大气数据处理实验管理系统

1、指导教师：卢艳军指导教师：卢艳军答辩学生：刘答辩学生：刘 颖颖目目 录录课题研究背景及意义课题研究背景及意义1系统设计系统设计2系统实现系统实现34课题研究结论课题研究结论一一. 课题研究背景及意义课题研究背景及意义1. .课题研究背景课题研究背景 大气数据系统是现代飞机上重要的机载电子设备。它大气数据系统是现代飞机上重要的机载电子设备。它通过实时测量飞行器所处位置的大气静压、总压、总温通过实时测量飞行器所处位置的大气静压、总压、总温迎角等参数，经过大气数据计算机解算出飞行高度、马迎角等参数，经过大气数据计算机解算出飞行高度、马赫数、真实空速、指示空速、升降速度等飞行参数，并赫数、真实空速、指

2、示空速、升降速度等飞行参数，并将其送给座舱显示系统、飞行控制系统、导航系统等。将其送给座舱显示系统、飞行控制系统、导航系统等。 其性能的高低不仅直接关系到对大气数据的准确测量其性能的高低不仅直接关系到对大气数据的准确测量和显示，而且还决定了飞行任务能否顺利完成以及飞机和显示，而且还决定了飞行任务能否顺利完成以及飞机飞行的安全性。飞行的安全性。 一一. 课题研究背景及意义课题研究背景及意义1. .课题研究背景课题研究背景 随着航空技术水平的提高，大气数据计算机也随之发随着航空技术水平的提高，大气数据计算机也随之发展。在发展的过程中共经历了高度控制型、气压计算型、展。在发展的过程中共经历了高度控制

3、型、气压计算型、简单机电型、中等复杂机电型、高级复杂机电型、数字简单机电型、中等复杂机电型、高级复杂机电型、数字/ /模拟混合型，以及当前广泛应用于现代飞行器的数字式大模拟混合型，以及当前广泛应用于现代飞行器的数字式大气数据计算机。气数据计算机。 对于大气数据处理实验系统，目前国内只有北京航空对于大气数据处理实验系统，目前国内只有北京航空航天大学进行研究，并正在完善当中。航天大学进行研究，并正在完善当中。一一. 课题研究背景及意义课题研究背景及意义2. .课题研究意义课题研究意义 大气数据计算机是一个完全封装的机载电子设备大气数据计算机是一个完全封装的机载电子设备, ,而而且是应用在航空领域的

4、重要系统。且是应用在航空领域的重要系统。 因此因此, ,在进行某些航空电子综合实验的过程中就无法在进行某些航空电子综合实验的过程中就无法采用真实的大气机来实际操作采用真实的大气机来实际操作, ,对学习、研究和开发人员对学习、研究和开发人员来说，就不能方便直接地了解和监控数据处理的全过程。来说，就不能方便直接地了解和监控数据处理的全过程。 所以，研究设计一套基于所以，研究设计一套基于PCPC机的大气数据处理系统机的大气数据处理系统, ,对相关学习开发人员来说就非常必要对相关学习开发人员来说就非常必要, ,可以方便的对大气可以方便的对大气机进行研究和开发。机进行研究和开发。一一. 课题研究背景及意

5、义课题研究背景及意义2. .课题研究意义课题研究意义 由于实践教学在整体教学中起着不可替代的作用由于实践教学在整体教学中起着不可替代的作用, ,因因此创建一个具有航空航天特色的专业实验系统此创建一个具有航空航天特色的专业实验系统, ,可以使可以使学生了解飞机上机载设备的工作原理、测试系统的组成学生了解飞机上机载设备的工作原理、测试系统的组成和功能，以及参数的解算方法等。和功能，以及参数的解算方法等。 学生可以把书本上学习到的抽象知识在实验系统中学生可以把书本上学习到的抽象知识在实验系统中具体化具体化, ,有助于学生更好的理解和掌握相关领域的专业有助于学生更好的理解和掌握相关领域的专业知识知识,

6、 ,并增强实践能力。因此并增强实践能力。因此, ,该项目的研究具有一定的该项目的研究具有一定的实用价值和实际意义。实用价值和实际意义。二二. 系统设计系统设计 本系统是一个对大气数据进行采集、显示、处理本系统是一个对大气数据进行采集、显示、处理和分析管理并能进行相关实验的实时数据处理实验和分析管理并能进行相关实验的实时数据处理实验系统。下图是系统基本处理流程的框图：系统。下图是系统基本处理流程的框图：下位机下位机采集模块采集模块采集数据采集数据解算模块解算模块解算数据解算数据教师机教师机学生机学生机数据库数据库1234二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块 采集系统主要完成系统数据的

7、采集和数据的处理。采集系统主要完成系统数据的采集和数据的处理。 数据采集是使用网络通信数据采集是使用网络通信, ,使用使用UDPUDP协议接收下位机协议接收下位机上传的数据。上传的数据。 数据处理是对采集的原始数据中出现的干扰进行处数据处理是对采集的原始数据中出现的干扰进行处理。理。二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块UDPUDP通信通信 UDPUDP通信协议的定义通信协议的定义 发送数据格式：不定长发送数据格式：不定长 发送形式：发送形式：$D,$D,静压静压, ,动压动压, ,总温总温, ,攻角攻角,#,# 例子：例子：$D,1267,5645,24.5,1.56,#$D,12

8、67,5645,24.5,1.56,# 意义：静压：意义：静压：1267Pa1267Pa，总压：，总压：5645Pa5645Pa，总温：，总温：24.524.5摄摄氏度，攻角：氏度，攻角：1.561.56度度 下位机发送数据包下位机发送数据包, ,上位机通过上位机通过UDPUDP协议接收到数据包协议接收到数据包 后对其进行解析后对其进行解析, ,形成有实际意义的数据。形成有实际意义的数据。二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块UDPUDP通信通信 UDPUDP接收数据包程序：接收数据包程序：打开打开UDP读取读取UDP关闭关闭UDP二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块UD

9、PUDP通信通信 解析解析UDPUDP数据包程序：数据包程序：判断是否符判断是否符合通讯协议合通讯协议如果符合，解如果符合，解析成有效数据析成有效数据二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块数据处理数据处理 下图是没有处理的原始信号下图是没有处理的原始信号, ,从图中可以看出从图中可以看出, ,信号信号受到了脉冲的干扰受到了脉冲的干扰, ,这使得最终的测量结果出现较大这使得最终的测量结果出现较大的偏差的偏差, ,并直接导致解算数据的不正确。并直接导致解算数据的不正确。 本系统采用中值滤波对采集数据进行处理。本系统采用中值滤波对采集数据进行处理。 02004006008001000120

10、0050100150二二. 系统设计系统设计1.采集模块采集模块数据处理数据处理 经过中值滤波后系统数据如下：经过中值滤波后系统数据如下：0200400600800100012008090100110120二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块LabVIEWLabVIEW与与MatlabMatlab混合编程混合编程 数据处理是应用数据处理是应用MatlabMatlab进行的进行的, ,因此需要因此需要LabVIEWLabVIEW中来调用中来调用MatlabMatlab程序。程序。 首先在首先在MatlabMatlab中建立新工程并添加所需的中建立新工程并添加所需的M M文件，文件，然

11、后在然后在MatlabMatlab COM Builder COM Builder中将其编译成中将其编译成COMCOM组件，组件，然后在然后在LabVIEWLabVIEW中应用打开自动化和调用节点来完成中应用打开自动化和调用节点来完成对对MatlabMatlab程序的调用。程序的调用。二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块LabVIEWLabVIEW与与MatlabMatlab混合编程混合编程二二. 系统设计系统设计1. .采集模块采集模块LabVIEWLabVIEW与与MatlabMatlab混合编程混合编程调用节点调用节点打开自动化打开自动化二二. 系统设计系统设计2. .解算模

12、块解算模块 解算系统主要完成大气参数的解算解算系统主要完成大气参数的解算 本系统主要完成飞行高度、升降速度、马赫数及本系统主要完成飞行高度、升降速度、马赫数及马赫数变化率以及真实空速和指示空速的解算。马赫数变化率以及真实空速和指示空速的解算。二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块参数解算参数解算飞行高度飞行高度 飞机在空中距离某一个基准面的垂直距离定义为飞行飞机在空中距离某一个基准面的垂直距离定义为飞行高度。无特殊强调高度。无特殊强调, , 通常指气压高度。通常指气压高度。 标准压高公式适用于标准压高公式适用于80Km80Km以下的各个高度层。以下的各个高度层。 PbPb为相应下限高

13、度下的气压上限值为相应下限高度下的气压上限值,为温度垂直变化为温度垂直变化率率,R,R为通用气体常数为通用气体常数,gn,gn为自由落体加速度。为自由落体加速度。 由于标准大气压的温度不连续的由于标准大气压的温度不连续的, ,所以可得以下公式：所以可得以下公式：bgRbbHpPn1THSP二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块参数解算参数解算飞行高度飞行高度 1)Hp110001)Hp11000米时米时, ,把把带入公式可得：带入公式可得： 2)11000Hp200002)11000Hp20000米时米时, ,由上式求由上式求Hp=11000Hp=11000米米PbPb=22.632

14、KPa,=22.632KPa,此时此时Tb=216.5K,=0,Tb=216.5K,=0,所以：所以： 3)20000Hp320003)20000Hp1Ma1时时: : 其中，其中，PtPt为总压；为总压；PsPs为静压。为静压。532201.stMa.pp52271722166.stMaaM.9pp二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块参数解算参数解算真实空速真实空速 真实空速是指飞机相对迎面气流的速度真实空速是指飞机相对迎面气流的速度。 当当Ma1Ma1时时: : 当当MaMa1 1时：时： 其中其中,k=1.4,k=1.4为空气绝热系数为空气绝热系数; R=287.05287m

15、2/S2.K; R=287.05287m2/S2.K为为空气专用气体常数空气专用气体常数,TS,TS为大气静温为大气静温, ,即飞行中飞机周围未受即飞行中飞机周围未受扰动的大气温度扰动的大气温度. .1124121112222kSSsstRTkVVkkkRTVkPPP1121kkstsPPkkRTV二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块参数解算参数解算指示空速指示空速 指示空速是不考虑飞机所在处大气参数指示空速是不考虑飞机所在处大气参数(P(PS ,Ts),Ts)随高随高度而改变的空速度而改变的空速, ,它只与动压它只与动压qcqc有关。有关。 当把当把T T0=288K=288K，

16、P P0=101.325=101.32510103 3代入真空速公式中即代入真空速公式中即得指示空速得指示空速 当当Ma1Ma1时：时： 当当MaMa1 1时：时：-)Pq)(-kk(2RTVk-k0c0i11111124121k110222020kiiicRTkVVkkkRTVPq二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块解算算法解算算法 由以上公式可知由以上公式可知, ,飞行高度和升降速度可以采取解析的飞行高度和升降速度可以采取解析的办法来解算；而马赫数、真实空速和指示空速的计算公办法来解算；而马赫数、真实空速和指示空速的计算公式不是线性方程，但并不是特别复杂式不是线性方程，但并不是

17、特别复杂, ,因此考虑采用比较因此考虑采用比较简单的二分法进行求解。简单的二分法进行求解。 下图是应用二分法求得的马赫数正确性验证：下图是应用二分法求得的马赫数正确性验证： 二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块参数解算参数解算 解算算法验证解算算法验证二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块参数解算参数解算 参数解算采用参数解算采用C C语言编程实现，因此需要在语言编程实现，因此需要在LabVIEWLabVIEW中调用中调用C C程序。程序。 （1 1）首先创建一个空的）首先创建一个空的CINCIN节点节点 （2 2）创建）创建C C语言源程序语言源程序 （3 3）将）将C

18、 C语言源文件编译成为语言源文件编译成为LabVIEWLabVIEW的的CINCIN节点可节点可以调用的以调用的* *.lsb.lsb文件文件 （4 4）在）在LabVIEWLabVIEW加载加载* *.lsb.lsb文件并完成调用文件并完成调用二二. 系统设计系统设计2. .解算模块解算模块参数解算参数解算创建创建CLN节点节点二二. 系统设计系统设计3. .数据库设计数据库设计 本系统采用本系统采用SQL Server 2000SQL Server 2000作为系统数据库。应作为系统数据库。应用用LabSQLLabSQL通过通过ODBCODBC数据源访问数据库。数据源访问数据库。 数据库组

19、成如下图：数据库组成如下图：二二. 系统设计系统设计3. .数据库设计数据库设计 数据结构设计情况如下：数据结构设计情况如下：二二. 系统设计系统设计3. .数据库设计数据库设计 要实现对要实现对SQL ServerSQL Server数据库的访问数据库的访问, ,首先需要创建一首先需要创建一个个ODBCODBC数据源数据源, ,选择相应的驱动程序选择相应的驱动程序, ,并设定用户名和并设定用户名和密码。密码。 然后再应用然后再应用LabSQLLabSQL ADO functions ADO functions通过数据源对数通过数据源对数据库进行访问据库进行访问（1 1）准备与）准备与SQLS

20、QL数据库进行连接。数据库进行连接。（2 2）建立与）建立与SQL ServerSQL Server的链接。的链接。（3 3）执行数据操作）执行数据操作（4 4）关闭）关闭labSQLlabSQL与与SQLSQL数据库的连接。数据库的连接。二二. 系统设计系统设计3. .数据库设计数据库设计二二. 系统设计系统设计3. .数据库设计数据库设计创建连接创建连接打开链接打开链接执行操作执行操作关闭连接关闭连接二二. 系统设计系统设计4.TCP/IP.TCP/IP通讯通讯 服务器与学生机之间通过服务器与学生机之间通过TCP/IPTCP/IP协议进行通讯。协议进行通讯。 服务器端不断的侦听，当有客户端

21、连接的时候建服务器端不断的侦听，当有客户端连接的时候建立连接，然后接收和发送数据形成通讯。立连接，然后接收和发送数据形成通讯。二二. 系统设计系统设计4.TCP/IP.TCP/IP通讯通讯打开打开TCP连接连接读写数据读写数据关闭关闭TCP连接连接TCP侦听侦听三三. 系统实现系统实现 系统主要由监控模块、数据处理模块和通信模块系统主要由监控模块、数据处理模块和通信模块组成。组成。三三. 系统实现系统实现进入系统进入系统 三三. 系统实现系统实现系统简介系统简介系统简介系统简介试验项目试验项目三三. 系统实现系统实现实验项目实验项目三三. 系统实现系统实现数据管理数据管理数据管理数据管理三三. 系统实现系统实现用户管理用户管理用户管理用户管理三三. 系统实现系统实现用户管理用户管理三三. 系统实现系统实现监控模块监控模块指示灯指示灯IP地址地址查询按钮查询按钮连接数量连接数量连接端口连接端口四四. 课题研究总结课题研究总结1.1.研究了大气数据系统的参数解算原理和数据的处研究了大气数据系统的参数解算原理和数据的处理方法。采用二分法进行参数的解算，采用中值理方法。采用二分法进行参数的解算，采用中值滤波处理系统数据。为系统的