陳 艷，李太平，陳永碌（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

飛機電源系統(tǒng)飛行試驗數(shù)據(jù)高速采集及處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

陳 艷，李太平，陳永碌
（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

本文針對飛機供電特性考核的需要，設計了一套將電源系統(tǒng)飛行試驗數(shù)據(jù)實時高速采集、解算，并連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在保證飛行試驗數(shù)據(jù)記錄的準確性和完整性的基礎上，緩解了大數(shù)據(jù)記錄的壓力，提高了試驗數(shù)據(jù)處理的效率，滿足了對飛機電源系統(tǒng)評估的需求。

飛機電源系統(tǒng)；供電特性；數(shù)據(jù)實時處理

0 引言

當前，機載航空電子設備日益多樣化、復雜化，飛機電源系統(tǒng)的供電品質(zhì)直接影響航空電子設備的工作和壽命，甚至飛行安全。因此，測試飛機交、直流電源系統(tǒng)飛行中的工作特性參數(shù)，評估其供電特性就顯得尤為重要。然而，在真實飛行試驗中，電源信號復雜、多變，所需數(shù)據(jù)測試頻帶寬、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題都嚴重制約了飛機電源系統(tǒng)飛行試驗的發(fā)展。

針對上述問題，在保證飛行試驗數(shù)據(jù)記錄的準確性、完整性的基礎上，設計了一套將電源系統(tǒng)飛行試驗數(shù)據(jù)進行實時高速采集、解算，并連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以滿足對飛機供電特性分析及評估的需求。

1 系統(tǒng)總體設計

數(shù)據(jù)實時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現(xiàn)高速數(shù)據(jù)遠距離傳輸，又能實現(xiàn)高壓電氣隔離的雙重特殊優(yōu)點，將電源瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集電路集成到電壓測量傳感器內(nèi)，有效解決模擬電壓信號傳輸時的傳輸噪聲、傳輸帶寬不足、動態(tài)精度達不到國軍標要求的問題。

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)解算卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時解算。

FC201E雙通道光纖電源參數(shù)解算卡設計有兩個光纖通道接口，接收來自前級光纖瞬態(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)果上傳主機進行記錄，主機亦可通過接口對相連的光纖瞬態(tài)電源采集模塊的工作狀態(tài)進行設置。

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）通過光纖向光纖瞬態(tài)電源采集模塊提供采樣同步信號；

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

c）時間統(tǒng)一功能，解析來自背板ASB總線提供的100MHz時間標記；

d）數(shù)據(jù)分析處理功能包括過零點發(fā)現(xiàn)、數(shù)字濾波、數(shù)字信號處理、參數(shù)解算等。

圖2 瞬時采集電壓波形

圖3 電源系統(tǒng)三相交流瞬時電壓波形

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

a）FPGA邏輯控制信號處理流程節(jié)拍，每個DSP核完成一項特定的數(shù)據(jù)處理功能，時間節(jié)拍控制在FPGA中易于實現(xiàn)；

b）高速信號處理完全在單個芯片內(nèi)完成，運行速度可高達芯片的最高工作頻率；

c）片內(nèi)可設計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可方便實現(xiàn)硬件周期頻率測量。

3 軟件算法

3.1 供電特性參數(shù)計算

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，介紹實時解算數(shù)據(jù)處理方法。圖2為沒有進行處理而直接進行記錄的某型民用飛機的電壓波形，每一周波中的瞬時數(shù)據(jù)為2500點，1秒鐘共需要記錄106（2500點×400周）個數(shù)據(jù)點。按照公式（1）將瞬時電壓進行實時解算，每一周波中實時解算的數(shù)據(jù)為2點，1秒鐘共需要記錄800（2點×400周）個數(shù)據(jù)點。實時解算后的數(shù)據(jù)就可以實現(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時電壓瞬時值，按公式（1）計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—采樣點的電壓瞬時值，V。

其余供電特性參數(shù)算法參考GJB 5189-2003相應描述。

3.2 電源波形數(shù)據(jù)校正

在對電源系統(tǒng)瞬時波形數(shù)據(jù)進行處理時，要特別注意對過零點以及交流信號峰值的處理。結(jié)合某型民用飛機電源系統(tǒng)飛行試驗數(shù)據(jù)對這兩個參數(shù)的處理方法進行說明。

3.2.1 過零點處理

過零點作為參數(shù)計算的時間開始、結(jié)束標記，它的判定在電源系統(tǒng)供電品質(zhì)參數(shù)計算中意義重大。電源系統(tǒng)電壓波形如圖2所示，波形在過零點處出現(xiàn)畸變，使過零點處的電壓值上下抖動。如果用該電壓波形數(shù)據(jù)直接進行電源系統(tǒng)供電品質(zhì)參數(shù)計算，將嚴重影響穩(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)頻率計算為例，如果每一周波都出現(xiàn)圖示中波形過零點畸變的情況，而又沒有對波形進行處理就直接使用原始數(shù)據(jù)進行計算，則求出的穩(wěn)態(tài)頻率將是固定頻率的兩倍，不符合實際情況。

針對這種波形數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法求出電壓波形的正、負向過零點，解決了過零點抖動的問題，也為其它供電特性參數(shù)的正確計算提供了保證。

3.2.2 峰值處理

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

本系統(tǒng)在對三相交流瞬時電壓數(shù)據(jù)進行處理時首先對瞬時電壓波形數(shù)據(jù)在同一半波內(nèi)按拋物線插值法求出其峰值電壓，然后再計算波峰系數(shù)計算。

4 結(jié)束語

該數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)在某型民用飛機的飛行試驗過程中得到了充分的驗證，對飛行試驗中的電源數(shù)據(jù)進行實時解算后再進行記錄，大大減少了記錄的數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的全程記錄。然而，在電源系統(tǒng)飛行試驗中的關鍵狀態(tài)，如加、卸載大功率用電負載或者發(fā)動機狀態(tài)發(fā)生變化時，還需要聯(lián)合使用事件觸發(fā)記錄方式對瞬時數(shù)據(jù)進行記錄，確保數(shù)據(jù)原始性，便于后期電源系統(tǒng)各個供電特性參數(shù)的分析。

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

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

［3］飛機供電特性參數(shù)測試方法 GJB 5189-2003

［4］飛機供電系統(tǒng)性能參數(shù)的數(shù)字式測試 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)為中國飛行試驗研究院試飛工程師，主要研究方向為機載試飛測試技術、電氣系統(tǒng)試飛技術。