飛機(jī)電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)高速采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 艷，李太平，陳永碌（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

飛機(jī)電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)高速采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 艷，李太平，陳永碌
（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

本文針對(duì)飛機(jī)供電特性考核的需要，設(shè)計(jì)了一套將電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速采集、解算，并連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在保證飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性和完整性的基礎(chǔ)上，緩解了大數(shù)據(jù)記錄的壓力，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的效率，滿足了對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)評(píng)估的需求。

飛機(jī)電源系統(tǒng)；供電特性；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理

0 引言

當(dāng)前，機(jī)載航空電子設(shè)備日益多樣化、復(fù)雜化，飛機(jī)電源系統(tǒng)的供電品質(zhì)直接影響航空電子設(shè)備的工作和壽命，甚至飛行安全。因此，測(cè)試飛機(jī)交、直流電源系統(tǒng)飛行中的工作特性參數(shù)，評(píng)估其供電特性就顯得尤為重要。然而，在真實(shí)飛行試驗(yàn)中，電源信號(hào)復(fù)雜、多變，所需數(shù)據(jù)測(cè)試頻帶寬、采樣率高、數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)處理步驟繁瑣等一系列問(wèn)題都嚴(yán)重制約了飛機(jī)電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)的發(fā)展。

針對(duì)上述問(wèn)題，在保證飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性、完整性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套將電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采集、解算，并連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以滿足對(duì)飛機(jī)供電特性分析及評(píng)估的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速采集及處理系統(tǒng)由瞬態(tài)電源采集模塊和電源參數(shù)結(jié)算卡組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)采用光纖通道作為傳輸介質(zhì)，利用光纖通道既能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，又能實(shí)現(xiàn)高壓電氣隔離的雙重特殊優(yōu)點(diǎn)，將電源瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集電路集成到電壓測(cè)量傳感器內(nèi)，有效解決模擬電壓信號(hào)傳輸時(shí)的傳輸噪聲、傳輸帶寬不足、動(dòng)態(tài)精度達(dá)不到國(guó)軍標(biāo)要求的問(wèn)題。

光纖瞬態(tài)電源采集模塊為高精度數(shù)字化電壓傳感器，通過(guò)光纖通道接口與FC201E 雙通道光纖電源參數(shù)解算卡相連，采用FC201E雙通道光纖電源參數(shù)解算卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解算。

FC201E雙通道光纖電源參數(shù)解算卡設(shè)計(jì)有兩個(gè)光纖通道接口，接收來(lái)自前級(jí)光纖瞬態(tài)電源采集模塊的電源采集數(shù)據(jù)。卡上FPGA芯片對(duì)接收到的電源采集數(shù)據(jù)分析處理，解算結(jié)果上傳主機(jī)進(jìn)行記錄，主機(jī)亦可通過(guò)接口對(duì)相連的光纖瞬態(tài)電源采集模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。

2 電源參數(shù)解算卡

電源參數(shù)解算卡的核心部分是FPGA，主要完成以下功能：

a）通過(guò)光纖向光纖瞬態(tài)電源采集模塊提供采樣同步信號(hào)；

b）光纖通道接口實(shí)現(xiàn)，接收來(lái)自光纖瞬態(tài)電源采集模塊的電源采樣數(shù)據(jù)；

c）時(shí)間統(tǒng)一功能，解析來(lái)自背板ASB總線提供的100MHz時(shí)間標(biāo)記；

d）數(shù)據(jù)分析處理功能包括過(guò)零點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、數(shù)字濾波、數(shù)字信號(hào)處理、參數(shù)解算等。

圖2 瞬時(shí)采集電壓波形

圖3 電源系統(tǒng)三相交流瞬時(shí)電壓波形

電源瞬態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算面臨通道數(shù)多，數(shù)據(jù)量大，參數(shù)計(jì)算量大的諸多難題，若采用傳統(tǒng)DSP技術(shù)，面臨DSP片內(nèi)RAM容量不夠，必須用片外內(nèi)存。頻繁訪問(wèn)片外RAM將造成DSP速度大幅度下降，且單個(gè)DSP速度不足。因此本系統(tǒng)采用在FPGA中內(nèi)嵌192個(gè)DSP解決了巨大計(jì)算量的問(wèn)題。192個(gè)內(nèi)嵌DSP 的FPGA數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)如下：

a）FPGA邏輯控制信號(hào)處理流程節(jié)拍，每個(gè)DSP核完成一項(xiàng)特定的數(shù)據(jù)處理功能，時(shí)間節(jié)拍控制在FPGA中易于實(shí)現(xiàn)；

b）高速信號(hào)處理完全在單個(gè)芯片內(nèi)完成，運(yùn)行速度可高達(dá)芯片的最高工作頻率；

c）片內(nèi)可設(shè)計(jì)大量并行高速專用數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)處理處在并行狀態(tài)下工作；

d）FPGA可方便實(shí)現(xiàn)硬件周期頻率測(cè)量。

3 軟件算法

3.1 供電特性參數(shù)計(jì)算

以交流電源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)中的交流電壓為例，介紹實(shí)時(shí)解算數(shù)據(jù)處理方法。圖2為沒(méi)有進(jìn)行處理而直接進(jìn)行記錄的某型民用飛機(jī)的電壓波形，每一周波中的瞬時(shí)數(shù)據(jù)為2500點(diǎn)，1秒鐘共需要記錄106（2500點(diǎn)×400周）個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。按照公式（1）將瞬時(shí)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，每一周波中實(shí)時(shí)解算的數(shù)據(jù)為2點(diǎn)，1秒鐘共需要記錄800（2點(diǎn)×400周）個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)時(shí)解算后的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)飛行全程記錄大大減少了數(shù)據(jù)的記錄量。

采集數(shù)據(jù)采樣頻率不低于72kHz時(shí)電壓瞬時(shí)值，按公式（1）計(jì)算相電壓每一半波的方均根值，即為交流電壓。

式中：

U—每一半波電壓方均根值，V；

m—每一半波總采樣次數(shù)，s；

i—采樣序列，i=1，2，3，…，n；

ui—采樣點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值，V。

其余供電特性參數(shù)算法參考GJB 5189-2003相應(yīng)描述。

3.2 電源波形數(shù)據(jù)校正

在對(duì)電源系統(tǒng)瞬時(shí)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，要特別注意對(duì)過(guò)零點(diǎn)以及交流信號(hào)峰值的處理。結(jié)合某型民用飛機(jī)電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的處理方法進(jìn)行說(shuō)明。

3.2.1 過(guò)零點(diǎn)處理

過(guò)零點(diǎn)作為參數(shù)計(jì)算的時(shí)間開(kāi)始、結(jié)束標(biāo)記，它的判定在電源系統(tǒng)供電品質(zhì)參數(shù)計(jì)算中意義重大。電源系統(tǒng)電壓波形如圖2所示，波形在過(guò)零點(diǎn)處出現(xiàn)畸變，使過(guò)零點(diǎn)處的電壓值上下抖動(dòng)。如果用該電壓波形數(shù)據(jù)直接進(jìn)行電源系統(tǒng)供電品質(zhì)參數(shù)計(jì)算，將嚴(yán)重影響穩(wěn)態(tài)頻率、頻率調(diào)制幅度、電壓相位差等供電品質(zhì)參數(shù)的分析。以穩(wěn)態(tài)頻率計(jì)算為例，如果每一周波都出現(xiàn)圖示中波形過(guò)零點(diǎn)畸變的情況，而又沒(méi)有對(duì)波形進(jìn)行處理就直接使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，則求出的穩(wěn)態(tài)頻率將是固定頻率的兩倍，不符合實(shí)際情況。

針對(duì)這種波形數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法求出電壓波形的正、負(fù)向過(guò)零點(diǎn)，解決了過(guò)零點(diǎn)抖動(dòng)的問(wèn)題，也為其它供電特性參數(shù)的正確計(jì)算提供了保證。

3.2.2 峰值處理

圖3為某型民用飛機(jī)電源系統(tǒng)三相交流瞬時(shí)電壓波形。如圖所示，采集得到的瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，在波形峰值附近，波形坡度很陡，在進(jìn)行瞬時(shí)電壓采集時(shí)，可能無(wú)法得到最高點(diǎn)實(shí)際電壓，這種情況將直接影響波峰系數(shù)的解算。

本系統(tǒng)在對(duì)三相交流瞬時(shí)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)首先對(duì)瞬時(shí)電壓波形數(shù)據(jù)在同一半波內(nèi)按拋物線插值法求出其峰值電壓，然后再計(jì)算波峰系數(shù)計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

該數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)在某型民用飛機(jī)的飛行試驗(yàn)過(guò)程中得到了充分的驗(yàn)證，對(duì)飛行試驗(yàn)中的電源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算后再進(jìn)行記錄，大大減少了記錄的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的全程記錄。然而，在電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)中的關(guān)鍵狀態(tài)，如加、卸載大功率用電負(fù)載或者發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，還需要聯(lián)合使用事件觸發(fā)記錄方式對(duì)瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，確保數(shù)據(jù)原始性，便于后期電源系統(tǒng)各個(gè)供電特性參數(shù)的分析。

［1］沈頌華 航空航天供電系統(tǒng) 北京：航空航天大學(xué)出版社，2005

［2］韓曉泉 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 碩士學(xué)位論文 西北工業(yè)大學(xué)，2003

［3］飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法 GJB 5189-2003

［4］飛機(jī)供電系統(tǒng)性能參數(shù)的數(shù)字式測(cè)試 HB6448-1990

High speed data acquisition and processing system for flight test data of aircraft power system

Chen Yan，Li Taiping，Chen Yonglu
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an.China，710089）

In this paper， the need for aircraft electric power characteristics evaluation of design a will power system flight test data real-time and high-speed acquisition， solution， and continuous recording of data processing system， guarantee based on the accuracy and completeness of the flight test data recording，easing the pressure of large data records， improve the efficiency of test data processing to meet the needs assessment for the aircraft power supply system.

aircraft power supply system； power supply characteristics； real-time data processing

陳艷（1983-），女，新疆烏魯木齊人，碩士，現(xiàn)為中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院試飛工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載試飛測(cè)試技術(shù)、電氣系統(tǒng)試飛技術(shù)。