易发生错误、采集数据变慢和需要太多的人工分析。此外，它只能单通道采集数据；但是当你使用多通道DMM时，系统将很快变得非常庞大和呆笨拙。精度取决于誊写器的水平，并且你可能需要自己动手依比例输入。举例来说, 如果DMM 没有配备处理温度的传感器,旧需要动手找比例。考虑到这些限制，只有当你需要实行一个快速实验时，它才是一个可接受的方法。
长条图表记录仪
现代多种版本的长条图表记录仪允许你从多个输入取得数据。他们提供数据的长备纸记录,因为数据是图解的格式,他们易于现场采集数据。一旦建立了长条图表记录仪，在没有操作员或计算机的情况下，大多数记录仪具有足够的内部智能运行。缺点是缺乏灵活性和相对的精度低，时常限制在百分点。你能很清楚地感觉到与笔只有小的改变。在多通道内较长时间的监控，记录仪能发挥很好的作用，除此之外，它们的价值得到限制。举例来说，他们不能够与另外的装置轮流作用。其他的顾虑就是笔和纸的维护,纸的供给和数据的存储,最重要的是纸的滥用和浪费。然而，记录仪相当容易建立和操作，为数据快速而简单的分析提供永久的记录。
数字扫描传多用表
一些 benchtop DMMs 提供可选择的扫描能力。仪器的背面有一个槽孔接收一张在较多输入时能多重发讯的扫描仪卡片，通常是8到10通道的mux。固有的在仪器的前面嵌板中的受到限制。它的柔韧性也受到限制，因为它不能超过可用通道数。外部的PC机通常处理数据采集和分析。
PC机插件卡片
PC机插件卡片是单板测量系统，它利用ISA或PCI总线在PC机内扩大插槽。它们时常具有高达每秒1000的阅读速率。8到16通道是普遍的，采集的数据直接存储在电脑里，然后进行分析。因为卡片本质上是计算机的一部分,建立测试是容易的。PC机卡也相对的便宜,一部分地，因为他们以来主机PC去提供能源、机械附件和使用界面。
数据采集的选择
在缺点上，PC机插件卡片时常只有12字的容量,因此你不能察觉输入信号的小变化。此外,PC机内的电子环境经常很容易发出噪声、产生高速率的时钟和总线噪声，电子接触面限制PC机插件卡片的精度。这些插件卡片也测量一定范围的电压。为了测量其他输入信号，如电压、温度和阻力，你也许需要一些外部信号监测的器件。其它关心包括复杂的校正和全部的系统成本,尤其如果你需要购买额外信号监测器件或用PC机适应插件卡片。把这些考虑进去，如果你的需要在卡片的能力和限制范围内变动，PC机插件卡片给数据采集提供吸引人的方法。
数据电子自动记录仪
数据电子自动记录仪是典型的单机仪器，一旦配备它们,就能测量、记录和显示数据而不需要操作员或计算机参与。它们能够处理多信号输入，有时可达120通道。 精度可与无与伦比的台式 DMMs 匹敌,由于它在22字、 0.004个百分率的精度范围内运转。一些数据电子自动记录仪有能力按比例测量,检查结果不受使用者定义的限制,而且输出为控制作信号。
使用数据电子自动记录仪的一个好处就是他们的内部监测信号。大部分能够直接地测量若干不同的输入信号，而不需要额外的信号监测器件。一个通道能够监测热电偶、温阻器（RTD）和电压。
热电偶为准确的温度测量提供具有参考价值的补偿，是很典型的配备了多路插件卡片。内设智能数据电子自动记录仪帮助你设定测量周期和具体指定每个通道的参数。一旦你全部设定好，数据电子自动记录仪就如同无与伦比的装置运行。它们存储的数据分布在内存中,能够容纳500000或更多的阅读量。
与PC机连接容易将数据传送到电脑进行进一步的分析。大多数数据电子自动记录仪可设计为柔性和简单的组态和操作, 而且经由电池包裹或其它方法，多数提供远程位置的操作选项。靠 A/ D 转换技术,一定的数据电子自动记录仪阅读的速率比较低，尤其是跟PC机插件卡片比较。然而，每秒250的阅读速率比较少见。要牢记正在测量的许多现象本质上是物理的，如温度、压力和流量，而且一般有较少的变动。此外，因为数据电子自动记录仪的监测精度,多量且平均阅读没有必要，就像它们经常在PC记插件卡片一样。
前端数据采集
前端数据采集经常做成模块而且是典型地与PC机或控制器连接。他们被用于自动化的测试中，为其它测试装备采集数据、控制和循环检测信号。发送信号测试装备的零配件。前端运转的效率是非常高的,能与速度和精度与最好的单机仪器匹敌。前端数据采集在很多模型里都能运行，包括VXI版本,如Agilent E1419A 多功能测量和VXI控制模型，还有专有的卡片升降室。虽然前端器成本已经降低,但是这些系统可能会非常贵,除非你需要提供高的运转,而查找它们的价格是禁止的。另一方面,它们的确能够提供相当多的可挠性和测量能力。
数据电子自动记录仪的应用
好的、成本低的数据电子自动记录仪有合适的通道数（20-60通道）和扫描速率相对低但对于多数工程师的普遍应用已足够。一些关键的应用包括:
•产品特征
•电子产品的热靠模切削
•环境的测试; 环境的监测
•组成物特征
•电池测试
•建筑物和计算机容量监测
•过程监测，评估和故障修理
没有哪一种数据采集系统能够适应所有情况。回答下列各问题，可能帮助你决定选哪一种数据采集系统最适合你的实际情况：
1 系统跟我的应用匹配吗?
测量方法、精度和噪声处理是什么?它扫描多快?什么传感器和支持什么测量功能?为了将来的需要，它是可升级的还是可扩张的?它是便携式的吗?它操作起来，是一个无与伦比的仪器吗?
2 它的成本是多少?
软件被包括在内,还是额外之物?它需要以信号数据片为条件吗?可靠的周期是多少?它有多容易的校正?
3 它有多容易使用?
规格能被了解吗?使用者界面如何?为新的应用，再配置有多困难?数据能容易地被转移到新的应用吗?支持哪一种应用包?
⑵动态的数据采集系统
动态的数据采集系统 (DDAS)的读写频率可达到 100个千赫。JNL （DDAS）以Sun 公司 SPARC10 VME有 30个动态通道的总线计算机为基础。VME 阵列处理卡和数据采集系统连接起来进行数据分析（主要是快速的进行傅立叶变形)。JNL 有一个28 传声器线性排别为记录浮凸槽喷射声。4136 1/4" 型Bruel&Kj半径 (B&K)设备和响应传声器和2811型混音器在工作中应用。传声器带宽扩充到大约100个千赫。利用喷嘴模型,动压力传感器安装到喷嘴表面进行内部表面压力测量。普通的感应器是Kulite的XCE-093半导体产品样板,3/32" 直径和一个习惯设计水冷套箱用来保护感应器。B& K 2811 的直接输出 buered, tered,和ampli由精密过滤器公司生产。这些通用接口总线的通带提供高频和低频对丘状焊痕达到 102.3个千赫的转折频率进行选择。高频主要是40－10分贝的预先过滤。低频增益从0.1个分贝的阶段 9.9 到 30.0个分贝然后每个传声器的信号备分配到三个路径进入其中两个信号和A/D转换器还有电压比较器进行数据类比数据在记录在TDR存贮器中，用通用接口总线在GPIB IEEE-488 协议下，用16位的并行总线和主机进行通信。并行总线的传送效率要达到170K/S，和GPIB的通信要达到30KB/s,另外的一个数据集以一个较低的试样率被采集。通常由集成电路系统和 16位ICS-110VME 卡把频率限制在62.5个千赫以下。通过32通道的VME卡在25千赫的有限转折频率下，传声器信号存贮在ICS-110卡上。
如图3.1: 喷射噪音数据采集系统控制ICS-A/D转换器在VSB总线上对SUN磁盘写数据框图
（A）动态数据采集系统 （B）RMS-DC SPL计量器/显示装置
如图 3.1A所示是其动态数据系统的一个框图。DDAS另外重要的部分是一个普通的32个通道的均方根(均方根) 伏特计，并携带一个液晶显示 (LCD) 显示装置。 均方根伏特计使用植入的 Z80，它基于一个 12 位A/ D 转换器用来测量直流电路输出的多重命令Z80 计算机显示全部的传声器所排列的音量压力层次(SPL)，在7"x4" LCD 显示屏上，
如图3.1B所示。DDAS在RMS上读取电压信号，在TDR数字化之前，选择传感器的增益信号DDAS不仅是系统主计算机,也是核心处理器。静电噪声数据采集系统 (SDAS)设计成为记录缓慢多样信号的装置，并且计算在一定时间跨度上的信号平均值。JNL SDAS是Modcomp结构计算机。Modcomp是一个6 U的VME汇流系统，使用双重的摩托罗拉88 K处理器REAL/IX real-time UNIX操作系统。
到美国航空暨太空总署的下属的 Wyle 实验室对数据采集系统用在Modcomp上的发展起到了很大的推动作用。它扮演了图解式，用户界面 (图形用户接口) ，即时图形显示装置, 数据校正的持久性和采样频率等重要角色。各点的瞬间独立采样和平均值储存在磁盘上。模拟输入系统NE公司 620到 600 系列一100 千赫试样率16位 A/ D 转换器且能扫瞄达到512个通道。 JNL－NE里面有64个通道，7"架座单位。NE-620系列也提供ampli阳离子和lters最低值。力学平衡电池通过NE-620 系列 300个信号进行状况调节。负载电池有内建的温度补偿的完整结桥。 热电偶被连接到NE系列600 ,通过 Kaye温度一样的叁考板.(UTR)等温器的终端有一个 100 欧姆白金阻力的测温器 (RTD) 测量冷接点温度对复对铜接线的热偶线变化。 Modcomp 软件被设计成为校正冷接点温度和运行热电偶电压的多区标志，SDAS另外主要的部分是静压力的测量。
设定火箭启动时喷嘴(称加料装置)总压力是关键步骤。 喷嘴模型沿着铸壁有压力水栓以便内部的速度可被测量。其他的压力测量使用探针在实际的喷射排气水柱中放置。JNL使用的电子扫瞄压力系统 (ESP)和压力系统（PSI）,这一产品由 16,32,48, 或 64度独立应变计的感应器模块所组成。压力敏感器.(一个模块的总尺寸是2.5"x1.5" x1.5 ") 有50个千赫采样速度的16位 A/D 转换器进行测量之前传感器发送多重命令到各个模块中。每个模块设定一个接口，以便应用到传感器的编程中。另外这一系统还含有标准工作压力数据库。
4 系统的集成
整个JNL DDAS包含各种不同的仪器和处理器。主计算机本来是一个迪吉多电脑公司Mcro-VAX 计算机，现在已经变成Sun UNIX操作系统。主机通过通用界面总线GPIB (通用接口总线)或RS-232 连载通信。 大部份原始数据采集软件被编码在FORTRON.迪吉多电脑公司从DEC到UNIX操作系统转换主要通过RS-232通用接口总线和经过C语言编程的GPIB适配器。大部分工程师只对JNL有FORTRON编程经验，而本系统C语言功能建立起了对C语言连载和通用接口总线功能的通道，几乎每个对JNL 编程都使用C语言和FORTROND的结合。
系统的最新仪器是 VME 总线卡，操作系统和驱动器通过C语言和系统建立通信。改良了数据采集功能的操作系统的特征，将其设置为可共享存储器。共享存储器允许复式的独立程序快速地彼此通信。在 UNIX操作系统计算机上，C语言功能建立了共享存储器区域。 区域的位址通过FORTRON的子程序和它的命令来定义变量和内存的关系。这个共享功能可应用到迪吉多电脑公司的VMS 操作系统之下。
连接计算机另外一个重要机械装置是网络。 Wyle 中心发展的 SDAS 包含了一个以柏克莱标准为基础的服务器程序分布 (BSD) 套筒。 服务器能即时送出实时采集的平均数据,激活采取的一个数据点, 即时接收数值，并且提供 SDAS 状态信息。
两个被改进的程序使 DDAS 结合了这所有的功能。就象带DSPM测试服务的功能一样，一个称为 后台作业 的即时程序提供了为监视设施和模型的虚拟化信息。后台作业共享存储器区域,设定与各种不同的仪器通信初值, 通过RS-232串行接口和控制系统连接到 SDAS。然后进入一个读程序的的无限循环仪器SDAS， 和控制系统评估, 计算得数值如平均的压力和温度,最后送数值给 SDAS 和控制系统。在设置之后，采集传感器信号的DDAS系统另一个主程序叫做 lsawt这个程序是SDAS 的数据采集程序，来调控( 运转和模型气体力学的数据), 控制系统和 DDAS(电动微音器压力数据). 一系列菜单给使用提供了最大的方便来变更缺省值，如传感器的数目记录,试样率, 数据大小, 和滤波频率。一旦操作员调整 DSPM使其达到必需的试验条件模式，数据采集系统和RMS-DC通信便精确调整过滤器让它达到RMS值。 数据采集操作将DSPM置于正确的条件下工作而且数据可靠，主程序lsawt 程序将激活 SDAS,( 被设定10 到 30 秒的平均值)8 秒62.5个千赫的ICS-110 A 卡进行采样, Paci TDRs以2 秒250个千赫采样。
5 未来展望
需求带动着需求工具的发展。JNL数据采集的方面和控制系统已经应用与其他领域。同时用一个高速输入输出设备代替Optomux 输入／输出正在研究当做闭环控制改良系统的方法。安装一个在TNT 软件下控制的PC I/O卡是一个不错得选择，加上一个可编程控制器或者其它品牌的控制系统/软件包也正在被提上日程。 Optomux 模拟输入是一个 12 位的A/ D转换器和所需要的固定参数。当前12位的数据译码和TDR’S的下载速度限制了DDAS 系统。由于12BIT的译码范围，应设置使其达成最高的信噪比 (SNR) 和动力范围。 未来的平台包括16位的A/D转换器，为采集信号提供一个动态的系统。脉冲准确话就可以很好的记录浮凸槽噪音数据。
另外所有的通道含有时钟，对1V的脉冲进行计数,在读取数值之前重新检测RMS值。喷射噪音的波峰因数靠近3(无正弦的) 因此使用RMS不是一个可靠的方法。脉冲整定处理需要2 到 5 分钟。
限制TDR 系统另外因素是下载速度过慢。它要用4.5 分钟读出数据并在在DDAS硬盘上记录。在DDAS上读取记录大约需要两分钟。目前一个新型的经过了测试的产品面世了，它是基于AME总线上的16位A/D卡和250千赫的样率的A/D转换器，它有一个高速的辅助数据接口，像当前所用的SKYBolt处理机一样。对于 32个通道,数据总量的传送速率会达到八百万个试样/妙，或大约15.26兆/妙。
6后记
本文作者感谢火箭喷射噪音组（Aeroacoustic）对他论文的提供的支持和建议。
另外很多人参与了本系统的构建。特别感谢美国航空暨太空总署工程师Seiner 麦可Ponton ，玛莎布朗.享利 Haskin,和罗勃特Grandle,美国航空暨太空总署操作支持人员Cliord Williford ，Gregory Hogge,贝芙丽钟斯 Anderson ，理查白.约翰 Swartzbaugh 和 Fernandus Rattli, 包括系统的承包商和普通工作人员查尔斯，锻造工卡尔戴维斯。
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