基于嵌入式系統的放電故障紫外檢測平臺

王海斌，王永虎，丁發軍，錢 偉

（1.中國民航飛行學院 飛機修理廠，廣漢 618307；2.中國民航飛行學院 飛行技術學院，廣漢 618307）

運輸航空中老齡化航空器運行情況較為普遍，壽命超過10年的航空器仍大量運行。老齡化航空器電氣線路容易發生過載、過流、轉換電路觸點粘接、匯流條固定觸點脫松等故障，嚴重時可誘發放電，引起電氣火災，甚至造成航空事故[1-3]。目前民用航空器中排除電氣線路故障的方法有限，且存在一定的弊端[4]。本文借鑒光電測試原理，并利用ARM嵌入式技術，研制了一款高效可靠的檢測設備。經測試驗證后，將本檢測設備投入到民航航線、定期檢測中，將極大地提升飛機線路檢測效率，并在一定程度上提升了我國民航機務維修技術水平。本文將結合放電故障紫外檢測平臺的研制過程，對平臺總體設計方案、軟硬件關鍵技術和測試結果進一步詳細闡述。

1 總體方案

本文研究的基于ARM的放電故障紫外檢測平臺，主要適用于老齡化航空器電氣線路故障導致的放電現象檢測。航空器上電氣線路由于受到結構空間的影響，在機體金屬構架上常常布置大量通電線纜。除此之外，電子設備艙也匯集大量電源線路、屏蔽線路以及各類信號數據線路。電氣線路與電子設備之間通過電氣節點實現連接，電氣節點在通電過程中存在著火花放電、發熱等問題[5-8]。這些電氣故障與其他電設備故障有著本質不同，具有一定程度的隱蔽性，難以使用一般技術檢測方法實現監控。本文提出的嵌入式紫外檢測平臺要求在測試距離≥6 m，測試時間≤15 ms的飛機系統通電情況下，能夠迅速將故障位置進行定位，為排除飛機電設備線路故障以及預防電氣火災隱患提供重要的技術支持。

檢測平臺總體設計是利用嵌入式技術手段，并根據實際需求研制出便攜式電氣線路放電故障紫外檢測平臺。本文把系統運行穩定且源代碼公開的Linux操作系統內核與以ARM為核心的硬件平臺結合起來，參考紫外探測原理，最終設計出靈敏度（S/N）高、響應時間（R/T）快、誤碼率（BER）低的航空器電氣線路放電故障紫外檢測平臺。

1.1 平臺設計要求

本文研制的電氣線路放電故障檢測平臺，主要適用于民用航空器的航線、定期檢查以及排除電氣線路故障情況。考慮到平臺適用環境，將檢測平臺設計要求定位如下[9]：

靈敏度（S/N） S/N指數表示檢測火花放電的能力，指數越高意味著檢測能力越強。本文設計要求為距故障源6 m處，S/N指數應大于10 mJ；

響應時間（R/T） 響應時間對于實時性要求較高檢測對象十分重要，本文響應時間設計要求為R/T≤15 ms；

誤碼率（BER） 測試結果準確、可靠是檢測一個系統實用價值最重要的標準，本文誤碼率設計要求為 BER=10-5～10-8。

1.2 平臺設計方案

根據本文平臺設計的技術要求，把平臺定位于基于嵌入式的檢測系統。在模塊劃分上分為檢測模塊和主控模塊。檢測模塊包括供電模塊、采集模塊、電壓處理模塊和信號處理模塊。主控模塊包括處理器模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、存儲模塊和警告模塊。系統總體設計如圖1所示。

圖1 平臺總體設計Fig.1 Design for test platform

主控模塊以ARM微處理器為核心，對測試信號進行實時邏輯處理，并調動其余子模塊，最終為用戶實現檢測需要。下文將對ARM處理器及系統相關硬件的選型進行說明，軟件平臺在硬件平臺基礎上進行設計，系統硬件平臺選定后，將對軟件開發情況進行介紹。

2 硬件設計與實現

根據本文研究對象的設計要求，在紫外檢測系統的硬件平臺開發中選用TI公司生產的CortexTMA8內核的AM3358芯片作為核心處理器。該款芯片是TI公司將產品定位于工業控制MCU，是目前市場上唯一一款同時支持Linux、Android和WinCE 3個操作系統的工業級控制芯片[10-12]。

系統硬件平臺設計主要包括以微處理器AM3358為核心的主控模塊，以及實現光電轉換的檢測模塊。主控模塊在微處理器基礎上進一步實現對外圍電路設計與配置，如數據通信接口、電源供給接口以及時鐘電路等。檢測模塊主要功能是利用采集模塊實現光電轉換，并對轉換后的電信號進行處理，最后傳輸給主控模塊。系統硬件平臺設計如圖2所示。

圖2 硬件平臺設計Fig.2 Design for hardware platform

硬件平臺中紫外光敏管選用冷陰極充氣二極管，紫外敏感波段為170～300 nm，不受可見光的影響。采用金屬陰極結構，具有較高靈敏度，可迅速可靠地檢測出火焰發出的微弱紫外輻射。

信號處理模塊主要實現功能為當有170～300 nm紫外輻射光敏管的探測范圍時，采集并放大該信號，并進行一定處理。根據上述實現功能，在設計信號處理模塊時，將設計流程分為感應紫外輻射光源、采集光敏器件響應信號、實現選頻、信號放大，并將噪聲信號進行濾除。在進入到主控模塊前，將該信號進行二次放大，并進行數字信號濾波處理，以減少隨機噪聲影響。該過程主要由軟件程序算法來實現。信號處理模塊設計流程如圖3所示。

圖3 信號處理模塊設計流程Fig.3 Flow chart of the signal processing module

3 軟件設計與實現

系統軟件平臺設計主要包括3個層次的設計，第一層是將嵌入式操作系統內核Linux3.2在微處理器AM3358上進行系統移植，通過對內核系統進行簡化，并通過修改Makefile文件和系統Configuration文件，成功實現了Linux3.2與AM3358的結合。第二層主要是實現驅動程序設計，驅動程序是連接上層應用程序和底層硬件的橋梁。放電故障檢測平臺的設計中，使用了控制、顯示和存儲等外圍設備，對于各種不同的設備映射為不同的文件。系統內核通過對調用相應的設備文件，可實現對硬件資源的操作。第三層是實現系統應用程序的設計，根據系統硬件平臺設計，將應用程序分為數字濾波處理程序、數據分析和處理程序、數據存儲程序和顯示控制程序4個功能單元。系統軟件平臺設計如圖4所示。

圖4 系統軟件平臺設計Fig.4 Design for system software platform

放電故障紫外檢測平臺核心功能是在“數據分析和處理程序”模塊中執行的。在執行該程序模塊時，將接收和處理來自紫外敏感波段為170～300 nm的轉換信號，通過內置程序的算法函數get_Count-Pulse（）和 get_TimePulse（）進一步判斷數據信號測試結果。并將處理結果傳輸給顯控裝置，并對光電報警裝置進行觸發處理。數據分析和處理應用程序如圖5所示。

圖5 數據分析和處理應用程序流程Fig.5 Flow chart of data analysis and processing application process

4 平臺整機測試及結果

針對本文研制的放電故障紫外檢測平臺各項性能指標，通過以下測試項目來實現平臺的檢測：

3.10 臨近保質期食品。接近但尚未超過食品包裝上標明的保質日期的食品。一般是指保質期在一年以上的、對應不低于期滿之日前45天的食品；保質期在半年以上不足一年的、對應不低于期滿之日前20天的食品；保質期在0天以上不足半年的、對應不低于期滿之日前15天的食品；保質期在30天以上不足90天的、對應不低于期滿之日前10天的食品；保質期在16天以上不足30天的、對應不低于期滿之日前5天的食品；保質期在3天以上少于15天的、對應不低于期滿之日前2 天的食品。

1）靈敏度性能測試

本文采用火花源為精密微型能量火花發生裝置，將發生裝置輸出的火花能量調整至5 mJ。在距發生裝置6 m處，檢測平臺能夠檢測到有火花放電現象，并顯示相關參數以及啟動警告裝置，達到了S/N≥10 mJ的設計要求。從測試結果來看，平臺靈敏度較高。

2）響應時間R/T）性能測試

平臺響應時間（R/T）包括由產生電氣放電現象到系統啟動報警裝置所消耗時間。響應時間是放電檢測平臺一個重要的性能技術參數，能夠表征平臺對放電信息的反應能力。本測試采用火花、線路短接放電和精密火花發生裝置3種輻射源進行實驗，隨機記錄15組響應時間，對15組響應時間進行分析和驗證是否設計滿足。響應時間數據如表1所示。

表1 平臺響應時間數據表Tab.1 Response time data for platform

檢測平臺的15次響應時間最大539.0 μs，能夠滿足系統響應時間的設計要求。

經過上述實驗室環境測試，可以驗證本文設計的放電故障紫外檢測平臺能夠滿足設計中技術和功能指標的要求。并擬將本平臺在實際應用環境下進行現場檢測，在進一步完善軟硬件的基礎上，使其最終成為民用航空器電氣線路故障檢測的便攜式設備。

5 結語

本文針對威脅航空器飛行安全的電氣線路放電故障現象進行研究，通過對放電能量特點的解析，提出了基于ARM的放電故障紫外檢測嵌入式平臺的設計方案。并實現對各功能模塊軟硬件的設計和制作，最終完成了測試平臺的研制。

經試驗測試，本文研制的放電故障紫外檢測平臺，靈敏度較高、響應速度快且運行可靠、穩定。檢測平臺可作為一種協助民航機務工作者排除電氣線路故障隱患的設備，提高了維修工作效率。同時，也為民航飛機維護智能化建設提供了一個較好的發展方向。

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