徐 信 陳 聰 鄭志營

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212134）

電源系統(tǒng)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(tǒng)會為各個模塊提供穩(wěn)定的電壓和足夠的電流，其對飛機的安全飛行起到了至關(guān)重要的作用[1]。隨著科技進步和電力電子技術(shù)快速發(fā)展，飛機電源系統(tǒng)也在不斷改進和優(yōu)化，同時也產(chǎn)生了諧波、震蕩、噪聲等不良信號干擾，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增加系統(tǒng)負擔(dān)、對飛行產(chǎn)生較大安全隱患。

當(dāng)飛機發(fā)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(jù)分析使用功率的大小提高電源輸出系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[2]。根據(jù)飛機使用的可靠安全性分析，飛機電源系統(tǒng)多數(shù)情況下會出現(xiàn)高壓導(dǎo)致的供電失效，從而妨礙飛機的正常工作，甚至引發(fā)安全事故，導(dǎo)致乘員的傷亡和飛機的損壞，造成不可估量的經(jīng)濟損失。本文通過設(shè)計仿真高精度實時電源測試監(jiān)測平臺，并分析電源在工作過程中的各項指標(biāo)參數(shù)，達到了保護電源和用電設(shè)備的目的。經(jīng)過綜合分析，高精度飛機電源監(jiān)測系統(tǒng)具有非常重要的研究意義。

1 電源監(jiān)測系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field-Program- mable Gate Array，F(xiàn)PGA）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(nèi)部連線3大部分，具有和傳統(tǒng)的可編程器件不同的結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(shù)據(jù)處理的需求，模/數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)傳輸，如圖1所示。

由于FPGA是多模塊并行設(shè)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(nèi)將計算得到的有效值和波形數(shù)據(jù)實時、快速地上傳到主控板中。在線監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度可以達到0.2%，同時可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的保護定值以及I/O驅(qū)動板卡來快速斷開或者切換備用電源，從而達到監(jiān)測和保護飛機電源的目的[3-5]。

2 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

在線監(jiān)測系統(tǒng)使用快速傅氏變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）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(shù)據(jù)傳輸，運算量比較大，實時性要求也較高。因此，為滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計需求，本設(shè)計采用ZYNQ7010系列單片機作為采樣系統(tǒng)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(tǒng)與可編程邏輯和硬件IP外設(shè)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(shè)計的需求。

2.1 電源模塊電路設(shè)計

本設(shè)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(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS） 低壓差線性穩(wěn)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(diào)節(jié)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(shè)計的性能要求。同時，本設(shè)計使用ADR4525器件為AD采樣提供基準(zhǔn)電壓，此器件可以產(chǎn)生高精度、低功耗且低噪聲基準(zhǔn)的電壓源，最大初始誤差為±0.02%，且具有出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。該系列基準(zhǔn)電壓源使用創(chuàng)新的內(nèi)核拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高精度工作，同時具有業(yè)界領(lǐng)先的溫度穩(wěn)定性和噪聲性能。

2.2 同步采樣模塊電路設(shè)計

在電源在線監(jiān)測系統(tǒng)中，AD采樣芯片相當(dāng)于傳感器，起著非常重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計選擇AD7606C-16數(shù)據(jù)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(shù)字量[6]。同時，這8個通道可同時采樣，且無須CPU干預(yù)，有效地減少了由于采樣時間不同而產(chǎn)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(zhuǎn)換端口進行設(shè)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(nèi)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?？够殳B濾波電路如圖3所示。

在本設(shè)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(nèi)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(nèi)濾波，因此無需外置運算放大器和外部雙極性電源設(shè)計。

2.3 PCI-E通信模塊電路設(shè)計

為滿足設(shè)計中的大數(shù)據(jù)量實時上傳需求，在通信方式上采用高速的PCI-E總線技術(shù)。CH368是一個連接PCI-E總線的通用接口芯片，能夠?qū)⒏咚貾CI-E總線轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集卡等，能夠滿足設(shè)計要求。

3 控制算法設(shè)計

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

電壓電流信號通過PT、CT傳感器傳輸?shù)角岸四M信號調(diào)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(yīng)用跟隨器將信號輸出內(nèi)阻降到最低。AD7606的輸入內(nèi)阻最高可達1 MΩ，但是必須要進行前期的增益校準(zhǔn)，以防止出現(xiàn)采樣值偏差的問題。當(dāng)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(dǎo)致通道之間出現(xiàn)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(nèi)在失調(diào)或特定通道上的不匹配導(dǎo)致的失調(diào)（如模擬前端）可以在軟件模式下基于通道補償。通過設(shè)置周期同步采樣來驅(qū)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(guān)的值，且剛好是被測信號的整數(shù)倍。在計數(shù)允許時間內(nèi)，可同時對基準(zhǔn)時鐘和被測信號進行計數(shù)，再通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得到被測信號的頻率。因為門控信號是被測信號的整數(shù)倍，所以消除了對被測信號產(chǎn)生的±l周期誤差，但是會產(chǎn)生對基準(zhǔn)時鐘±1周期的誤差，其對頻率計算的影響很小。

4 系統(tǒng)測試

在完成飛機電源在線監(jiān)測系統(tǒng)后，進行了實驗測試，主要測試內(nèi)容包含3部分。一是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)源的輸出對主控實時顯示的數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確性測試。經(jīng)測試，電源在線監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)源的設(shè)定進行實時數(shù)據(jù)顯示，且在增大、減小數(shù)據(jù)時都可以平穩(wěn)顯示，同時數(shù)據(jù)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(jīng)測試，每個事件都可以按序號記錄在存儲內(nèi)部，波形文件按照標(biāo)準(zhǔn)格式保存，可以連續(xù)保存30天的歷史信息和事件記錄。三是測試系統(tǒng)保護設(shè)置。通過在標(biāo)準(zhǔn)源輸出中設(shè)置超出保護閾值的電壓和功率并對系統(tǒng)保護功能進行測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出保護閾值之后，系統(tǒng)可以在100 ms內(nèi)輸出報警信號，并切斷電源，以保護負載設(shè)備。

5 結(jié)語

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