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據。

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。

　　"LabVIEW軟件和數據采集產(chǎn)品與加固PC無(wú)故障地協(xié)同工作;該系統被科學(xué)團隊認為是該項目的最佳部分。"

　　基于LabVIEW的測試系統新近被加載到NASA DC-9“嘔吐彗星”，它以?huà)佄锞€(xiàn)彈道曲線(xiàn)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)間標簽的數據與視頻。該實(shí)驗旨在收集驗證和改進(jìn)氦在失重時(shí)如何響應微擾動(dòng)的計算機模型所需的經(jīng)驗數據。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(gè)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(wèn)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(wèn)題之一，因為它幾乎沒(méi)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)不穩定的風(fēng)險，除非這樣的潑濺在緯度控制系統中能夠得以解決。僅僅生成一個(gè)潑濺物理學(xué)的計算機模型是不夠的，還需要通過(guò)實(shí)驗驗證模型的準確性并進(jìn)一步改進(jìn)。這就涉及到采集加速數據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JPL 低溫物理學(xué)組的要求，我為該實(shí)驗搭建了數據采集（DAQ）系統。該系統包含兩個(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(kāi)口另一端帶有透明柵格。該真空瓶浸沒(méi)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。

　　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(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測量當氦潑濺時(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(lái)監測當氦在實(shí)驗中通過(guò)揮發(fā)絕對溫度從4.2 開(kāi)爾文降至1.4 開(kāi)爾文時(shí)的超流體轉換。

　　第二個(gè)單元，即DAQ 機架，是一個(gè)緊固在航空器（一個(gè)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(gè)加速計所需的惠普雙DC電源、一個(gè)索尼專(zhuān)業(yè)VHS錄像機、一個(gè)Horita時(shí)間編碼發(fā)生器模塊、一個(gè)視頻監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(gè)NI AT-MIO-16F-5 多功能DAQ 板卡占據了計算機上六個(gè)全尺寸EISA/PCI插槽中的一個(gè)。一個(gè)Cirque觸摸板代替了鼠標或軌跡球（這兩個(gè)設備在零重力情況下都不能使用）。

　　這兩個(gè)單元通過(guò)一束線(xiàn)纜相連——為漂浮封裝供電并將數據與視頻信號回傳至DAQ 機架。航空器的電源通過(guò)兩根15 A 120 VAC電線(xiàn)接入到機架來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)系統的供電需求。

DAQ 軟件設計

　　該項目的主要設計問(wèn)題在于VCR 記錄的視頻幀與控制計算機采集的數據之間的同步。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(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，該設備就發(fā)送10字節的數據流至PC的串口，其中包括時(shí)間與幀序的編碼。該數據由串口讀VI 讀入，但不進(jìn)行解碼。

　　緊接著(zhù)，軟件從MIO板卡讀入一個(gè)由7 個(gè)模擬電壓構成的數組。所有的數據存儲在RAM 和緩沖中使開(kāi)銷(xiāo)最小化。每個(gè)拋物線(xiàn)的典型采集時(shí)間為40 秒（1200 個(gè)采樣），包含一個(gè)20 秒長(cháng)的失重期。操作人員通過(guò)敲擊鍵盤(pán)上的回車(chē)鍵負責啟動(dòng)和停止數據采集。

　　盡可能地保持操作人員界面簡(jiǎn)單，不僅最小化處理開(kāi)銷(xiāo)，也消除了操作人員操作系統時(shí)的任何額外壓力。停止數據采集之后，軟件將時(shí)間編碼從封裝的BCD 格式轉換為時(shí)間字符串，利用數組至電子表格字符串VI翻譯采集到的數據，并將所得到的ASCII數據寫(xiě)入磁盤(pán)文件。

　　為每條拋物線(xiàn)創(chuàng )建一個(gè)寫(xiě)入磁盤(pán)的獨立數據文件，使數據安全最大化——這是另一個(gè)重要的設計問(wèn)題。為了降低錯誤發(fā)生率，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)自動(dòng)化的文件和目錄發(fā)生器，以維護數據與時(shí)間標記的文件。每次飛行得到45 個(gè)寫(xiě)入當天目錄的文件。我們每天在飛行返回至機場(chǎng)時(shí)將數據備份至軟盤(pán)。在飛行間隙，我們將數據讀入到電子表格程序，以進(jìn)一步操控和評價(jià)試驗。

試驗結果

　　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)間標記的加速與溫度數據的文件。我們在兩個(gè)月內開(kāi)發(fā)了整個(gè)DAQ系統，恰好滿(mǎn)足了其緊湊的進(jìn)度和預算要求。LabVIEW 軟件和數據采集產(chǎn)品，與加固PC無(wú)故障地協(xié)同工作;該DAQ系統被科學(xué)團隊認為是該項目的最佳部分。視頻和記錄數據的初步分析表明，此次試驗捕獲了多個(gè)有效的序列，并將吸納到開(kāi)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)驗室完成了即交即用式的數據采集、分析和控制系統，為各種NASA與工業(yè)研究項目提供了支持。他現從屬于JPL 測量技術(shù)中心，將在接下來(lái)的九年期工作中參與深空網(wǎng)絡(luò )項目并負責開(kāi)發(fā)自動(dòng)化信號處理設備。

　　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)驗室，根據與美國國家航空宇航管理局的合同完成。