NASA航空器內進行基于LabVIEW的采集

The Challenge:

在NASA研究航空器內部零重力情況下采集與視頻同步的加速度與溫度數(shù)據。

The Solution:

利用加固的便攜式PC中的LabVIEW和DAQ板卡，讀入時間代碼并采集模擬電壓。

基于LabVIEW的測試系統(tǒng)新近被加載到NASA DC-9“嘔吐彗星”，它以拋物線彈道曲線飛行采集關于超流體液氦在零重力情況下產生的帶有時間標簽的數(shù)據與視頻。該實驗旨在收集驗證和改進氦在失重時如何響應微擾動的計算機模型所需的經驗數(shù)據。這些模型的最直接應用就包括航空器的設計。某些航空器需要使熱敏感部件保持極低溫度——超流體氦所獨有的特性使得它非常適合這一需要。該應用的一個良好范例便是使基于空間的紅外望遠鏡的鏡面保持較低的均勻的溫度。

問題在于，即使在絕對零點，超流體氦仍是流體，而流體受到干擾時會潑濺。超流體氦是最糟糕的問題之一，因為它幾乎沒有粘性或表面張力。因此，在操控這樣的航空器（特別是較小的航空器）時，存在不容忽視的引發(fā)不穩(wěn)定的風險，除非這樣的潑濺在緯度控制系統(tǒng)中能夠得以解決。僅僅生成一個潑濺物理學的計算機模型是不夠的，還需要通過實驗驗證模型的準確性并進一步改進。這就涉及到采集加速數(shù)據并對一瓶零重力下處于懸浮狀態(tài)的超流體液氦進行錄像——顯然，這絕非易事！

應JPL 低溫物理學組的要求，我為該實驗搭建了數(shù)據采集（DAQ）系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含兩個單元，一個管狀鋼質漂浮封裝和一個DAQ機架。該漂浮封裝的焦點所在是一個小尺寸的圓柱形液氦真空瓶，其一端開口另一端帶有透明柵格。該真空瓶浸沒在一個較大的鋼質液氮真空瓶中，使得傳遞降至氦的熱量最少，以確保在氦完全揮發(fā)前有足夠時間進行實驗。

外部的真空瓶裝有一對相對應的窗口，一窗口裝有燈，而另一窗口裝有視頻攝像頭。攝像頭記錄氦氣泡漂移時相對背景柵格的圖像。安裝在外部真空瓶上的三軸加速計測量當氦潑濺時所受到的微小G-力。一個真空泵和一對Lake Shore公司的低溫探頭，用來監(jiān)測當氦在實驗中通過揮發(fā)絕對溫度從4.2 開爾文降至1.4 開爾文時的超流體轉換。

第二個單元，即DAQ 機架，是一個緊固在航空器（一個改裝的DC-9貨運噴氣式飛機）艦板上的半高的19 英寸儀器機架。該機架包含一個加速計所需的惠普雙DC電源、一個索尼專業(yè)VHS錄像機、一個Horita時間編碼發(fā)生器模塊、一個視頻監(jiān)視器和安裝在機架頂部的控制計算機。該控制計算機是由Dolch制造的一臺基于100 MHz奔騰處理器的加固“飯盒”便攜式計算機，它在Windows 3.1上運行LabVIEW 3.1.1。一個NI AT-MIO-16F-5 多功能DAQ 板卡占據了計算機上六個全尺寸EISA/PCI插槽中的一個。一個Cirque觸摸板代替了鼠標或軌跡球（這兩個設備在零重力情況下都不能使用）。

這兩個單元通過一束線纜相連——為漂浮封裝供電并將數(shù)據與視頻信號回傳至DAQ 機架。航空器的電源通過兩根15 A 120 VAC電線接入到機架來滿足整個系統(tǒng)的供電需求。

DAQ 軟件設計

該項目的主要設計問題在于VCR 記錄的視頻幀與控制計算機采集的數(shù)據之間的同步。同步的必要在于研究人員可以在以后將作用于氦氣泡的G- 力與其可視行為相關聯(lián)。由于視頻是以每秒30 幀的速度記錄，所以DAQ 需要采用相同速率的采樣周期。

主循環(huán)的定時由Horita 時間編碼發(fā)生器提供。每33 毫秒，該設備就發(fā)送10字節(jié)的數(shù)據流至PC的串口，其中包括時間與幀序的編碼。該數(shù)據由串口讀VI 讀入，但不進行解碼。

緊接著，軟件從MIO板卡讀入一個由7 個模擬電壓構成的數(shù)組。所有的數(shù)據存儲在RAM 和緩沖中使開銷最小化。每個拋物線的典型采集時間為40 秒（1200 個采樣），包含一個20 秒長的失重期。操作人員通過敲擊鍵盤上的回車鍵負責啟動和停止數(shù)據采集。

盡可能地保持操作人員界面簡單，不僅最小化處理開銷，也消除了操作人員操作系統(tǒng)時的任何額外壓力。停止數(shù)據采集之后，軟件將時間編碼從封裝的BCD 格式轉換為時間字符串，利用數(shù)組至電子表格字符串VI翻譯采集到的數(shù)據，并將所得到的ASCII數(shù)據寫入磁盤文件。

為每條拋物線創(chuàng)建一個寫入磁盤的獨立數(shù)據文件，使數(shù)據安全最大化——這是另一個重要的設計問題。為了降低錯誤發(fā)生率，我們開發(fā)了一個自動化的文件和目錄發(fā)生器，以維護數(shù)據與時間標記的文件。每次飛行得到45 個寫入當天目錄的文件。我們每天在飛行返回至機場時將數(shù)據備份至軟盤。在飛行間隙，我們將數(shù)據讀入到電子表格程序，以進一步操控和評價試驗。

試驗結果

四天的飛行非常成功，得到了4 個錄像帶和180 個包含時間標記的加速與溫度數(shù)據的文件。我們在兩個月內開發(fā)了整個DAQ系統(tǒng)，恰好滿足了其緊湊的進度和預算要求。LabVIEW 軟件和數(shù)據采集產品，與加固PC無故障地協(xié)同工作；該DAQ系統(tǒng)被科學團隊認為是該項目的最佳部分。視頻和記錄數(shù)據的初步分析表明，此次試驗捕獲了多個有效的序列，并將吸納到開發(fā)中的物理學模型。

Ted Brunzie在加州理工學院的噴氣式推進實驗室完成了即交即用式的數(shù)據采集、分析和控制系統(tǒng)，為各種NASA與工業(yè)研究項目提供了支持。他現(xiàn)從屬于JPL 測量技術中心，將在接下來的九年期工作中參與深空網絡項目并負責開發(fā)自動化信號處理設備。

本文所介紹的研究工作在加州理工學院噴氣式推進實驗室，根據與美國國家航空宇航管理局的合同完成。