基于FPGA的飛機(jī)電源參數(shù)測試設(shè)備設(shè)計(jì)

【摘 要】根據(jù)某型飛機(jī)電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)需要，提出了一種基于FPGA 的飛機(jī)電源參數(shù)測試設(shè)備，用于采集測試飛機(jī)電源參數(shù)。傳感器采集電源參數(shù)，通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過FPGA 數(shù)據(jù)處理后傳送到上位機(jī)，供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。該設(shè)備的測試準(zhǔn)確度符合GJB5189-2003 的規(guī)定。

當(dāng)前，飛機(jī)上電力電子設(shè)備日益多樣化、復(fù)雜化，飛機(jī)電源系統(tǒng)的品質(zhì)直接影響飛行安全。因此在進(jìn)行飛行時(shí)，需要對飛機(jī)提供的直流電源、交流電源進(jìn)行工作特性測量，并給出其參數(shù)的基本特性和動(dòng)態(tài)特性。

對于電源瞬態(tài)特性參數(shù)，目前沒有相應(yīng)的測量設(shè)備，從而需研制專用的瞬態(tài)電源動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測量設(shè)備對其進(jìn)行測試，以滿足民機(jī)適航性試飛要求。

本設(shè)備是一種專用測試設(shè)備，主要用于飛機(jī)交、直流電網(wǎng)參數(shù)采集測試，捕獲飛機(jī)電源系統(tǒng)的負(fù)荷突變、電壓突變，然后提供給地面數(shù)據(jù)卸載及預(yù)處理系統(tǒng)，以評估被測飛機(jī)電網(wǎng)絡(luò)供電特性是否滿足相關(guān)國軍標(biāo)或設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

一、飛機(jī)電源特性參數(shù)

飛機(jī)電源系統(tǒng)是飛機(jī)上電能產(chǎn)生、調(diào)節(jié)、控制和電能變換部分的總稱。飛機(jī)電源系統(tǒng)由交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)組成，交流電源系統(tǒng)向機(jī)上交流電網(wǎng)提供115/200V,400Hz三相交流電。直流電源系統(tǒng)向機(jī)上直流網(wǎng)路提供27V 低壓直流電。

根據(jù)飛行科目要求，設(shè)備需測量飛機(jī)交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)，包括穩(wěn)態(tài)交流電壓、瞬態(tài)交流電壓、穩(wěn)態(tài)交流電流、瞬態(tài)交流電流、穩(wěn)態(tài)頻率、瞬態(tài)頻率、電壓相位差、畸變頻譜幅值、直流畸變等46 種參數(shù)。

電源參數(shù)的測試準(zhǔn)確度遵照GJB5189-2003 的規(guī)定:穩(wěn)態(tài)交、直流電壓測量在電壓為額定值時(shí)相對誤差在0.2%范圍內(nèi)，瞬態(tài)交、直流電壓測量在電壓為最大極限時(shí)相對誤差在0.5%范圍內(nèi)，交、直流電流測量在電流為額定值時(shí)相對誤差在0.8%范圍內(nèi)。

二、總體設(shè)計(jì)

飛機(jī)電源瞬態(tài)特性參數(shù)測試設(shè)備主要由嵌入式CPCIE/CPCI 計(jì)算機(jī)、4 塊12 通道數(shù)據(jù)采集卡、IRIG-B 時(shí)碼卡、 ARINC429 總線板卡、以及前端電壓、電流測量傳感器組成一個(gè)集成化、標(biāo)準(zhǔn)化的飛行電源動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測量設(shè)備。

該設(shè)備面向試飛工程師、數(shù)據(jù)處理工程師以及其它相關(guān)人員，為他們提供電源動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測試數(shù)據(jù)。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

電源瞬態(tài)特性參數(shù)測試設(shè)備包括傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、信號(hào)采集記錄器、編程加載裝置等。其中信號(hào)采集記錄器由采集機(jī)箱、控制器板卡、ARINC429 總線板卡、時(shí)碼板卡、高速數(shù)據(jù)采集板卡、可拆卸固態(tài)記錄器、顯示器及鍵盤等組成，如圖1 所示：

圖1 電源瞬態(tài)特性參數(shù)測試設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)備的輸入信號(hào)包括：電壓、電流信號(hào)，IRIG-B 時(shí)碼信號(hào)和429 總線信號(hào)。其中，機(jī)載電源的電壓、電流信號(hào)，通過傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備將實(shí)際的電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)成適合板卡的電壓信號(hào)。整套設(shè)備與機(jī)載電源隔離，不會(huì)對飛機(jī)干擾飛機(jī)正常工作。

2.2 硬件組成

傳感器主要用于交直流電流的變換，本測試設(shè)備的被測試信號(hào)包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)，電壓信號(hào)直接分壓后進(jìn)入測試設(shè)備，以增加系統(tǒng)的帶寬，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；電流信號(hào)由電流傳感器變換后進(jìn)入測試設(shè)備。

為了提高抗干擾性能和動(dòng)態(tài)性能，選用霍爾電流傳感器，將交直流電流轉(zhuǎn)換成200mA 以下的交直流小電流輸入到信號(hào)調(diào)理設(shè)備。

信號(hào)調(diào)理設(shè)備完成信號(hào)的調(diào)理，主要包括電壓信號(hào)的衰減、電流-電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換、交、直流電壓畸變信號(hào)和交流電壓直流分量的調(diào)理等功能。調(diào)理后的模擬信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采樣。

采集器為3U CPCIE 機(jī)載計(jì)算機(jī)，主要包括CPU 卡、電源數(shù)據(jù)采集卡、IRIG-B 時(shí)碼卡、429 總線卡、以及SATA 擴(kuò)展口，其組成如圖2 所示：

圖2 采集器組成結(jié)構(gòu)圖。

本采集設(shè)備主要用于捕獲飛機(jī)電源系統(tǒng)的負(fù)荷突變、電壓突變，屬于偶發(fā)現(xiàn)象，電源突變頻譜成分高，需要非常高的采樣率。

CPCI 電源數(shù)據(jù)采集卡是本設(shè)備的核心關(guān)鍵部分。選用16位高精度數(shù)據(jù)采集卡，板卡有12 個(gè)同步采樣通道，每個(gè)通道有獨(dú)立8 檔程控增益放大器、抗混迭濾波器、過零比較器、16 位A/D 轉(zhuǎn)換器和12 通道共享的內(nèi)置192 核DSP 的FPGA 芯片組成。有效提高了帶寬，滿足板上所有通道同步采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。主要功能框圖如圖3 所示：

圖3 CPCI 電源數(shù)據(jù)采集卡功能框圖。

信號(hào)經(jīng)過濾波放大之后，通過A/D 采集；采集結(jié)果進(jìn)入FPGA,FPGA 完成大部分的數(shù)據(jù)處理，將半成品數(shù)據(jù)的結(jié)果通過高速接口PCIE 總線上傳給上位機(jī)，上位機(jī)完成最后的數(shù)據(jù)處理。FPGA 的主要功能包括：光纖通道（FC）數(shù)據(jù)接收、時(shí)統(tǒng)功能、背板ASB 總線提供100MHz 的時(shí)間標(biāo)記、數(shù)據(jù)分析處理（過零點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、數(shù)字濾波、數(shù)字信號(hào)處理）、PCI-E 接口控制。

系統(tǒng)采用IRIG-B 時(shí)碼同步機(jī)制，通過以太網(wǎng)或PCM 數(shù)據(jù)將電源數(shù)據(jù)、異常事件信息發(fā)送到測試以太網(wǎng)上供地面數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)使用。

3.傳感器設(shè)計(jì)

交流、直流電壓測量傳感器設(shè)計(jì)成統(tǒng)一通用的傳感器。

傳感器輸入采樣兩個(gè)4 芯航空插頭，每個(gè)航空插頭可接一組三相交流電壓或三路直流電壓。傳感器采用28V 直流供電。

傳感器信號(hào)輸出采用光纖與采集器連接。光纖為2.5G 高速光纖2 根。1 根用于采集器向傳感器發(fā)送同步信號(hào)，另一根用于傳感器向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器通過3 個(gè)按鈕開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，開關(guān)帶鎖住功能，防止誤動(dòng)作。傳感器的設(shè)置狀態(tài)隨測試數(shù)據(jù)一起發(fā)送給采集器，連接圖如圖4 所示：

圖4 傳感器與采集器連接圖。

三、結(jié)束語

飛機(jī)電源瞬態(tài)特性參數(shù)測試設(shè)備是對飛機(jī)供電系統(tǒng)性能參數(shù)測試的主要手段，是保證飛機(jī)電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。本測試設(shè)備不僅實(shí)現(xiàn)了測量GJB5189-2003 中規(guī)定的一些需采用特殊數(shù)據(jù)采集和分析方法才能測量的參數(shù)，還可以實(shí)時(shí)紀(jì)錄多個(gè)通道的信號(hào)波形，在飛機(jī)供電特性測試時(shí)可以代替示波器、萬用表和頻譜分析儀等儀器、儀表的功能，形成了具有自動(dòng)化、開放、靈活的綜合檢測試驗(yàn)設(shè)備。