基于DSP的航空電源BIT系統研究與設計

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)

隨著航空技術的發展，大量機載設備特別是航空儀器儀表與傳動系統采用電能驅動，航空電源在現代飛行器中的作用愈發重要;作為飛機發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定運行具有重要的意義;應用BIT技術可以實現對飛機二次電源運行狀態的實時監控，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，及時的發現問題、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，根據現代戰爭信息化作戰的要求，新一代作戰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測與維修的難度。傳統的自動化測試設備(automated test equipment, ATE)，只能完成對機載電子設備的離線監測，難以滿足現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，實現被測設備的實時在線監測，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是飛機穩定運行的關鍵指標。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、及時發現問題、減小損失具有重要的意義。

1 航空電源BIT系統結構及工作原理

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

1.1 航空電源系統組成及特性

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、機艙環境調節等。飛機的電源系統通常由主電源、輔助電源、二次電源等若干部分組成，各電源系統協同配合，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。隨著渦輪發動機的出現，交流電源成為應用這類發動機的飛機的主電源。交流電源采用了無刷交流發電機，直流電源從交流電網中經變壓、整流、穩壓后獲得。20世紀80年代以前的飛機交流電源系統是通過機械恒速系統得到的，這類電源系統稱為恒速恒頻系統(constant speed constant frequency, CSCF)。CSCF系統可以提高額定電壓，使電源系統重量減輕，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展，通過電力電子裝置可以獲取恒頻的交流電，出現了變頻恒速系統(variable frequency constant speed, VSCF)。VSCF系統電氣性能好，重量也有所減輕，但允許的工作環境溫度窄、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因其效率、可靠性較高，且重量較輕，已成為當前戰機電源系統的首選。

目前，典型的飛機電源系統如圖1所示。

圖1 飛機270 V高壓電源系統結構圖

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的影響，討論了二次電源BIT系統的實現方式，通過計算機仿真與樣機實驗驗證了二次電源BIT系統的可靠性。

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，因此在飛機電源可能發生的故障中，既包含電氣故障又包含機械故障。總體來說，飛機電源發生故障的原因集中在3個方面：1)設計問題，可能對系統可靠性欠缺考慮；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出的電壓，而不與發電機機械結構發生作用，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律發生變化，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系統結構與工作原理

所謂BIT系統是指內部具有故障監測、隔離或診斷的自動測試能力的系統或設備。在飛機二次電源中集成BIT技術就使其具備了自動監測故障的能力，能夠實時監控飛機二次電源的運行狀態，并且記錄二次電源的故障信息。根據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系統的功能分為故障監測、信息存儲和信息傳輸三個部分[5]。飛機二次電源BIT系統結構如圖3所示。

圖3 飛機二次電源BIT系統結構圖

2 系統硬件設計與關鍵技術分析

2.1 系統硬件設計

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

2.1.1 故障監測

根據被測信號量設計BIT系統可以分為兩個功能：電壓監測和溫度監測。TMS320F28335型號的DSP具有16個12位的AD轉換通道，能夠實現高精度的電壓監測和溫度監測。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系統在運行過程中監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

在完成故障監測與信息存儲后，操作人員根據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總線協議作為信息傳輸協議。其中，CAN總線收發器選用了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網絡的穩定性。

2.2 飛機二次電源BIT系統數學模型

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。傳統的BIT系統多采用常規的直接診斷方法，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測往往是已經發生較嚴重的故障，而且存在誤報、漏報的情況。因此需要通過改進BIT系統的算法來提高工作效率，降低虛警率。

根據飛機二次電源的輸入輸出關系以及動態影響因素，可以建立如圖4所示的飛機二次電源動態系統結構圖。

圖4 飛機二次電源動態系統結構圖

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。根據二次電源動態系統結構圖，可以得到用狀態方程表達的系統的數學模型：

(1)

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

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

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)作用下的函數變換。式(1)與式(2)組成了飛機二次電源BIT系統的兩種數學模型[6]。

2.3 飛機二次電源BIT系統診斷策略分析

飛機二次電源BIT系統的可靠性體現在虛警率上。總結以往的實踐經驗可知造成BIT系統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，將系統的狀態劃分為兩個狀態空間。將監測值與閾值相比較來判斷系統狀態，如果監測值未超出閾值，則狀態正常，否則狀態故障。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的數學模型，并且根據約束條件構造出觀測器來預測系統的輸出。然后將監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系統的智能水平，但由于系統的非線性因素導致預測數學模型不精確，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經驗的不斷學習來達到對系統故障的識別。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狀態與系統輸出直接建立與系統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系統進行訓練[7]。

3 系統軟件設計

為了考察飛機二次電源BIT系統的性能，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。上位機與監控模塊之間采用主從通信方式，每次通信總是由上位機發起，監控模塊進行應答。軟件處理流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

BIT系統中DSP需要處理大量的數據，為了提高系統效率和穩定性，在DSP中加入實時操作系統DSP/BIOS實現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之一。

BIT系統軟件作為主監控模塊涉及到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/發完成后產生中斷，這樣可以使DSP實現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作為收發超時計數器使用，TIMER1作為周期BIT定時器，TIME2作為系統時鐘調度。外設功能設計完畢后，添加至DSP/BIOS系統，這樣就屏蔽了底層驅動差異，減少總線上數據響應超時不一致，數據冗余處理不一致的問題，提高維護效率，降低重復開發維護工作量。通信數據包采用非阻塞式發送，底層采用握手通信和超時重發機制，此外為了降低不必要的數據重傳占用總線帶寬和處理開銷，數據包采用應用層應答包來判斷數據是否成功達到目的節點。

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電機，實驗條件如圖6所示。

圖6 地面測試實驗圖

向BIT監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，數據如表1所示。

表1 地面實驗虛警率數據 %

由數據可知，三種不同的診斷算法中，知識診斷的虛警率最低，而且隨著測試次數的增加，訓練樣本增多，其虛警率明顯下降。在BIT系統長期使用的條件下，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高效率的飛機二次電源BIT功能，實現對飛機二次電源的工作狀態的實時監控。在BIT系統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.

[2] 劉少偉,鄭文榮. BIT技術發展與應用研究[J]. 國外電子測量技術,2011,30(5):23-25，28.

[3] 同 江,蔡遠文,伯 偉,等. BIT技術的發展現狀與應用分析[J]. 兵工自動化,2008,27(4):5-7.

[4] 黃根全. 航空電源故障特征提取與故障診斷研究[D].西安：西北工業大學,2005.

[5] 王小朋,于 平,齊心達,等. 基于TMS320F2812的機載智能二次電源監控系統[J]. 儀表技術與傳感器,2013(9):70-72.

[6] 劉 震. 智能BIT診斷方法研究及其在多電飛機電源系統中的應用[D].西安：西北工業大學,2007.

[7] 程建興,史儀凱. 基于多傳感器數據融合的飛機電源系統故障診斷[J]. 火力與指揮控制,2012,37(8):184-187.

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方向的研究。

1671-4598(2017)04-0008-04

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

TP277

A