多通道飛機地面電源波形記錄器的研究

司劍飛，張元峰，郝世勇

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

飛機地面電源是執行飛機地面機務維護、發動機地面起動等工作過程中重要的地面支持設備[1]。地面電源在向飛機供電過程中，承擔著飛機主電源的功能。因此，其供電品質也必需符合飛機供電的需求。由于飛機用電設備的負載特性差別大，軍用飛機機載設備加改裝頻繁，用電設備對飛機電網供電品質的影響也日益增加。近幾年，在地面電源供電過程中，由于供電品質下降造成飛機起動失敗、機載設備死機、重啟甚至燒毀的事件時有發生。這種故障發生后，由于故障難于復現，很難進行故障定位，故障機理無法分析，無法為后續的工作提供有效指導[2-3]。許多地面電源生產廠家也認識到以上問題，已開始在新型電源車上增加電源參數記錄裝置，但據了解，這類記錄器大多采樣基于單片機的測試方案，雖然體積小功耗低，但僅能記錄地面電源電壓、電流、頻率等穩態參數，記錄頻率最高僅為10次/秒，在地面電源工作失效時，其記錄的數據能夠起到的分析作用較為微弱，要想實現故障原因的準確分析及定位，最有效的手段就是進行電源供電波形的記錄及分析。目前，電能質量的波形記錄可以采用電能質量分析記錄儀來實現，但此類儀器大多針對50 Hz工頻供電系統設計，無法適用于航空400 Hz中頻供電系統。個別進口產品雖具備測試記錄能力，但此類產品價格昂貴，操作復雜，如果在部隊機務一線使用的話，產品操作使用的針對性不強，不具備大面積推廣使用的可行性。為此，研究設計了一種多通道飛機地面電源波形記錄器[4]，以較低的成本實現了多通道波形參數的長時間記錄，對于判斷地面電源供電品質，故障分析及定位提供了有效的檢測手段。

1 記錄器技術要求分析

軍用飛機因其機型多、技術差異大，對地面電源的要求較為復雜。目前，軍用飛機主要使用的地面電源有車載地面電源和靜止電源兩大類，這兩類電源基本都能夠提供低壓直流和中頻交流兩種類型的電能輸出，特殊型號的地面電源還能夠提供28.5 V/57 V（升壓）以及0～70 V的直流電能輸出，適應不同的飛機發動機起動需求。因此，記錄器必需滿足同時記錄交流電壓、電流，直流電壓、電流的多通道需求，電壓電流變化范圍寬，記錄時間應能覆蓋飛機地面通電檢查及起動工作的全程工作需求，此外，由于在機場暴露環境使用，記錄器還應具備較強的環境適應性。系統關鍵的技術要求如下：

1）十通道電參數記錄

三相交流電壓（0～300 V）

三相交流電流（0～200 A）

兩路直流電壓（0～100 V）

兩路直流電流（0～600 A、0～3000 A）

2）采樣方式：單通道200 kS/s，并行采集；

3）采樣分辨率：16 bit；

4）記錄時長：不低于1小時；

5）記錄器應體積小、重量輕、便攜性好；

6）記錄器應具備高低溫、濕度、抗震的能力。

2 波形記錄器的設計

2.1 總體方案設計

目前，在計算機測控領域，主要有嵌入式系統和通用計算機系統兩大類。由于任務研制周期短，為加快研發速度，采用了基于通用計算機系統的測控方案。為避免通用計算機平臺便攜性、實時性差的缺陷，采取了以PC/104計算機、PL-2346B多通道并行采集卡為核心的緊湊式計算機系統[5，6]作為硬件平臺，以Windows XP Embedded作為操作系統平臺，LabVIEW作為測試軟件的系統架構。選擇該架構的主要原因是：

1）PC/104平臺體積小、功耗低、電氣連接可靠，較為適合嚴酷環境使用；

2）PC/104平臺在較低的功耗下，具備較強的數據處理能力；

3）Windows XP Embedded嵌入式系統實時性較好，開發環境能與Windows XP桌面操作系統良好兼容，既利于記錄器的快速研發，又方便記錄數據的后期處理分析；

4）采用基于通用計算機平臺的測控系統，能夠采購并使用成熟的貨架化產品，系統的可靠性、維修性將大大提高[7-9]。

2.2 硬件實現

記錄器的硬件系統主要由霍爾交直流電流傳感器、信號調理電路、PC/104計算機、PL2346B并行多功能數據采集卡、直流電源、工業觸控顯示器、固態硬盤等部分組成。系統的硬件組成框圖見圖1所示。

圖1 記錄器硬件組成框圖

2.2.1 霍爾電流傳感器

電流檢測是記錄器的重要功能。通常情況下，電流檢測需要將電流傳感器，如分流器等串入被測線路中，顯然，在地面電源供電電纜中，不可能采取串入傳感器的方式。為此，必須采用非接觸式電流檢測。目前，非接觸器電流檢測大多利用霍爾式傳感器實現。霍爾電流傳感器的功能就是將交直流電流轉換為±10 V的電壓信號，以便板卡采集。因記錄器采取波形記錄方式，傳感器全部選擇轉換式。5路電流傳感器，3路用于三相交流電流的測量，測量范圍0～200 A；2路用于低壓直流電流的測量，測量范圍分別為0～600 A、0～3 000 A，其中，0～3 000 A傳感器主要用于能夠支持直接起動的電源車，記錄其起動電流波形，根據飛機的實際測試數據，該電流可達2 800 A左右。此外，霍爾電流傳感器必須選擇可開合式設計，方便被測電纜的直接套入。

2.2.2 電壓信號調理電路

電壓檢測也是記錄器的重要功能，既可以選擇傳感器直接調理[10]，也可以應用電路分壓。由于電壓檢測對帶寬要求高，為避免傳感器延遲，采用了電阻分壓方式，為避免電壓尖峰及異常電壓的危害，電路還應具備過壓保護和濾波功能。電路采用阻容濾波、精密電阻分壓以及快恢復型穩壓二極管實現，單通道電路原理圖見圖2所示。

圖2 單通道電壓調理電路原理圖

2.2.3 嵌入式計算機系統

嵌入式計算機系統是整套設備的核心，為實現數據的高速采樣處理，在保證性能的前提下應盡量控制體積及功耗，選擇了PC/104計算機平臺[11]。PC/104總線主要有 PC/104、PC/104-Plus和 PC/104-Express3種總線結構，分別對應通用計算機的ISA總線、PCI總線和PCI-Express總線。其中PC/104總線帶寬僅為幾十MB/s，根本無法滿足設計需求，PC/104-Express總線目前的成熟產品較少，因此，選用了PC/104-Plus平臺。該總線可提供的帶寬可以達到上百MB/s以上，可以滿足數據吞吐需求。系統的主要設備包括AD LINK的CM745單板電腦、中泰PL2346B多功能采集卡組成。其中CM745采用Intel Atom D525雙核處理器、2G內存，支持PC/104-Plus接口，可滿足大數據量吞吐需求。PL2346B采集卡具備12路16位并行采集能力，單通道最高采樣率450 k。因波形記錄對存儲速度及容量的要求高，系統中采用了一塊120G的固態硬盤作為數據記錄載體。實測固態硬盤寫入速度可接近100MB/s，基本可以滿足持續數據存儲要求[12]。

2.2.4 多路輸出直流電源

該電源用于提供傳感器、計算機、硬盤、顯示器所需的±12 V、+12 V、+5 V直流電能，滿足設備工作需求。經實際測試，整套系統最大功率不足100 W，可較好的控制記錄器的體積重量。

2.3 軟件實現

波形記錄器的硬件系統與普通計算機測控系統基本一致，但是，波形記錄對于記錄的數據完整性、數據總量的要求較高，因此，為保證記錄器在較低的硬件系統下，高速、可靠的實現長時數據記錄能力，系統采用Windows XP Embedded嵌入式系統，與通用Windows平臺的區別是，通過裁剪Windows功能模塊，降低系統的CPU占用率，提高系統的響應能力和工作穩定性。在此平臺基礎上，采用LabVIEW作為開發軟件，設計波形記錄軟件，軟件的總體流程圖見圖3 所示[13]。

圖3 軟件總體流程圖

2.3.1 波形數據格式及數據量

在LabVIEW軟件中，由板卡采集得到的數據結構為雙精度64位浮點數（DBL）[14]，該數據占用8個字節（1字節（byte）=8位（bit）），可計算出在十通道200k采樣率下，每秒采集的數據量為：

200 k（采樣率）×10（通道數）×8byte÷1024÷1024≈15.26 MB。

采樣率、采集時間與數據總量的關系見表1所示。

表1 采樣率、采集時間與數據量關系表

2.3.2 數據采集記錄工作流程

為保證記錄器記錄波形的完整性，數據采集及存儲必需同步完成。在此應用情況下，采集卡設置為軟件觸發，在記錄器設計時，利用軟件循環判斷緩沖區狀態，當達到設定的數據量時，將緩沖區的數據一次性取出并進行分析處理。

通常情況下，采樣數據緩沖區是占用操作系統內存進，為了避免硬件采集系統和操作系統緩存之間的瓶頸，在板卡的選擇上，PL2346B板卡內置8K的FIFO，可以保證軟硬件之間的同步。實際的采樣數據是根據系統設定的工作狀態，先進入硬件的FIFO，再進入操作系統內存中開辟的數據緩沖區，當滿足條件時，將數據從內存轉存入固態硬盤中，采集記錄工作的數據流程如圖4所示[15-16]。

2.3.3 數據塊的自動分割處理

如前所述，在200 k采樣率下，1min的數據量就接近1G容量，如果繼續向此數據文件追加，軟件需要頻繁打開、寫入、關閉約1G的數據文件，這必然會導致巨大的系統資源占用率，實際測試中，當連續進行數據存入時，不足幾分鐘，操作系統基本就停止響應。并且，當硬盤分區格式為FAT32格式時，單個文件不允許超過4G。因此，必需對采集生成的高達幾十G的數據文件進行處理，控制單個文件大小，提高系統響應能力。測試軟件中，在數據記錄中采用了數據分割的方式對數據文件進行存儲。通常情況下，文件分割都是根據數據文件大小進行分割，但是，在測試系統中，由于采樣率不同、被測通道數不同，會導致同一時間內生成的數據文件大小不一致。因此，采用了基于采樣時間的文件分割方式。在設定板卡工作模式時，由于緩沖區設置為采樣率的1/2，也就是說每0.5s進行一次數據存儲，每30s生成一個記錄文件，并進行編號，當手動停止或者硬盤空間不足時，停止數據采樣記錄。數據存儲的工作流程圖及文件自動分割程序見圖5（a）（b）所示。

圖5 數據存儲流程圖及文件自動分割程序

3 波形記錄器測試運行

在構建軟硬件平臺的基礎上，利用中頻電源對記錄器記錄功能進行測試，并利用軟件測試功能驗證記錄器長時工作穩定性。測試過程中，當LabVIEW在調用圖形函數或進行高級函數運算（FFT等）時，會造成單次執行速度迅速下降，因此優化程序界面，僅保留重要狀態信息。優化后，記錄記錄程序單次執行時間小于500 ms，低于單次采集0.5 s的時間要求。生成的波形文件，文件編號正確，單個文件不超過500 M，易于轉錄。利用LabVIEW軟件打開TDMS波形數據，數據波形完整，未出現異常波形失真。在測試過程的，系統未出現停止響應、死機等異常情況，系統穩定性較好，達到了設計要求。

4 結束語

采用PC/104計算機、PL2346B采集卡等設備搭建電源波形記錄器，對飛機地面電源的供電過程進行連續記錄，實現了地面電源的在線監控。本文主要介紹了記錄器的硬件選型及搭建方式，軟件的總體及關鍵流程，尤其是針對高速波形記錄造成的文件數據龐大易導致操作系統死機的問題，采用了數據塊自動分割記錄方式，控制了單個數據體積，提高了系統工作效率，也提高了數據文件的可靠性。

經過模擬測試，系統整體運行可靠穩定，后期，應研究如何進一步提高軟件系統的響應速度，避免操作系統不可控因素的影響，同時，研究優化數據文件的存儲格式，提高記錄器的工作穩定性。

參考文獻：

[1]周潔敏.飛機電氣系統[M].北京：科學出版社，2010.

[2]司劍飛，郝世勇，戰祥新.飛機地面電源供電品質在線測試系統設計[J].電子測量技術，2012，35（7）：116-118，128.

[3]趙徐成，馬俊偉，王旭昆，等.航空地面電源數據記錄儀設計[J].計算機測量與控制，2015，23（4）：1435-1437.

[4]胡肖斌.多通道實時數據采集存儲系統的設計與實現[D].太原：中北大學，2012.

[5]唐小貝，謝云開.一種基于PC/104總線的多路交流電源記錄儀的研制[J].科學技術與工程，2016，16（21）：278-283，294.

[6]李智勇，殷克功，贠永剛.電源車運行狀態參數檢測記錄儀的設計與實現[J].計算機與數字工程，2015，43（5）：922-925.

[7]鄧傳加，李兆廠.便攜式振動信號采集系統設計與實現[J].電子設計工程，2015，23（19）：18-20，23.

[8]范雪揚，高玉章，宋偉健.基于Labwindows/CVI某型飛機電源檢測系統設計[J].電子設計工程，2013，21（3）：160-162.

[9]張家貴，蓋忠偉.基于LabVIEW的中頻電源電能質量分析測試系統設計[J].電子設計工程，2014，22（22）：88-90.

[10]熊云，剡建建，寧飛，等.基于PC104總線的電子設備便攜式故障檢測儀[J].機械制造與自動化，2014，43（1）：160-162.

[11]李尊，張曉斌，蔡芃芃.基于PC/104的某飛機任務電源監控系統設計與實現[J].航空制造技術，2011（4）：85-87，91.

[12]張廣明，鄭先成，張曉斌.基于LabVIEW&DIAdem的飛機電源測試系統[J].計算機測量與控制，2016，24（4）：16-18.

[13]王輝春，李衛，謝照祥.基于LabVIEW的電能監測系統的設計研究[J].電子設計工程，2015，23（18）：130-133.

[14]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.

[15]賀有智，王大正，吳晨，等.基于FIFO存儲的高速脫機波形記錄系統[J].儀表技術與傳感器，2014（9）40-43，47.

[16]徐巧玉，李鵬，王軍委，等.便攜式數字存儲示波器的設計[J].自動化與儀表，2014，29（4）：19-22.