CN112533164B - 一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，属于数据压缩算法和数据传输技术领域。该方法采用的硬件包括传感器、采集器、网络接口和上位机；采集器包括采集卡、缓存和压缩算法模块；上位机包括数据库和解压缩算法模块；采集卡首先将传感器中原始的电压值数据传到采集器的缓存中，通过压缩算法模块将电压值数据压缩成数据包；然后数据包通过网络接口传输到上位机的解压缩算法模块中；最后上位机中的解压缩算法模块解出源数据后存入数据库。本发明能够使数据传输带宽提高一倍以上，从而降低数据传输过程出故障的几率，保证可靠性试验的成功进行。

Description

一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法

技术领域

本发明涉及一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，属于数据压缩算法和数据传输技术领域。

背景技术

可靠性试验是可靠性工作的一个重要环节，在可靠性试验中有很重要的一部分就是振动测试。目前在振动测试实践中采集振动数据使用的数据为64位双精度浮点型数据，单个数据占内存8Bytes。通常一台采集器的传感器个数是64个，采样频率是5120HZ，那么单个传感器在1秒内产生的数据就达到40.96KB，所以单个采集器1秒的数据量要达到2.62MB，也就是说要求网络传输速度必须稳定地达到2.62M/s，即20.971Mbit/s。若单论速度，那么百兆网卡便可以轻松应对，然而在振动测试的实践中，都需要7*24小时长时间不间断工作，网卡负担越重越容易出现不稳定的情况，继而越容易导致数据积压或者传输中断导致测试失败；那么提高数据传输带宽就显得尤为重要。

目前用来提高带宽的方法主要有以下两种：一是提高硬件设施，例如用千兆网卡、千兆路由器等千兆级设备替换普通的百兆级设备；二是采用通用压缩算法压缩数据，使得保持传输数据速度不变的情况下能够传输更多数据。但是第一类方法成本高，因为替换设备需经历设备采购、旧设备拆卸、新设备安装和调试等步骤，大大地增加了时间、财力、人力成本；而第二类方法在压缩数据的过程中采用通用数据压缩方法，并没有抓住振动数据的特征，只是简单的数据复用，这样会导致遇到大量数据互不相等的情况下，很难进行有效压缩，因此通用算法压缩振动数据时压缩比不稳定。

可靠性试验的成本高、耗时长，在传输过程中的任何故障都会导致整个试验过程的失败；现有技术在传输振动数据时需要的带宽较高，在长时间不间断工作时产生故障的几率会比较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，能够使数据传输带宽提高一倍以上，从而降低数据传输过程出故障的几率，保证可靠性试验的成功进行。

一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，该方法采用的硬件包括传感器、采集器、网络接口和上位机；

所述采集器包括采集卡、缓存和压缩算法模块；

所述上位机包括数据库和解压缩算法模块；

该方法实现的步骤如下：

步骤一：所述采集卡将传感器中原始的电压值数据传到采集卡的缓存中，通过压缩算法模块将电压值数据压缩成数据包；

步骤二：所述数据包通过网络接口传输到上位机的解压缩算法模块中；

步骤三：所述上位机的解压缩算法模块解出源数据后存入数据库。

进一步地，所述压缩算法模块将一组原始数据进行打包，对于每一个原始数据都使用它的模量与本组数据中的最大模量的比值进行记录，占用的bit位数等同于采集器分辨率；原始数据始终具有符号交变特性，将原始数据始的符号位直接去掉，在解压缩算法时根据交变关系还原符号。

进一步地，所述解压缩算法模块将所述压缩算法打包好的数据进行解析还原，首先解析该组数据中的最大值、灵敏度、首值符号和数据量，然后根据数据量和灵敏度取出所有记录的比值数值，再使用这些比值数值和最大值还原原始数据的模量，最后将所有数据的符号根据首值符号和符号交变性质依次求出所有数据的符号。

进一步地，所述解压缩算法模块中求所有数据符号的过程包括：

第a)步，求出该点处的左导数Dleft₁＝|D1|-|D0|，右导数Dright₁＝|D2|-|D1|，数据包为DM；解析后的第一个数为D0，第二个数为D1，……Dn；

第b)步，当Dleft₁<＝0且Dright₁>＝0时，D1到D2处符号发生变化，对sign进行变号运算sign＝-sign；其他情况时，sign不变；

第c)步，求出D1＝sign*|D1|。

进一步地，所述传感器是振动试验中测量振动加速度的传感器，传感器根据自身的振动回传电压值给采集卡，采集卡被安装在采集器上。

有益效果：

1、本发明根据采集器灵敏度实现了数据无损压缩，压缩算法的压缩率与采集卡灵敏度有关，对于确定的灵敏度则会有确定的压缩率，与数据本身无关，因此压缩率稳定。

2、本发明针对振动数据连续交变的特点进行特定数据解压缩，压缩算法专门针对振动数据进行的计算，与通用算法的核心思想有着本质的不同，因此在本算法压缩完毕后可以再进行通用压缩算法的压缩，从而得到更高的压缩率。

附图说明

图1是设备振动数据图；

图2是本发明的硬件组成原理图；

图3是压缩算法的数据结构图；

图4是振动函数图像的符号交变位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，该方法针对的对象是如图1所示的振动数据，图1是一段加速度在x方向的分量关于时间的函数图像；图像清晰的揭示了在振动测试中振动加速度在任意方向的分量与时间的关系具有正负交变的特性。

如附图2所示，本发明的方法采用的硬件包括传感器、采集器、网络接口和上位机；采集器包括采集卡、缓存和压缩算法模块，上位机包括数据库和解压缩算法模块；

传感器是振动试验中测量振动加速度的传感器，它可以根据自身的振动回传电压值给采集卡，采集卡被安装在采集器上；采集器将采集卡的中的数据用压缩算法模块进行打包然后通过网口发送到上位机；上位机接收到数据包后，用所述解压缩算法模块进行数据还原，然后上传到数据库。

压缩算法模块实现的步骤包括：

第一步：写入用于识别数据包的起始位置包头信息(0x0A 0x55)；

第二步：写入灵敏度，0x01表示16bit，0x02表示32bit；

第三步：写入首值符号，取源数据的第一个数的符号位直接写入；0x00表示‘+’，0x01表示‘-’；

第四步：写入绝对值的最大值，遍历源数据的绝对值计算出最大值以8字节Double类型写入，用|A|_max表示；

第五步：写入数据量；遍历源数据，统计出源数据的个数N并写入；

第六步：写入数据，取源数据的第一个数D₀，求出它与n₀＝|D₀|/|A|_max*2¹⁶的值；然后将n₀的值写入D₀，依此方式求出n₁＝|D₁|/|A|_max*2¹⁶,然后写入Data₁；依次类推，将数据全部写入。

假设变量即为终止，从网络接口读入的数据包为DM；解析后的第一个数为D0，第二个数为D1，……Dn；解析后的每个数的左导数为Dleft_i，右导数值为Dright_i，其中i＝0，1，2，……，n；

解压缩算法模块实现的步骤包括：

第一步：取两个字节，判断其是否为包头信息(0x0A 0x55)，如果判断通过则表示DM是解压缩算法模块的数据包，可以进行解析，否则DM不是解压缩算法模块的数据包，不予解析；

第二步：取一字节，解析为8bit的short类型，设为sensi，则可得每个数据的长度是s＝sensi*16；

第三步：取一字节，解析为8bit的short类型，设为sn，根据sn的值确定首位符号sign，当sn＝0x00时sign＝1，当sn＝0x01时，sign＝-1；

第四步：取八字节，解析为64bit的double类型，设为|A|_max；

第五步：取八字节，解析为64bit的long long类型，设为N；

第六步：取s个bit，按照无符号的整型的方式解析，设为ds0；根据压缩算法的方式推算得出D0＝sign*|A|_max*ds0/2^s；

第七步：取s个bit，仍然按照无符号的整型方式解析，设为ds1；根据压缩算法的方式解出|D1|＝|A|_max*ds1/2^s后再求符号，依次推算并解出往后的所有值。

其中，再求符号的过程包括：

第a)步，求出该点处的左导数Dleft₁＝|D1|-|D0|，右导数Dright₁＝|D2|-|D1|；

第b)步，当Dleft₁<＝0且Dright₁>＝0时，D1到D2处符号发生变化，对sign进行变号运算sign＝-sign；其他情况时，sign不变；

第c)步，求出D1＝sign*|D1|。

在实际的物体和工程结构中，其质量和弹性是连续分布的，***有3个自由度，在工程测试分析中通常可以简化为多自由度振动***。根据牛顿第二定律可以得出具有6个自由度的无阻尼***的自由振动的微分方程具有以下形式：

其中：M为***的质量矩阵，K为刚度矩阵，x为位移矢量，是加速度矢量；根据微分方程理论，它的通解满足的形式为：

从通解可以看出位移矢量是多个正弦函数的叠加。x(t)是连续可导函数,并且它的二阶导数与x(t)有相同的形式。从形式上看该振动的加速度-时间的函数是连续可导的，也就是说振动传感器的信号源是关于时间的连续可导函数。根据连续函数的性质可知：该函数具有对于每个点左导数都与有倒数相等。

在压缩算法结束时，函数x(t)被压缩算法模块处理后变成了|x(t)|，但是函数|x(t)|并不是连续函数，那么在不连续的点处即为符号交变的位置；考虑到实际的值为皆为离散值，在x(t)中函数上的每一点的左导数和右导数也不能严格相等，他们的差距取决于采样的密集程度；但是在采样频率足够高的情况下，|x(t)|的左导数<0则表示该点的左边值是下降的，同时|x(t)|在该点处的右导数>＝0则表明右侧是不变或者增长的，那么该点必然是不连续的，也就是说此点为原函数x(t)符号变化的点。

如附图3所示，给定的每一组数据最终都会以本图所示的数据结构进行打包压缩。Head是对数据包的识别，只要与众不同就行；Sensitivity表示灵敏度，取值为0x01、0x02,对应灵敏度16bit、32bit；First Sign表示给定一组数据中的第一个值的符号，取值为0x00、0x01，分别对应‘+’、‘-’符号；Abs Max表示给定一组数据中模量最大值；数据总量表示给定的一组数据的数量；Data0、Data1……表示对给定一组数据的存储。

当采集卡灵敏度为16bit时，存放一个数据需要2Byte，比目前使用的8Byte的数据可以节省空间75％，对于大量数据进行压缩的情况下，数据结构中固定长度16bytes可以忽略，那么带宽可以提高300％。

如附图4所示，左边是加速度某方向分量关于时间t的函数图像，用来比拟振动试验中振动数据与时间的关系，其中用黑色圆点标示了正负交替点和负正交替点；右图为左图加取模运算之后的对应图像，用来比拟振动数据被压缩之后的图像，图中的小黑圆点与左图的小黑圆点对应。从图中可以看出压缩后的数据左导数小于等于0，且右导数大于等于0时即为原函数正负或负正交替点。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，其特征在于，该方法采用的硬件包括传感器、采集器、网络接口和上位机；

所述采集器包括采集卡、缓存和压缩算法模块；

所述上位机包括数据库和解压缩算法模块；

该方法实现的步骤如下：

步骤一：所述采集卡将传感器中原始的电压值数据传到采集器的缓存中，通过压缩算法模块将电压值数据压缩成数据包；

步骤二：所述数据包通过网络接口传输到上位机的解压缩算法模块中；

步骤三：所述上位机的解压缩算法模块解出源数据后存入数据库；

所述压缩算法模块将一组原始数据进行打包，对于每一个原始数据都使用它的模量与本组数据中的最大模量的比值进行记录，占用的bit位数等同于采集器分辨率；原始数据始终具有符号交变特性，将原始数据起始位置的符号位直接去掉，在解压缩算法时根据交变关系还原符号。

2.如权利要求1所述的提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，其特征在于，所述解压缩算法模块将所述压缩算法打包好的数据进行解析还原，首先解析该组数据中的最大值、灵敏度、首值符号和数据量，然后根据数据量和灵敏度取出所有记录的比值数值，再使用这些比值数值和最大值还原原始数据的模量，最后将所有数据的符号根据首值符号和符号交变性质依次求出所有数据的符号。

3.如权利要求2所述的提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，其特征在于，所述解压缩算法模块中求所有数据符号的过程包括：

第a)步，求出解析后的第二个数的左导数Dleft₁＝|D1|-|D0|，右导数Dright₁＝|D2|-|D1|，数据包为DM；解析后的第一个数为D0，第二个数为D1，……Dn；

第b)步，当Dleft₁<＝0且Dright₁>＝0时，D1到D2处符号发生变化，对sign进行变号运算sign＝-sign；其他情况时，sign不变；

第c)步，求出D1＝sign*|D1|。

4.如权利要求3所述的提高可靠性测试中振动数据传输带宽的方法，其特征在于，所述传感器是振动试验中测量振动加速度的传感器，传感器根据自身的振动回传电压值给采集卡，采集卡被安装在采集器上。