張 佳

(西安航空學院 電子工程學院,西安 710077)

基于DSP的航空電源BIT系統(tǒng)研究與設計

張 佳

(西安航空學院 電子工程學院,西安 710077)

隨著航空技術的發(fā)展，大量機載設備特別是航空儀器儀表與傳動系統(tǒng)采用電能驅動，航空電源在現(xiàn)代飛行器中的作用愈發(fā)重要;作為飛機發(fā)電機與機載用電設備之間的電力樞紐，飛機二次電源的可靠性對于維持用電設備的穩(wěn)定運行具有重要的意義;應用BIT技術可以實現(xiàn)對飛機二次電源運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，然而虛警問題對BIT技術的應用造成了很大的困擾;針對某型飛機二次電源采用合理的硬件設計結合有效的檢測算法可以顯著改善BIT系統(tǒng)的虛警率，這就使操作人員能夠準確掌握飛機二次電源的工作狀態(tài)，及時的發(fā)現(xiàn)問題、減少損失。

航空電源；機內測試；TMS320F28335；CAN總線

0 引言

隨著航空技術的發(fā)展，電能逐漸取代其他形式的能源—如液壓能、氣壓能等—成為主要的驅動能源。采用電能驅動能夠增加飛機設計的柔性，提高可靠性，降低保障及使用成本，減輕飛機的總重量等。此外，根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化作戰(zhàn)的要求，新一代作戰(zhàn)飛機上裝備了大量的先進機載設備，這些機載設備都以電力作為能量來源。世界各國在多電飛機的設計和研發(fā)上都投入了大量的人力物力，并取得了長足進步[1]。

機內測試技術(built-in test，BIT)技術是伴隨著航空技術與集成電路技術的發(fā)展應運而生的一項技術。隨著航空機載設備電子化程度以及集成度、復雜度的日益提高，這增大了航空機載電子設備的故障監(jiān)測與維修的難度。傳統(tǒng)的自動化測試設備(automated test equipment, ATE)，只能完成對機載電子設備的離線監(jiān)測，難以滿足現(xiàn)代化裝備的測試需求[2]。隨著BIT技術的應用，可以將測試設備嵌入式安裝在被測設備內部，與被測設備整合為一體，實現(xiàn)被測設備的實時在線監(jiān)測，極大的提高裝備的維修性和測試性[3]。

航空電源作為機載用電設備的動力來源，對飛機穩(wěn)定運行、任務的完成具有極其重要的作用，因此機載電源的運行狀態(tài)是飛機穩(wěn)定運行的關鍵指標。將BIT技術應用到機載電源上，對于操作人員掌握機載電源的運行狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)問題、減小損失具有重要的意義。

1 航空電源BIT系統(tǒng)結構及工作原理

航空電源BIT系統(tǒng)為飛行器工作過程中電源部分的狀態(tài)監(jiān)控提供了方法和渠道，圍繞航空電源的組成、特性和可能出現(xiàn)的故障對航空電源BIT系統(tǒng)結構和功能進行設計。

1.1 航空電源系統(tǒng)組成及特性

航空電源是用來產生和傳輸電能，以供機上各用電設備的用電，如飛控、雷達、通訊導航、機體防冰、機艙環(huán)境調節(jié)等。飛機的電源系統(tǒng)通常由主電源、輔助電源、二次電源等若干部分組成，各電源系統(tǒng)協(xié)同配合，保證機上用電設備的用電需求。

早期的飛機的主電源是24 V的低壓直流電源，個別交流用電負載的電源由旋轉變流機組供給。然而，隨著電源容量的增加，以及飛機飛行高度和速度的提高，低壓直流電源的應用受到了諸如重量、效率等多方面因素的限制。隨著渦輪發(fā)動機的出現(xiàn)，交流電源成為應用這類發(fā)動機的飛機的主電源。交流電源采用了無刷交流發(fā)電機，直流電源從交流電網中經變壓、整流、穩(wěn)壓后獲得。20世紀80年代以前的飛機交流電源系統(tǒng)是通過機械恒速系統(tǒng)得到的，這類電源系統(tǒng)稱為恒速恒頻系統(tǒng)(constant speed constant frequency, CSCF)。CSCF系統(tǒng)可以提高額定電壓，使電源系統(tǒng)重量減輕，并且能夠適應高空、高速的飛行要求，但CSCF裝置結構復雜，維護困難。到20世紀80年代，隨著電力電子技術的發(fā)展，通過電力電子裝置可以獲取恒頻的交流電，出現(xiàn)了變頻恒速系統(tǒng)(variable frequency constant speed, VSCF)。VSCF系統(tǒng)電氣性能好，重量也有所減輕，但允許的工作環(huán)境溫度窄、過載能力較差、可靠性相對較低。到20世紀90年代，電力電子技術與電機控制技術進一步完善，解決了曾經困擾直流電源的諸多關鍵問題，飛機電源又回到了直流電源，但直流電源的容量增加到了270 V。這種高壓直流電源系統(tǒng)因其效率、可靠性較高，且重量較輕，已成為當前戰(zhàn)機電源系統(tǒng)的首選。

目前，典型的飛機電源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 飛機270 V高壓電源系統(tǒng)結構圖

本文以飛機二次電源為主要研究對象，分析不同因素對飛機二次電源運行狀態(tài)的影響，討論了二次電源BIT系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，通過計算機仿真與樣機實驗驗證了二次電源BIT系統(tǒng)的可靠性。

1.2 飛機二次電源故障特征分析

飛機電源是一個機械-電氣強耦合的系統(tǒng)，因此在飛機電源可能發(fā)生的故障中，既包含電氣故障又包含機械故障?？傮w來說，飛機電源發(fā)生故障的原因集中在3個方面：1)設計問題，可能對系統(tǒng)可靠性欠缺考慮；2)元器件問題，可能選用了不能達到技術指標的產品；3)制造工藝問題，可能由于工藝水平不足影響產品質量[4]。

飛機二次電源的主要作用是將主電源提供的270 V高壓轉換為可供用電設備直接使用的電壓。飛機二次電源的連接結構如圖2所示。

圖2 飛機二次電源連接結構圖

飛機二次電源承接了主電源發(fā)出的電壓，而不與發(fā)電機機械結構發(fā)生作用，因此二次電源的故障都是電氣故障。當飛機二次電源發(fā)生故障時，其輸出電壓以及電力電子器件(逆變器、整流器)的工作溫度會按照特定的規(guī)律發(fā)生變化，因此可以將二次電源的輸出電壓與工作溫度作為故障特征量進行故障識別。

1.3 飛機二次電源BIT系統(tǒng)結構與工作原理

所謂BIT系統(tǒng)是指內部具有故障監(jiān)測、隔離或診斷的自動測試能力的系統(tǒng)或設備。在飛機二次電源中集成BIT技術就使其具備了自動監(jiān)測故障的能力，能夠實時監(jiān)控飛機二次電源的運行狀態(tài)，并且記錄二次電源的故障信息。根據(jù)任務需求設計制作了原理樣機，選用了美國得克薩斯儀器公司(TI)的TMS320F28335型號的DSP處理器作為BIT系統(tǒng)的主控器，其運算速度最高可達150 MHz，并且支持AD轉換、I2C、CAN、SPI等幾乎所有的外設接口功能。飛機二次電源BIT系統(tǒng)的功能分為故障監(jiān)測、信息存儲和信息傳輸三個部分[5]。飛機二次電源BIT系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 飛機二次電源BIT系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計與關鍵技術分析

2.1 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)飛機二次電源BIT系統(tǒng)的結構及工作原理設計系統(tǒng)硬件。對照BIT系統(tǒng)的3個主要功能功能需求分別進行設計。

2.1.1 故障監(jiān)測

根據(jù)被測信號量設計BIT系統(tǒng)可以分為兩個功能：電壓監(jiān)測和溫度監(jiān)測。TMS320F28335型號的DSP具有16個12位的AD轉換通道，能夠實現(xiàn)高精度的電壓監(jiān)測和溫度監(jiān)測。飛機二次電源通常需要輸出若干路不同幅值的電壓，而TMS320F28335的AD轉換功能在使用內部基準時的參考電壓是3 V，外部輸入的電壓范圍為0～3 V，因此需要根據(jù)二次電源的輸出電壓對其進行分壓變換。

其中，分壓電路采用AMC1100高精度隔離放大器，可防止共模電壓線路上的噪聲電流進入本地接地并干擾或損害敏感電路，保證AD轉換的精度。R1、R2為分壓電阻，為保證AD轉換的精度，分壓電路中的電阻須選用高精度電阻。

溫度傳感器選用ADI公司的AD590模擬溫度傳感器，測量精度0.5℃，測量范圍-55～+150℃。為保證溫度采集的準確性，溫度傳感器貼敷在逆變器、整流器等電源關鍵部位。

2.1.2 信息存儲

飛機二次電源BIT系統(tǒng)在運行過程中監(jiān)測到故障時需要將故障信息以固定格式的工作日志的形式保存下來以便后續(xù)查閱。這就需要將工作日志保存在非易失性存儲器中，選用AT24C64型號的EEPROM芯片作為工作日志存儲載體，該芯片存儲容量為64 Kbit，通訊頻率1 MHz，使用I2C總線與主控器通信。

2.1.3 信息傳輸

在完成故障監(jiān)測與信息存儲后，操作人員根據(jù)需要通過機載計算機讀取實時的BIT結果以及存儲的工作日志。為了保證信息傳輸完整可靠，同時考慮到TMS320F28335具備的外部總線功能，采用了CAN總線協(xié)議作為信息傳輸協(xié)議。其中，CAN總線收發(fā)器選用了SN65HVD230控制器，傳輸速率高達1 Mbps，并且含有許多保護特性，可確保器件和CAN網絡的穩(wěn)定性。

2.2 飛機二次電源BIT系統(tǒng)數(shù)學模型

BIT技術在航空電源中的應用對于其維修性、測試性的提高有顯著的作用，同時也面臨一些亟待解決的問題，首當其沖的就是虛警率高。傳統(tǒng)的BIT系統(tǒng)多采用常規(guī)的直接診斷方法，通過對各物理量的直接測量來判斷是否發(fā)生了故障，這種方法直觀快速、成本低廉，但使用這種方法進行故障監(jiān)測往往是已經發(fā)生較嚴重的故障，而且存在誤報、漏報的情況。因此需要通過改進BIT系統(tǒng)的算法來提高工作效率，降低虛警率。

根據(jù)飛機二次電源的輸入輸出關系以及動態(tài)影響因素，可以建立如圖4所示的飛機二次電源動態(tài)系統(tǒng)結構圖。

圖4 飛機二次電源動態(tài)系統(tǒng)結構圖

其中:f(t)∈Rq為作用在電源上的待檢測故障的變量；d(t)∈Rp為輸出過程中的噪聲變量；u(t)∈Rr為輸入變量；y(t)∈Rm為輸出變量。根據(jù)二次電源動態(tài)系統(tǒng)結構圖，可以得到用狀態(tài)方程表達的系統(tǒng)的數(shù)學模型：

(1)

其中:設x(t)是二次電源內部的狀態(tài)變量；y(t)是二次電源的輸出變量。g(t)與h(t)是非線性函數(shù)。

式(1)可以描述飛機二次電源內部各變量的相互作用關系，以及各變量狀態(tài)變化的規(guī)律。但是，式(1)中的電源內部狀態(tài)變量x(t)具有不確定性，這就使得該數(shù)學模型在一些情況下是發(fā)散的。面對這種情況，就需要通過BIT系統(tǒng)的輸入輸出關系來描述該數(shù)學模型了。采用微分方程的形式來表達每個子系統(tǒng)，然后根據(jù)動態(tài)系統(tǒng)結構圖得到數(shù)學模型：

m(p(t))y(t)=n(p(t),u(t))+o(p(t),f(t))+q(p(t),d(t))

(2)

其中:p(t)為微分算子；m(t)、n(t)、o(t)、q(t)為對應變量在p(t)作用下的函數(shù)變換。式(1)與式(2)組成了飛機二次電源BIT系統(tǒng)的兩種數(shù)學模型[6]。

2.3 飛機二次電源BIT系統(tǒng)診斷策略分析

飛機二次電源BIT系統(tǒng)的可靠性體現(xiàn)在虛警率上。總結以往的實踐經驗可知造成BIT系統(tǒng)虛警的原因可以分為三個方面：一、電路硬件問題；二、軟件設計問題；三、噪聲/間歇故障。其中，電路硬件問題可以通過合理選用元器件，提高電路設計的嚴密性與可靠性以及提高工藝水平等措施得以解決。后兩種問題可以通過選擇合適的診斷算法與提高軟件的健壯性解決，其中，合理選擇軟件診斷算法是改善BIT系統(tǒng)虛警率的關鍵。目前，常見的BIT算法類型有三種。

1)基于閾值的BIT診斷策略：基于閾值的BIT診斷策略是典型的二元假設問題，這種方法是通過設定閾值，將系統(tǒng)的狀態(tài)劃分為兩個狀態(tài)空間。將監(jiān)測值與閾值相比較來判斷系統(tǒng)狀態(tài)，如果監(jiān)測值未超出閾值，則狀態(tài)正常，否則狀態(tài)故障。這種方法是最常見的BIT診斷算法，也是目前應用最廣泛的算法。但這種算法的缺點也很明顯，其對信息的處理能力有限，并且不具備對故障的預測能力。

2)基于過程的BIT診斷策略：基于過程的BIT診斷策略是通過系統(tǒng)的數(shù)學模型，并且根據(jù)約束條件構造出觀測器來預測系統(tǒng)的輸出。然后將監(jiān)測過程中采集到的實際測量值與預測值比較來得到故障信息。這種方法一定程度上提高了BIT系統(tǒng)的智能水平，但由于系統(tǒng)的非線性因素導致預測數(shù)學模型不精確，將會引起虛警率升高，因此使得其在實際應用中受到很大限制。

3)基于知識的BIT診斷策略：基于知識的BIT診斷策略的核心思想是通過對系統(tǒng)經驗的不斷學習來達到對系統(tǒng)故障的識別。應用最為普遍的是基于神經網絡的BIT診斷策略。這種方法是通過可觀測的系統(tǒng)狀態(tài)與系統(tǒng)輸出直接建立與系統(tǒng)故障之間的對應關系，而這種對應關系的建立需要有故障樣本對BIT系統(tǒng)進行訓練[7]。

3 系統(tǒng)軟件設計

為了考察飛機二次電源BIT系統(tǒng)的性能，采用工控機替代機載計算機作為上位機進行地面實驗，為此在工控機上編制了測試軟件用來與DSP通信。上位機與監(jiān)控模塊之間采用主從通信方式，每次通信總是由上位機發(fā)起，監(jiān)控模塊進行應答。軟件處理流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

BIT系統(tǒng)中DSP需要處理大量的數(shù)據(jù)，為了提高系統(tǒng)效率和穩(wěn)定性，在DSP中加入實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS實現(xiàn)任務調度與內存管理。DSP/BIOS內核是一個可擴展的實時多任務內核，專為TMS320C6000，TMS320C55x和TMS320C28x等DSP平臺而設計，并且提供標準化的API，支持快速應用遷移。DSP/BIOS內核配合外設與驅動模塊能夠為復雜的DSP應用提供堅實的基礎，是應用最廣泛的實時操作系統(tǒng)之一。

BIT系統(tǒng)軟件作為主監(jiān)控模塊涉及到TMS320F28335的AD轉換、I2C讀寫以及CAN總線通信三個功能。為保證系統(tǒng)功能的實時性，以上三個模塊均配置為中斷處理方式，DSP靈活的中斷控制允許在每個AD轉換序列結束后(EOS)以及I2C總線、CAN總線每次收/發(fā)完成后產生中斷，這樣可以使DSP實現(xiàn)類似多線程的工作方式，提高工作效率，縮短響應時間。TMS320F28335用于3個定時器，本設計中TIME0作為收發(fā)超時計數(shù)器使用，TIMER1作為周期BIT定時器，TIME2作為系統(tǒng)時鐘調度。外設功能設計完畢后，添加至DSP/BIOS系統(tǒng)，這樣就屏蔽了底層驅動差異，減少總線上數(shù)據(jù)響應超時不一致，數(shù)據(jù)冗余處理不一致的問題，提高維護效率，降低重復開發(fā)維護工作量。通信數(shù)據(jù)包采用非阻塞式發(fā)送，底層采用握手通信和超時重發(fā)機制，此外為了降低不必要的數(shù)據(jù)重傳占用總線帶寬和處理開銷，數(shù)據(jù)包采用應用層應答包來判斷數(shù)據(jù)是否成功達到目的節(jié)點。

4 試驗結果與分析

對飛機二次電源進行地面仿真實驗，考察不同診斷策略的監(jiān)測效果。地面工控機作為上位機，提供270 V高壓直流電模擬飛機發(fā)電機，實驗條件如圖6所示。

圖6 地面測試實驗圖

向BIT監(jiān)控模塊中分別寫入閾值診斷、過程診斷和知識診斷三種不同的算法，然后分別進行三組實驗：第一組實驗在不同算法條件下分別進行100次BIT測試；第二組進行200次測試，第三組進行500此測試。實驗后整理各次實驗的虛警率，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 地面實驗虛警率數(shù)據(jù) %

由數(shù)據(jù)可知，三種不同的診斷算法中，知識診斷的虛警率最低，而且隨著測試次數(shù)的增加，訓練樣本增多，其虛警率明顯下降。在BIT系統(tǒng)長期使用的條件下，基于神經網絡算法的知識型診斷策略具有顯著的優(yōu)勢。

5 結束語

采用TMS320F28335型號的DSP，結合其AD轉換、I2C總線及CAN總線通信能力，采用中斷工作的方式可以實現(xiàn)高效率的飛機二次電源BIT功能，實現(xiàn)對飛機二次電源的工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。在BIT系統(tǒng)中采用神經網絡算法可以大幅降低虛警率，提高可靠性與穩(wěn)定性。對于航空、航天等對二次電源可靠性要求較高的場合具有一定的參考價值。

[1] 朱新宇,彭衛(wèi)東. 多電飛機及其技術應用[J]. 中國民航飛行學院學報,2007,18(6):8-11.

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Design and Research of Aircraft Power BIT System Based on DSP

Zhang Jia

(School of Electronic Engineering, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China)

With a large number of airborne devices powered by electric energy such as aviation Instrumentation and transmission system, the role of electric power in modern aviation aircraft is becoming increasingly important. As the hub between power generator and airborne electrical devices, the reliability of aircraft secondary power supply for electrical equipment stable operation is of great significance. Apply the BIT technology can monitor operating state of aircraft secondary power supply in real-time, however false alarm problems for the application of the BIT technology caused a lot of trouble. For a type of aircraft secondary power supply using reasonable hardware design combined with effective monitoring algorithms can significantly improve false alarm rate of BIT system. Whereby the operator can get the operating state of aircraft secondary power supply, to identify problems in time and reduce losses.

aircraft power; Built-in test; TMS320F28335; CAN bus

2017-01-09；

2017-02-08。

陜西省教育廳專項基金(15JK2129)；西安航空學院校級科研基金項目(2016KY1206)。

張 佳(1987-)，男，甘肅張掖人，碩士，助教,主要從事智能電源系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)04-0008-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.003

TP277

A