航空線纜故障單端定位方法設(shè)計與實現(xiàn)

吳冬 王宇鵬

摘要：航空線纜作為飛機能量供給及信息傳輸?shù)闹匾浇椋淇煽啃詫︼w機安全具有舉足輕重的作用。因此，文章針對現(xiàn)有航空線纜故障檢測能力與定位精度存在的問題，基于時域反射原理開發(fā)了一種適用于航空線纜布線環(huán)境下的單端故障定位系統(tǒng)。從驗證結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠快速、準確地檢測出故障位置，實現(xiàn)航空線纜故障的單端高精度定位。

關(guān)鍵詞：時域反射法;單端檢測;故障定位;航空線纜;飛機安全

中圖分類號：TN913.8? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0029-04

開放科學（資源服務(wù)） 標識碼（OSID） ：

隨著科學技術(shù)和交通運輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展，飛機已成為現(xiàn)代社會最主要的交通運輸工具。飛機上裝配的線纜作為飛機的神經(jīng)系統(tǒng)，其可靠性與飛行安全密切相關(guān)[1]。航空線纜數(shù)量多、種類雜，航空線纜使用過程中斷路、短路等故障隨著飛行時間的增加逐漸凸顯，給飛機飛行帶來極大的安全隱患[2]，因此，針對數(shù)量龐大、種類繁雜的線束線纜診斷需求，需準確高效的故障檢測與定位方法，提升線束線纜的故障檢測能力與速度。

迄今為止，對于線纜故障診斷方法的主要分為局部放電法、介質(zhì)損耗測量法及反射法[3-5]等。但局部放電法所需電壓較高，不適合低壓供電及信號線纜的檢測，且檢測過程中對線纜有一定的損害;介質(zhì)損耗測量法只能判斷線纜整體絕緣狀態(tài)，無法進行故障精準定位;此外，由于飛機線纜布線空間狹窄并高度復(fù)雜，線纜的雙端在實際環(huán)境中難以尋找，局部放電法、介質(zhì)損耗測量法等雙端檢測法不符合航空線纜的實際應(yīng)用環(huán)境。綜合考慮飛機線纜的布線環(huán)境及應(yīng)用需求，本文擬基于時域反射方法進行相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，該方法基于雷達原理，通過發(fā)送一個低壓高頻信號至待測電纜中，當檢測信號傳輸至由故障（開路和短路等） 引起的阻抗不匹配點時，會產(chǎn)生反射信號，在收集端采集遇故障點反射的反射信號，通過入射信號和反射信號之間的延遲時間來實現(xiàn)故障定位[6]。

本文的結(jié)構(gòu)如下：第一部分詳細介紹了線纜故障定位算法的設(shè)計;第二部分介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的總體設(shè)計，包括系統(tǒng)的硬件及配套軟件設(shè)計;第三部分是展示了原型系統(tǒng)驗證結(jié)果;在文章的最后一部分給出了本文的結(jié)論。

1 線纜故障定位算法設(shè)計

航空線纜故障定位基于傳統(tǒng)時域反射技術(shù)實現(xiàn)，其中入射信號與反射信號之間延遲時間的分辨率及準確性與定位精度密切相關(guān)。在時域反射原理的基礎(chǔ)上利用滑動相關(guān)算法以降低噪聲干擾對延遲時間計算的誤差，從而提高延遲時間計算的準確性。

1.1 TDR原理概述

本系統(tǒng)采用時域反射TDR（Time domain reflectometry） 技術(shù)，即時域反射技術(shù)。時域反射技術(shù)通過向線纜注入高頻的檢測信號，根據(jù)傳輸線基本理論，當檢測信號遇到故障（開路和短路等） 引起的阻抗不匹配點時，會產(chǎn)生反射信號[7]。通過其入射信號與反射信號間的時間間隔與線纜長度成正比的原理，確定線纜故障點的距離。

[l=v·Δt2] （1）

式中，[l]為測試點到線纜故障點間的距離，[v]為信號在線纜中的傳播速度，[Δt]為入射信號與反射信號之間的延遲時間。

根據(jù)行波在線纜上傳播的電磁解釋[8]可知，在頻率很高時，波速度[v]趨近于一恒定的常數(shù)，可以近似表示為：

[v=1L0C0=cμεr] （2）

式中，[L0]為傳輸線單位長度上的電感;[C0]為傳輸線單位長度上的電容;[c]為光在真空中的傳播速度;[μ]為線纜芯線周圍介質(zhì)的高頻相對磁導(dǎo)率;[εr]為線纜芯線周圍介質(zhì)的高頻相對介電常數(shù)。

由此可見，高頻時線纜中的波速度可認為只與線纜的絕緣介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，對于不同材料制成的線纜，如果其絕緣介質(zhì)相同，其波速度[v]是不變的[9]。

因此，計算出延遲時間[Δt]并將入射信號的波速度[v]帶入到公式1就可以計算出故障距離[l]。

1.2 線纜定位算法設(shè)計

根據(jù)TDR原理公式（1） ，在信號波速確定的情況下，入射信號和反射信號的延遲時間[Δt]和故障距離成正比，利用滑動相關(guān)算法計算延遲時間[Δt]，該方法誤差較小并具有一定的抗干擾性。

根據(jù)相關(guān)值理論，如圖1所示，首先將用于故障檢測的入射激勵信號截取，隨后將截取信號從故障信號（包含入射信號和反射信號） 的起始位置依次后移做相關(guān)運算，當截取信號與入射信號有重合時，相關(guān)值會變大。當截取信號的起點超過入射信號的終點[N2]（[N為采樣點個數(shù)]） ，此時相關(guān)值會變小并趨于平穩(wěn)。根據(jù)傳輸線基本理論，反射信號是入射信號的衰落信號，所以在截取的信號與反射信號有重合時，相關(guān)值也會變大，當截取的信號與反射信號完全重合時，會出現(xiàn)相關(guān)峰值。

本算法以入射信號的終點[N2]作為相關(guān)值計算的起點，截取的信號與反射信號的相關(guān)峰值對應(yīng)點作為終點，起點與終點之間平移的采樣間隔為[y]，也就是入射信號的終點[N2]到反射信號的起點為[N3]之間的距離為[y]，所以，反射信號的起點為：

[N3=N2+y] （3）

根據(jù)入射信號的起點[N1]與反射信號的起點[N3]，兩起點之間采樣間隔為：

[GAP=N3-N1] （4）

[fosc]為信號周期，所以入射信號與反射信號的延遲時間為：

[Δt=GAP*fosc] （5）

然后利用公式（1） 就可以計算出故障距離[l]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

航空線纜故障單端定位系統(tǒng)主要利用信號收發(fā)裝置用于故障檢測入射激勵信號的發(fā)射及反射信號的接收，然后通過專用數(shù)據(jù)接口將波形數(shù)據(jù)傳入到配套軟件之中，通過本文中算法對波形數(shù)據(jù)進行處理與分析，利用軟件界面顯示出故障位置、相關(guān)性等信息，實現(xiàn)線纜故障的單端精準定位。圖2展示了系統(tǒng)總體示意圖。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

故障定位系統(tǒng)硬件主要由信號發(fā)生模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)通信總線、存儲器以及電源等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)通電后，PL（Processing System） 端的信號發(fā)生模塊將產(chǎn)生的故障檢測激勵波形數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） 打入到待測線纜，檢測波形遇到故障點發(fā)生發(fā)射后，信號采集模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 將回波信號采集，并通過內(nèi)部高速數(shù)據(jù)總線將故障數(shù)據(jù)傳入到PS端的DDR緩存中，然后利用UART協(xié)議將故障數(shù)據(jù)傳入到上位機，上位機的配套軟件處理與分析故障信息，給出檢測結(jié)果，實現(xiàn)故障定位。

（1） 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊利用DMA技術(shù)向DAC寫入TDR檢測信號數(shù)據(jù)，DMA主接口使用64位的AXI接口，對系統(tǒng)內(nèi)存及PL外設(shè)間的數(shù)據(jù)交互進行處理[10]。由于其內(nèi)部具有獨立的DMA控制器用于對內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸或與外部的數(shù)據(jù)交互進行控制，因此，可在免CPU控制下進行數(shù)據(jù)傳輸[11]。DMA控制器的基本工作流程如圖4。

（2） 信號采集模塊

故障檢測激勵信號在遇到故障點反射后，經(jīng)過高速濾波器，濾除干擾信號，高速ADC用于采集故障波形數(shù)據(jù)（包含入射信號和反射信號） [12]，由于需要將ADC采集的數(shù)字檢測信號數(shù)據(jù)通過DMA技術(shù)傳輸?shù)絇L端，和信號發(fā)生模塊類似，需要添加FIFO進行跨時鐘數(shù)據(jù)處理，以解決ADC時鐘與AXI Stream時鐘頻率不匹配的問題[13]。

（3） PL和PS互聯(lián)技術(shù)

ARM處理器與FPGA之間的高速通信和數(shù)據(jù)交互主要依靠AXI總線協(xié)議，其主要對主次設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸方法進行描述，其處于PS端的ARM上，可以直接用AXI接口連接。對于邏輯編程端來說，其在實現(xiàn)邏輯語句的時候需要用到AXI協(xié)議[14]。Xilinx在Vivado開發(fā)環(huán)境里提供AXI_DMA的IP實現(xiàn)了對應(yīng)的接口，AXI_DMA為內(nèi)存與AXI Stream外設(shè)之間提供高帶寬的直接內(nèi)存訪問，其可選的Scatter/Gather功能可將CPU從數(shù)據(jù)搬移任務(wù)中解放出來。AXI_DMA實現(xiàn)從PL端AXI Stream到PS端AXI_HP之間的高速傳輸通道[15]。圖5為PL端與PS端互聯(lián)技術(shù)的原理框圖。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖6為配套軟件設(shè)計流程圖，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計通過Matlab平臺仿真實現(xiàn)，設(shè)計了配套軟件界面、線纜故障定位算法。配套軟件可靈活修改通用參數(shù)、檢測波形、線纜類型等，選擇參數(shù)后將信息輸入到線纜故障定位算法，定位算法將接收到的故障波形及計算出的故障位置傳回到軟件界面，實現(xiàn)對參數(shù)、故障波形、故障位置的直觀顯示，并且由于平臺的靈活性，可以根據(jù)實際需求，后期對算法以及一些功能的升級。

3 系統(tǒng)測試

在完成系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，利用原型系統(tǒng)對硬件與配套軟件算法進行測試，從而驗證系統(tǒng)的整體性能。

3.1 測試環(huán)境及配置

表1為此系統(tǒng)測試的基本參數(shù)：

3.2 系統(tǒng)整體性能驗證

表2為此系統(tǒng)對不同長度線纜故障的測試結(jié)果：

通過使用不同長度線纜進行測試，可以看出此系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定，誤差較小。引起誤差主要有兩方面，分別是受硬件采樣頻率、噪聲干擾導(dǎo)致的延遲時間誤差和信號傳輸過程中波速存在衰減現(xiàn)象導(dǎo)致的信號波速誤差。后續(xù)可以提高硬件的采樣頻率及設(shè)計降噪算法以減小延遲時間誤差，并采用對波速進行校準的方法減小信號波速誤差。

4 結(jié)論

本文開發(fā)了一種適用于航空線纜應(yīng)用環(huán)境下的高精度便攜故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在時域反射原理的基礎(chǔ)上，利用滑動相關(guān)定位算法降低了噪聲干擾對定位精度的計算誤差，解決了數(shù)量龐大、種類繁雜的航空線纜故障診斷難題。從原型系統(tǒng)驗證結(jié)果可看出，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、復(fù)雜度較低，故障定位誤差與線纜長度相關(guān)性較小，系統(tǒng)的魯本性較強。因此，該系統(tǒng)對于消除航空線纜故障隱患、保障航空器的安全運行具有極為重要的現(xiàn)實意義。

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【通聯(lián)編輯：梁書】