基于嵌入式系统的放电故障紫外检测平台

王海斌，王永虎，丁发军，钱 伟

（1.中国民航飞行学院 飞机修理厂，广汉 618307；2.中国民航飞行学院 飞行技术学院，广汉 618307）

运输航空中老龄化航空器运行情况较为普遍，寿命超过10年的航空器仍大量运行。老龄化航空器电气线路容易发生过载、过流、转换电路触点粘接、汇流条固定触点脱松等故障，严重时可诱发放电，引起电气火灾，甚至造成航空事故[1-3]。目前民用航空器中排除电气线路故障的方法有限，且存在一定的弊端[4]。本文借鉴光电测试原理，并利用ARM嵌入式技术，研制了一款高效可靠的检测设备。经测试验证后，将本检测设备投入到民航航线、定期检测中，将极大地提升飞机线路检测效率，并在一定程度上提升了我国民航机务维修技术水平。本文将结合放电故障紫外检测平台的研制过程，对平台总体设计方案、软硬件关键技术和测试结果进一步详细阐述。

1 总体方案

本文研究的基于ARM的放电故障紫外检测平台，主要适用于老龄化航空器电气线路故障导致的放电现象检测。航空器上电气线路由于受到结构空间的影响，在机体金属构架上常常布置大量通电线缆。除此之外，电子设备舱也汇集大量电源线路、屏蔽线路以及各类信号数据线路。电气线路与电子设备之间通过电气节点实现连接，电气节点在通电过程中存在着火花放电、发热等问题[5-8]。这些电气故障与其他电设备故障有着本质不同，具有一定程度的隐蔽性，难以使用一般技术检测方法实现监控。本文提出的嵌入式紫外检测平台要求在测试距离≥6 m，测试时间≤15 ms的飞机系统通电情况下，能够迅速将故障位置进行定位，为排除飞机电设备线路故障以及预防电气火灾隐患提供重要的技术支持。

检测平台总体设计是利用嵌入式技术手段，并根据实际需求研制出便携式电气线路放电故障紫外检测平台。本文把系统运行稳定且源代码公开的Linux操作系统内核与以ARM为核心的硬件平台结合起来，参考紫外探测原理，最终设计出灵敏度（S/N）高、响应时间（R/T）快、误码率（BER）低的航空器电气线路放电故障紫外检测平台。

1.1 平台设计要求

本文研制的电气线路放电故障检测平台，主要适用于民用航空器的航线、定期检查以及排除电气线路故障情况。考虑到平台适用环境，将检测平台设计要求定位如下[9]：

灵敏度（S/N） S/N指数表示检测火花放电的能力，指数越高意味着检测能力越强。本文设计要求为距故障源6 m处，S/N指数应大于10 mJ；

响应时间（R/T） 响应时间对于实时性要求较高检测对象十分重要，本文响应时间设计要求为R/T≤15 ms；

误码率（BER） 测试结果准确、可靠是检测一个系统实用价值最重要的标准，本文误码率设计要求为 BER=10-5～10-8。

1.2 平台设计方案

根据本文平台设计的技术要求，把平台定位于基于嵌入式的检测系统。在模块划分上分为检测模块和主控模块。检测模块包括供电模块、采集模块、电压处理模块和信号处理模块。主控模块包括处理器模块、按键控制模块、显示模块、存储模块和警告模块。系统总体设计如图1所示。

图1 平台总体设计Fig.1 Design for test platform

主控模块以ARM微处理器为核心，对测试信号进行实时逻辑处理，并调动其余子模块，最终为用户实现检测需要。下文将对ARM处理器及系统相关硬件的选型进行说明，软件平台在硬件平台基础上进行设计，系统硬件平台选定后，将对软件开发情况进行介绍。

2 硬件设计与实现

根据本文研究对象的设计要求，在紫外检测系统的硬件平台开发中选用TI公司生产的CortexTMA8内核的AM3358芯片作为核心处理器。该款芯片是TI公司将产品定位于工业控制MCU，是目前市场上唯一一款同时支持Linux、Android和WinCE 3个操作系统的工业级控制芯片[10-12]。

系统硬件平台设计主要包括以微处理器AM3358为核心的主控模块，以及实现光电转换的检测模块。主控模块在微处理器基础上进一步实现对外围电路设计与配置，如数据通信接口、电源供给接口以及时钟电路等。检测模块主要功能是利用采集模块实现光电转换，并对转换后的电信号进行处理，最后传输给主控模块。系统硬件平台设计如图2所示。

图2 硬件平台设计Fig.2 Design for hardware platform

硬件平台中紫外光敏管选用冷阴极充气二极管，紫外敏感波段为170～300 nm，不受可见光的影响。采用金属阴极结构，具有较高灵敏度，可迅速可靠地检测出火焰发出的微弱紫外辐射。

信号处理模块主要实现功能为当有170～300 nm紫外辐射光敏管的探测范围时，采集并放大该信号，并进行一定处理。根据上述实现功能，在设计信号处理模块时，将设计流程分为感应紫外辐射光源、采集光敏器件响应信号、实现选频、信号放大，并将噪声信号进行滤除。在进入到主控模块前，将该信号进行二次放大，并进行数字信号滤波处理，以减少随机噪声影响。该过程主要由软件程序算法来实现。信号处理模块设计流程如图3所示。

图3 信号处理模块设计流程Fig.3 Flow chart of the signal processing module

3 软件设计与实现

系统软件平台设计主要包括3个层次的设计，第一层是将嵌入式操作系统内核Linux3.2在微处理器AM3358上进行系统移植，通过对内核系统进行简化，并通过修改Makefile文件和系统Configuration文件，成功实现了Linux3.2与AM3358的结合。第二层主要是实现驱动程序设计，驱动程序是连接上层应用程序和底层硬件的桥梁。放电故障检测平台的设计中，使用了控制、显示和存储等外围设备，对于各种不同的设备映射为不同的文件。系统内核通过对调用相应的设备文件，可实现对硬件资源的操作。第三层是实现系统应用程序的设计，根据系统硬件平台设计，将应用程序分为数字滤波处理程序、数据分析和处理程序、数据存储程序和显示控制程序4个功能单元。系统软件平台设计如图4所示。

图4 系统软件平台设计Fig.4 Design for system software platform

放电故障紫外检测平台核心功能是在“数据分析和处理程序”模块中执行的。在执行该程序模块时，将接收和处理来自紫外敏感波段为170～300 nm的转换信号，通过内置程序的算法函数get_Count-Pulse（）和 get_TimePulse（）进一步判断数据信号测试结果。并将处理结果传输给显控装置，并对光电报警装置进行触发处理。数据分析和处理应用程序如图5所示。

图5 数据分析和处理应用程序流程Fig.5 Flow chart of data analysis and processing application process

4 平台整机测试及结果

针对本文研制的放电故障紫外检测平台各项性能指标，通过以下测试项目来实现平台的检测：

3.10 临近保质期食品。接近但尚未超过食品包装上标明的保质日期的食品。一般是指保质期在一年以上的、对应不低于期满之日前45天的食品；保质期在半年以上不足一年的、对应不低于期满之日前20天的食品；保质期在0天以上不足半年的、对应不低于期满之日前15天的食品；保质期在30天以上不足90天的、对应不低于期满之日前10天的食品；保质期在16天以上不足30天的、对应不低于期满之日前5天的食品；保质期在3天以上少于15天的、对应不低于期满之日前2 天的食品。

1）灵敏度性能测试

本文采用火花源为精密微型能量火花发生装置，将发生装置输出的火花能量调整至5 mJ。在距发生装置6 m处，检测平台能够检测到有火花放电现象，并显示相关参数以及启动警告装置，达到了S/N≥10 mJ的设计要求。从测试结果来看，平台灵敏度较高。

2）响应时间R/T）性能测试

平台响应时间（R/T）包括由产生电气放电现象到系统启动报警装置所消耗时间。响应时间是放电检测平台一个重要的性能技术参数，能够表征平台对放电信息的反应能力。本测试采用火花、线路短接放电和精密火花发生装置3种辐射源进行实验，随机记录15组响应时间，对15组响应时间进行分析和验证是否设计满足。响应时间数据如表1所示。

表1 平台响应时间数据表Tab.1 Response time data for platform

检测平台的15次响应时间最大539.0 μs，能够满足系统响应时间的设计要求。

经过上述实验室环境测试，可以验证本文设计的放电故障紫外检测平台能够满足设计中技术和功能指标的要求。并拟将本平台在实际应用环境下进行现场检测，在进一步完善软硬件的基础上，使其最终成为民用航空器电气线路故障检测的便携式设备。

5 结语

本文针对威胁航空器飞行安全的电气线路放电故障现象进行研究，通过对放电能量特点的解析，提出了基于ARM的放电故障紫外检测嵌入式平台的设计方案。并实现对各功能模块软硬件的设计和制作，最终完成了测试平台的研制。

经试验测试，本文研制的放电故障紫外检测平台，灵敏度较高、响应速度快且运行可靠、稳定。检测平台可作为一种协助民航机务工作者排除电气线路故障隐患的设备，提高了维修工作效率。同时，也为民航飞机维护智能化建设提供了一个较好的发展方向。

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