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

Industry:
Government/Defense

Products:
LabVIEW,

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

The Solution:
利用加固的便攜式PC中的LabVIEW和DAQ板卡，讀入時(shí)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(guān)于超流體液氦在零重力情況下產(chǎn)生的帶有時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)與視頻。該實(shí)驗(yàn)旨在收集驗(yàn)證和改進(jìn)氦在失重時(shí)如何響應(yīng)微擾動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型所需的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些模型的最直接應(yīng)用就包括航空器的設(shè)計(jì)。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(dú)有的特性使得它非常適合這一需要。該應(yīng)用的一個(gè)良好范例便是使基于空間的紅外望遠(yuǎn)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(diǎn)，超流體氦仍是流體，而流體受到干擾時(shí)會(huì)潑濺。超流體氦是最糟糕的問題之一，因?yàn)樗鼛缀鯖]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(shí)，存在不容忽視的引發(fā)不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，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(gè)潑濺物理學(xué)的計(jì)算機(jī)模型是不夠的，還需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性并進(jìn)一步改進(jìn)。這就涉及到采集加速數(shù)據(jù)并對一瓶零重力下處于懸浮狀態(tài)的超流體液氦進(jìn)行錄像――顯然，這絕非易事！

應(yīng)JPL 低溫物理學(xué)組的要求，我為該實(shí)驗(yàn)搭建了數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含兩個(gè)單元，一個(gè)管狀鋼質(zhì)漂浮封裝和一個(gè)DAQ機(jī)架。該漂浮封裝的焦點(diǎn)所在是一個(gè)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(gè)較大的鋼質(zhì)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(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

外部的真空瓶裝有一對相對應(yīng)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(shí)相對背景柵格的圖像。安裝在外部真空瓶上的三軸加速計(jì)測量當(dāng)氦潑濺時(shí)所受到的微小G-力。一個(gè)真空泵和一對Lake Shore公司的低溫探頭，用來監(jiān)測當(dāng)氦在實(shí)驗(yàn)中通過揮發(fā)絕對溫度從4.2 開爾文降至1.4 開爾文時(shí)的超流體轉(zhuǎn)換。

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

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

DAQ 軟件設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)問題在于VCR 記錄的視頻幀與控制計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)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(guān)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(shí)由Horita 時(shí)間編碼發(fā)生器提供。每33 毫秒，該設(shè)備就發(fā)送10字節(jié)的數(shù)據(jù)流至PC的串口，其中包括時(shí)間與幀序的編碼。該數(shù)據(jù)由串口讀VI 讀入，但不進(jìn)行解碼。

緊接著，軟件從MIO板卡讀入一個(gè)由7 個(gè)模擬電壓構(gòu)成的數(shù)組。所有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM 和緩沖中使開銷最小化。每個(gè)拋物線的典型采集時(shí)間為40 秒（1200 個(gè)采樣），包含一個(gè)20 秒長的失重期。操作人員通過敲擊鍵盤上的回車鍵負(fù)責(zé)啟動(dòng)和停止數(shù)據(jù)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(shí)的任何額外壓力。停止數(shù)據(jù)采集之后，軟件將時(shí)間編碼從封裝的BCD 格式轉(zhuǎn)換為時(shí)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(jù)，并將所得到的ASCII數(shù)據(jù)寫入磁盤文件。

為每條拋物線創(chuàng)建一個(gè)寫入磁盤的獨(dú)立數(shù)據(jù)文件，使數(shù)據(jù)安全最大化――這是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)問題。為了降低錯(cuò)誤發(fā)生率，我們開發(fā)了一個(gè)自動(dòng)化的文件和目錄發(fā)生器，以維護(hù)數(shù)據(jù)與時(shí)間標(biāo)記的文件。每次飛行得到45 個(gè)寫入當(dāng)天目錄的文件。我們每天在飛行返回至機(jī)場時(shí)將數(shù)據(jù)備份至軟盤。在飛行間隙，我們將數(shù)據(jù)讀入到電子表格程序，以進(jìn)一步操控和評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果
四天的飛行非常成功，得到了4 個(gè)錄像帶和180 個(gè)包含時(shí)間標(biāo)記的加速與溫度數(shù)據(jù)的文件。我們在兩個(gè)月內(nèi)開發(fā)了整個(gè)DAQ系統(tǒng)，恰好滿足了其緊湊的進(jìn)度和預(yù)算要求。LabVIEW 軟件和數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，與加固PC無故障地協(xié)同工作；該DAQ系統(tǒng)被科學(xué)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為是該項(xiàng)目的最佳部分。視頻和記錄數(shù)據(jù)的初步分析表明，此次試驗(yàn)捕獲了多個(gè)有效的序列，并將吸納到開發(fā)中的物理學(xué)模型。

Ted Brunzie在加州理工學(xué)院的噴氣式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室完成了即交即用式的數(shù)據(jù)采集、分析和控制系統(tǒng)，為各種NASA與工業(yè)研究項(xiàng)目提供了支持。他現(xiàn)從屬于JPL 測量技術(shù)中心，將在接下來的九年期工作中參與深空網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目并負(fù)責(zé)開發(fā)自動(dòng)化信號(hào)處理設(shè)備。

本文所介紹的研究工作在加州理工學(xué)院噴氣式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)與美國國家航空宇航管理局的合同完成。