飛機電源高精度在線監測系統研究

徐 信 陳 聰 鄭志營

（江蘇航空職業技術學院 航空工程學院，鎮江 212134）

電源系統是飛機的重要組成部分。飛機在各種階段進行切換時，電源系統會為各個模塊提供穩定的電壓和足夠的電流，其對飛機的安全飛行起到了至關重要的作用[1]。隨著科技進步和電力電子技術快速發展，飛機電源系統也在不斷改進和優化，同時也產生了諧波、震蕩、噪聲等不良信號干擾，從而影響系統的穩定性、增加系統負擔、對飛行產生較大安全隱患。

當飛機發電機輸出的電壓超過工作的使用電壓時，要通過限制裝置的輸出進行處理，根據分析使用功率的大小提高電源輸出系統的準確性[2]。根據飛機使用的可靠安全性分析，飛機電源系統多數情況下會出現高壓導致的供電失效，從而妨礙飛機的正常工作，甚至引發安全事故，導致乘員的傷亡和飛機的損壞，造成不可估量的經濟損失。本文通過設計仿真高精度實時電源測試監測平臺，并分析電源在工作過程中的各項指標參數，達到了保護電源和用電設備的目的。經過綜合分析，高精度飛機電源監測系統具有非常重要的研究意義。

1 電源監測系統原理

本系統以現場可編程邏輯門陣列（Field-Program- mable Gate Array，FPGA）為主控模塊，該模塊主要包括可配置邏輯模塊（Configurable Logic Block，CLB）、輸入輸出模塊（Input Output Block，IOB） 和內部連線3大部分，具有和傳統的可編程器件不同的結構。FPGA采樣板要求采樣速度為2 Ms·s-1，可采用Xilinx的ZYNQ處理器平臺，該種類芯片內部包含雙核800 MHz的ARM處理器和大容量FPGA，可以滿足實時采樣和數據處理的需求，模/數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）可采用ADI公司的AD7606C-16芯片，PCI-E總線可以采用南京沁恒公司的CH368芯片，最大通信速率支持50 MB·s-1，可用于主控中央處理器（Central Processing Unit，CPU）與ZYNQ7010之間的大容量數據傳輸，如圖1所示。

由于FPGA是多模塊并行設計，采樣電路與通信模塊是并行運行，故采樣主板可以在一個時鐘周期內將計算得到的有效值和波形數據實時、快速地上傳到主控板中。在線監測系統主控板通過高速2代PCI-E總線讀取每個采樣主板的電壓和電流數據，數據精度可以達到0.2%，同時可根據系統內部設置的保護定值以及I/O驅動板卡來快速斷開或者切換備用電源，從而達到監測和保護飛機電源的目的[3-5]。

2 硬件設計

本文設計的實時在線監測系統以FPGA ZYNQ7010 系列芯片為核心，主要包括電源管理模塊、高精度同步交流電壓采樣模塊和通信模塊等功能模塊，系統硬件結構框圖如圖2所示。

在線監測系統使用快速傅氏變換（Fast Fourier Transformation，FFT）算法對交流電壓電流進行頻域解析，同時還要與控制器之間進行通信和數據傳輸，運算量比較大，實時性要求也較高。因此，為滿足在線監測系統設計需求，本設計采用ZYNQ7010系列單片機作為采樣系統的核心控制器。ZYNQ-7010可擴展處理平臺將雙ARM-cortex A9 MPcore處理器系統與可編程邏輯和硬件IP外設緊密集成在一起，其靈活性、可配置性和性能的完美匹配滿足了本設計的需求。

2.1 電源模塊電路設計

本設計采用ADP7118電源控制器生成+5 V、+3.3 V等電壓等級，是一款互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS） 低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）， 工作電壓范圍為2.7～20.0 V，最大輸出電流為200 mA。 這款高輸入電壓LDO適用于調節工作范圍為1.2～20.0 V 的高性能模擬和混合信號電路，能夠滿足本設計的性能要求。同時，本設計使用ADR4525器件為AD采樣提供基準電壓，此器件可以產生高精度、低功耗且低噪聲基準的電壓源，最大初始誤差為±0.02%，且具有出色的溫度穩定性和低輸出噪聲。該系列基準電壓源使用創新的內核拓撲結構來實現高精度工作，同時具有業界領先的溫度穩定性和噪聲性能。

2.2 同步采樣模塊電路設計

在電源在線監測系統中，AD采樣芯片相當于傳感器，起著非常重要的作用。根據系統要求，本設計選擇AD7606C-16數據采集模塊，它具有8個模擬量輸入通道，每個通道可以輸出長度為16位的數字量[6]。同時，這8個通道可同時采樣，且無須CPU干預，有效地減少了由于采樣時間不同而產生的相位誤差。同步采樣模塊中，各個通道的采樣速率可以利用轉換端口進行設定，每個通道可以允許從直流到4 kHz的模擬信號通過。因為各個通道都有內置的反混迭濾波器，所以對其輸入端反混迭濾波器的要求大為降低，僅需要簡單的一階RC濾波器即可。抗混疊濾波電路如圖3所示。

在本設計中采用5 V單電源給AD7606供電，AD7606可以處理±20 V、±12.5 V、±10 V、±5 V和真雙極性輸入信號，可以減少共模噪聲對采樣的干擾，且所有通道均能以高達1 MSPS的吞吐速率采樣。該模塊內部采樣端口輸入箝位保護電路可以耐受最高達21 V的電壓，在單電源供電的同時具有較高的輸入阻抗和二階的片內濾波，因此無需外置運算放大器和外部雙極性電源設計。

2.3 PCI-E通信模塊電路設計

為滿足設計中的大數據量實時上傳需求，在通信方式上采用高速的PCI-E總線技術。CH368是一個連接PCI-E總線的通用接口芯片，能夠將高速PCI-E總線轉換為簡便易用的類似于ISA總線的32位或者8位主動并行接口，主要用于制作低成本的基于PCI-E總線的計算機板卡，以及將原先基于ISA總線或者PCI總線的板卡升級到PCI-E總線上。PCI-E總線與其他主流總線相比，速度更快、實時性更好、可控性更佳。CH368適用于高速實時的I/O控制卡、通信接口卡、數據采集卡等，能夠滿足設計要求。

3 控制算法設計

電源在線監測系統軟件主要包含采樣板算法、主控程序、模擬量數字量采集板程序等，其中采樣板算法為本文重點設計內容。與以往設計相比，采樣板算法增加了高速高精度數據采樣和計算，能夠通過采用高速上傳通道將采集數據到上傳數據的延時時間控制在10 ms之內。

電壓電流信號通過PT、CT傳感器傳輸到前端模擬信號調理電路，使用低通濾波器和抗混疊濾波器濾除噪聲和高頻信號時，應用跟隨器將信號輸出內阻降到最低。AD7606的輸入內阻最高可達1 MΩ，但是必須要進行前期的增益校準，以防止出現采樣值偏差的問題。當使用外部濾波器時，因為分立組件或傳感器的任何不匹配問題都會導致通道之間出現相位不匹配，所以在軟件模式下，要先通過延遲單個通道上的采樣時刻，再基于通道補償這種相位不匹配。另外，PT、CT上的內在失調或特定通道上的不匹配導致的失調（如模擬前端）可以在軟件模式下基于通道補償。通過設置周期同步采樣來驅動AD7606開通采樣通道，順序讀取8通道采樣值。

在頻率測量方面，本文選擇等精度測量來測量頻率，其最大特點是測量的實際門控時間不是固定值，而是一個與被測信號有關的值，且剛好是被測信號的整數倍。在計數允許時間內，可同時對基準時鐘和被測信號進行計數，再通過數學公式推導得到被測信號的頻率。因為門控信號是被測信號的整數倍，所以消除了對被測信號產生的±l周期誤差，但是會產生對基準時鐘±1周期的誤差，其對頻率計算的影響很小。

4 系統測試

在完成飛機電源在線監測系統后，進行了實驗測試，主要測試內容包含3部分。一是根據標準源的輸出對主控實時顯示的數據進行準確性測試。經測試，電源在線監測系統可以根據標準源的設定進行實時數據顯示，且在增大、減小數據時都可以平穩顯示，同時數據精度滿足要求，其中電壓電流有效值精度可以達到0.2%，功率精度可達1%，頻率精度可達 0.002 Hz。二是對于電壓跌落、驟升、驟降等事件的記錄和波形的錄制。經測試，每個事件都可以按序號記錄在存儲內部，波形文件按照標準格式保存，可以連續保存30天的歷史信息和事件記錄。三是測試系統保護設置。通過在標準源輸出中設置超出保護閾值的電壓和功率并對系統保護功能進行測試發現，當數據超出保護閾值之后，系統可以在100 ms內輸出報警信號，并切斷電源，以保護負載設備。

5 結語

本文分析了飛機電源在線監測系統的工作原理，設計了監測系統的硬件和軟件系統，并分析了監測系統的控制算法，最后通過實驗驗證了本文設計的飛機電源在線監測系統性能穩定，可靠性高，達到了設計的預期效果。后期將對系統進一步升級，增加在線評估系統來實時評估電源質量和負載特性，從而提高系統的智能性，設計出性能更高、穩定性更好的飛機電源在線監測系統。