基于DSP的航空电源BIT系统研究与设计

张 佳

(西安航空学院 电子工程学院,西安 710077)

基于DSP的航空电源BIT系统研究与设计

张 佳

(西安航空学院 电子工程学院,西安 710077)

随着航空技术的发展，大量机载设备特别是航空仪器仪表与传动系统采用电能驱动，航空电源在现代飞行器中的作用愈发重要;作为飞机发电机与机载用电设备之间的电力枢纽，飞机二次电源的可靠性对于维持用电设备的稳定运行具有重要的意义;应用BIT技术可以实现对飞机二次电源运行状态的实时监控，然而虚警问题对BIT技术的应用造成了很大的困扰;针对某型飞机二次电源采用合理的硬件设计结合有效的检测算法可以显著改善BIT系统的虚警率，这就使操作人员能够准确掌握飞机二次电源的工作状态，及时的发现问题、减少损失。

航空电源；机内测试；TMS320F28335；CAN总线

0 引言

随着航空技术的发展，电能逐渐取代其他形式的能源—如液压能、气压能等—成为主要的驱动能源。采用电能驱动能够增加飞机设计的柔性，提高可靠性，降低保障及使用成本，减轻飞机的总重量等。此外，根据现代战争信息化作战的要求，新一代作战飞机上装备了大量的先进机载设备，这些机载设备都以电力作为能量来源。世界各国在多电飞机的设计和研发上都投入了大量的人力物力，并取得了长足进步[1]。

机内测试技术(built-in test，BIT)技术是伴随着航空技术与集成电路技术的发展应运而生的一项技术。随着航空机载设备电子化程度以及集成度、复杂度的日益提高，这增大了航空机载电子设备的故障监测与维修的难度。传统的自动化测试设备(automated test equipment, ATE)，只能完成对机载电子设备的离线监测，难以满足现代化装备的测试需求[2]。随着BIT技术的应用，可以将测试设备嵌入式安装在被测设备内部，与被测设备整合为一体，实现被测设备的实时在线监测，极大的提高装备的维修性和测试性[3]。

航空电源作为机载用电设备的动力来源，对飞机稳定运行、任务的完成具有极其重要的作用，因此机载电源的运行状态是飞机稳定运行的关键指标。将BIT技术应用到机载电源上，对于操作人员掌握机载电源的运行状态、及时发现问题、减小损失具有重要的意义。

1 航空电源BIT系统结构及工作原理

航空电源BIT系统为飞行器工作过程中电源部分的状态监控提供了方法和渠道，围绕航空电源的组成、特性和可能出现的故障对航空电源BIT系统结构和功能进行设计。

1.1 航空电源系统组成及特性

航空电源是用来产生和传输电能，以供机上各用电设备的用电，如飞控、雷达、通讯导航、机体防冰、机舱环境调节等。飞机的电源系统通常由主电源、辅助电源、二次电源等若干部分组成，各电源系统协同配合，保证机上用电设备的用电需求。

早期的飞机的主电源是24 V的低压直流电源，个别交流用电负载的电源由旋转变流机组供给。然而，随着电源容量的增加，以及飞机飞行高度和速度的提高，低压直流电源的应用受到了诸如重量、效率等多方面因素的限制。随着涡轮发动机的出现，交流电源成为应用这类发动机的飞机的主电源。交流电源采用了无刷交流发电机，直流电源从交流电网中经变压、整流、稳压后获得。20世纪80年代以前的飞机交流电源系统是通过机械恒速系统得到的，这类电源系统称为恒速恒频系统(constant speed constant frequency, CSCF)。CSCF系统可以提高额定电压，使电源系统重量减轻，并且能够适应高空、高速的飞行要求，但CSCF装置结构复杂，维护困难。到20世纪80年代，随着电力电子技术的发展，通过电力电子装置可以获取恒频的交流电，出现了变频恒速系统(variable frequency constant speed, VSCF)。VSCF系统电气性能好，重量也有所减轻，但允许的工作环境温度窄、过载能力较差、可靠性相对较低。到20世纪90年代，电力电子技术与电机控制技术进一步完善，解决了曾经困扰直流电源的诸多关键问题，飞机电源又回到了直流电源，但直流电源的容量增加到了270 V。这种高压直流电源系统因其效率、可靠性较高，且重量较轻，已成为当前战机电源系统的首选。

目前，典型的飞机电源系统如图1所示。

图1 飞机270 V高压电源系统结构图

本文以飞机二次电源为主要研究对象，分析不同因素对飞机二次电源运行状态的影响，讨论了二次电源BIT系统的实现方式，通过计算机仿真与样机实验验证了二次电源BIT系统的可靠性。

1.2 飞机二次电源故障特征分析

飞机电源是一个机械-电气强耦合的系统，因此在飞机电源可能发生的故障中，既包含电气故障又包含机械故障。总体来说，飞机电源发生故障的原因集中在3个方面：1)设计问题，可能对系统可靠性欠缺考虑；2)元器件问题，可能选用了不能达到技术指标的产品；3)制造工艺问题，可能由于工艺水平不足影响产品质量[4]。

飞机二次电源的主要作用是将主电源提供的270 V高压转换为可供用电设备直接使用的电压。飞机二次电源的连接结构如图2所示。

图2 飞机二次电源连接结构图

飞机二次电源承接了主电源发出的电压，而不与发电机机械结构发生作用，因此二次电源的故障都是电气故障。当飞机二次电源发生故障时，其输出电压以及电力电子器件(逆变器、整流器)的工作温度会按照特定的规律发生变化，因此可以将二次电源的输出电压与工作温度作为故障特征量进行故障识别。

1.3 飞机二次电源BIT系统结构与工作原理

所谓BIT系统是指内部具有故障监测、隔离或诊断的自动测试能力的系统或设备。在飞机二次电源中集成BIT技术就使其具备了自动监测故障的能力，能够实时监控飞机二次电源的运行状态，并且记录二次电源的故障信息。根据任务需求设计制作了原理样机，选用了美国得克萨斯仪器公司(TI)的TMS320F28335型号的DSP处理器作为BIT系统的主控器，其运算速度最高可达150 MHz，并且支持AD转换、I2C、CAN、SPI等几乎所有的外设接口功能。飞机二次电源BIT系统的功能分为故障监测、信息存储和信息传输三个部分[5]。飞机二次电源BIT系统结构如图3所示。

图3 飞机二次电源BIT系统结构图

2 系统硬件设计与关键技术分析

2.1 系统硬件设计

根据飞机二次电源BIT系统的结构及工作原理设计系统硬件。对照BIT系统的3个主要功能功能需求分别进行设计。

2.1.1 故障监测

根据被测信号量设计BIT系统可以分为两个功能：电压监测和温度监测。TMS320F28335型号的DSP具有16个12位的AD转换通道，能够实现高精度的电压监测和温度监测。飞机二次电源通常需要输出若干路不同幅值的电压，而TMS320F28335的AD转换功能在使用内部基准时的参考电压是3 V，外部输入的电压范围为0～3 V，因此需要根据二次电源的输出电压对其进行分压变换。

其中，分压电路采用AMC1100高精度隔离放大器，可防止共模电压线路上的噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路，保证AD转换的精度。R1、R2为分压电阻，为保证AD转换的精度，分压电路中的电阻须选用高精度电阻。

温度传感器选用ADI公司的AD590模拟温度传感器，测量精度0.5℃，测量范围-55～+150℃。为保证温度采集的准确性，温度传感器贴敷在逆变器、整流器等电源关键部位。

2.1.2 信息存储

飞机二次电源BIT系统在运行过程中监测到故障时需要将故障信息以固定格式的工作日志的形式保存下来以便后续查阅。这就需要将工作日志保存在非易失性存储器中，选用AT24C64型号的EEPROM芯片作为工作日志存储载体，该芯片存储容量为64 Kbit，通讯频率1 MHz，使用I2C总线与主控器通信。

2.1.3 信息传输

在完成故障监测与信息存储后，操作人员根据需要通过机载计算机读取实时的BIT结果以及存储的工作日志。为了保证信息传输完整可靠，同时考虑到TMS320F28335具备的外部总线功能，采用了CAN总线协议作为信息传输协议。其中，CAN总线收发器选用了SN65HVD230控制器，传输速率高达1 Mbps，并且含有许多保护特性，可确保器件和CAN网络的稳定性。

2.2 飞机二次电源BIT系统数学模型

BIT技术在航空电源中的应用对于其维修性、测试性的提高有显著的作用，同时也面临一些亟待解决的问题，首当其冲的就是虚警率高。传统的BIT系统多采用常规的直接诊断方法，通过对各物理量的直接测量来判断是否发生了故障，这种方法直观快速、成本低廉，但使用这种方法进行故障监测往往是已经发生较严重的故障，而且存在误报、漏报的情况。因此需要通过改进BIT系统的算法来提高工作效率，降低虚警率。

根据飞机二次电源的输入输出关系以及动态影响因素，可以建立如图4所示的飞机二次电源动态系统结构图。

图4 飞机二次电源动态系统结构图

其中:f(t)∈Rq为作用在电源上的待检测故障的变量；d(t)∈Rp为输出过程中的噪声变量；u(t)∈Rr为输入变量；y(t)∈Rm为输出变量。根据二次电源动态系统结构图，可以得到用状态方程表达的系统的数学模型：

(1)

其中:设x(t)是二次电源内部的状态变量；y(t)是二次电源的输出变量。g(t)与h(t)是非线性函数。

式(1)可以描述飞机二次电源内部各变量的相互作用关系，以及各变量状态变化的规律。但是，式(1)中的电源内部状态变量x(t)具有不确定性，这就使得该数学模型在一些情况下是发散的。面对这种情况，就需要通过BIT系统的输入输出关系来描述该数学模型了。采用微分方程的形式来表达每个子系统，然后根据动态系统结构图得到数学模型：

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)为微分算子；m(t)、n(t)、o(t)、q(t)为对应变量在p(t)作用下的函数变换。式(1)与式(2)组成了飞机二次电源BIT系统的两种数学模型[6]。

2.3 飞机二次电源BIT系统诊断策略分析

飞机二次电源BIT系统的可靠性体现在虚警率上。总结以往的实践经验可知造成BIT系统虚警的原因可以分为三个方面：一、电路硬件问题；二、软件设计问题；三、噪声/间歇故障。其中，电路硬件问题可以通过合理选用元器件，提高电路设计的严密性与可靠性以及提高工艺水平等措施得以解决。后两种问题可以通过选择合适的诊断算法与提高软件的健壮性解决，其中，合理选择软件诊断算法是改善BIT系统虚警率的关键。目前，常见的BIT算法类型有三种。

1)基于阈值的BIT诊断策略：基于阈值的BIT诊断策略是典型的二元假设问题，这种方法是通过设定阈值，将系统的状态划分为两个状态空间。将监测值与阈值相比较来判断系统状态，如果监测值未超出阈值，则状态正常，否则状态故障。这种方法是最常见的BIT诊断算法，也是目前应用最广泛的算法。但这种算法的缺点也很明显，其对信息的处理能力有限，并且不具备对故障的预测能力。

2)基于过程的BIT诊断策略：基于过程的BIT诊断策略是通过系统的数学模型，并且根据约束条件构造出观测器来预测系统的输出。然后将监测过程中采集到的实际测量值与预测值比较来得到故障信息。这种方法一定程度上提高了BIT系统的智能水平，但由于系统的非线性因素导致预测数学模型不精确，将会引起虚警率升高，因此使得其在实际应用中受到很大限制。

3)基于知识的BIT诊断策略：基于知识的BIT诊断策略的核心思想是通过对系统经验的不断学习来达到对系统故障的识别。应用最为普遍的是基于神经网络的BIT诊断策略。这种方法是通过可观测的系统状态与系统输出直接建立与系统故障之间的对应关系，而这种对应关系的建立需要有故障样本对BIT系统进行训练[7]。

3 系统软件设计

为了考察飞机二次电源BIT系统的性能，采用工控机替代机载计算机作为上位机进行地面实验，为此在工控机上编制了测试软件用来与DSP通信。上位机与监控模块之间采用主从通信方式，每次通信总是由上位机发起，监控模块进行应答。软件处理流程如图5所示。

图5 软件流程图

BIT系统中DSP需要处理大量的数据，为了提高系统效率和稳定性，在DSP中加入实时操作系统DSP/BIOS实现任务调度与内存管理。DSP/BIOS内核是一个可扩展的实时多任务内核，专为TMS320C6000，TMS320C55x和TMS320C28x等DSP平台而设计，并且提供标准化的API，支持快速应用迁移。DSP/BIOS内核配合外设与驱动模块能够为复杂的DSP应用提供坚实的基础，是应用最广泛的实时操作系统之一。

BIT系统软件作为主监控模块涉及到TMS320F28335的AD转换、I2C读写以及CAN总线通信三个功能。为保证系统功能的实时性，以上三个模块均配置为中断处理方式，DSP灵活的中断控制允许在每个AD转换序列结束后(EOS)以及I2C总线、CAN总线每次收/发完成后产生中断，这样可以使DSP实现类似多线程的工作方式，提高工作效率，缩短响应时间。TMS320F28335用于3个定时器，本设计中TIME0作为收发超时计数器使用，TIMER1作为周期BIT定时器，TIME2作为系统时钟调度。外设功能设计完毕后，添加至DSP/BIOS系统，这样就屏蔽了底层驱动差异，减少总线上数据响应超时不一致，数据冗余处理不一致的问题，提高维护效率，降低重复开发维护工作量。通信数据包采用非阻塞式发送，底层采用握手通信和超时重发机制，此外为了降低不必要的数据重传占用总线带宽和处理开销，数据包采用应用层应答包来判断数据是否成功达到目的节点。

4 试验结果与分析

对飞机二次电源进行地面仿真实验，考察不同诊断策略的监测效果。地面工控机作为上位机，提供270 V高压直流电模拟飞机发电机，实验条件如图6所示。

图6 地面测试实验图

向BIT监控模块中分别写入阈值诊断、过程诊断和知识诊断三种不同的算法，然后分别进行三组实验：第一组实验在不同算法条件下分别进行100次BIT测试；第二组进行200次测试，第三组进行500此测试。实验后整理各次实验的虚警率，数据如表1所示。

表1 地面实验虚警率数据 %

由数据可知，三种不同的诊断算法中，知识诊断的虚警率最低，而且随着测试次数的增加，训练样本增多，其虚警率明显下降。在BIT系统长期使用的条件下，基于神经网络算法的知识型诊断策略具有显著的优势。

5 结束语

采用TMS320F28335型号的DSP，结合其AD转换、I2C总线及CAN总线通信能力，采用中断工作的方式可以实现高效率的飞机二次电源BIT功能，实现对飞机二次电源的工作状态的实时监控。在BIT系统中采用神经网络算法可以大幅降低虚警率，提高可靠性与稳定性。对于航空、航天等对二次电源可靠性要求较高的场合具有一定的参考价值。

[1] 朱新宇,彭卫东. 多电飞机及其技术应用[J]. 中国民航飞行学院学报,2007,18(6):8-11.

[2] 刘少伟,郑文荣. BIT技术发展与应用研究[J]. 国外电子测量技术,2011,30(5):23-25，28.

[3] 同 江,蔡远文,伯 伟,等. BIT技术的发展现状与应用分析[J]. 兵工自动化,2008,27(4):5-7.

[4] 黄根全. 航空电源故障特征提取与故障诊断研究[D].西安：西北工业大学,2005.

[5] 王小朋,于 平,齐心达,等. 基于TMS320F2812的机载智能二次电源监控系统[J]. 仪表技术与传感器,2013(9):70-72.

[6] 刘 震. 智能BIT诊断方法研究及其在多电飞机电源系统中的应用[D].西安：西北工业大学,2007.

[7] 程建兴,史仪凯. 基于多传感器数据融合的飞机电源系统故障诊断[J]. 火力与指挥控制,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。

陕西省教育厅专项基金(15JK2129)；西安航空学院校级科研基金项目(2016KY1206)。

张 佳(1987-)，男，甘肃张掖人，硕士，助教,主要从事智能电源系统方向的研究。

1671-4598(2017)04-0008-04

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

TP277

A