多通道飞机地面电源波形记录器的研究

司剑飞，张元峰，郝世勇

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

飞机地面电源是执行飞机地面机务维护、发动机地面起动等工作过程中重要的地面支持设备[1]。地面电源在向飞机供电过程中，承担着飞机主电源的功能。因此，其供电品质也必需符合飞机供电的需求。由于飞机用电设备的负载特性差别大，军用飞机机载设备加改装频繁，用电设备对飞机电网供电品质的影响也日益增加。近几年，在地面电源供电过程中，由于供电品质下降造成飞机起动失败、机载设备死机、重启甚至烧毁的事件时有发生。这种故障发生后，由于故障难于复现，很难进行故障定位，故障机理无法分析，无法为后续的工作提供有效指导[2-3]。许多地面电源生产厂家也认识到以上问题，已开始在新型电源车上增加电源参数记录装置，但据了解，这类记录器大多采样基于单片机的测试方案，虽然体积小功耗低，但仅能记录地面电源电压、电流、频率等稳态参数，记录频率最高仅为10次/秒，在地面电源工作失效时，其记录的数据能够起到的分析作用较为微弱，要想实现故障原因的准确分析及定位，最有效的手段就是进行电源供电波形的记录及分析。目前，电能质量的波形记录可以采用电能质量分析记录仪来实现，但此类仪器大多针对50 Hz工频供电系统设计，无法适用于航空400 Hz中频供电系统。个别进口产品虽具备测试记录能力，但此类产品价格昂贵，操作复杂，如果在部队机务一线使用的话，产品操作使用的针对性不强，不具备大面积推广使用的可行性。为此，研究设计了一种多通道飞机地面电源波形记录器[4]，以较低的成本实现了多通道波形参数的长时间记录，对于判断地面电源供电品质，故障分析及定位提供了有效的检测手段。

1 记录器技术要求分析

军用飞机因其机型多、技术差异大，对地面电源的要求较为复杂。目前，军用飞机主要使用的地面电源有车载地面电源和静止电源两大类，这两类电源基本都能够提供低压直流和中频交流两种类型的电能输出，特殊型号的地面电源还能够提供28.5 V/57 V（升压）以及0～70 V的直流电能输出，适应不同的飞机发动机起动需求。因此，记录器必需满足同时记录交流电压、电流，直流电压、电流的多通道需求，电压电流变化范围宽，记录时间应能覆盖飞机地面通电检查及起动工作的全程工作需求，此外，由于在机场暴露环境使用，记录器还应具备较强的环境适应性。系统关键的技术要求如下：

1）十通道电参数记录

三相交流电压（0～300 V）

三相交流电流（0～200 A）

两路直流电压（0～100 V）

两路直流电流（0～600 A、0～3000 A）

2）采样方式：单通道200 kS/s，并行采集；

3）采样分辨率：16 bit；

4）记录时长：不低于1小时；

5）记录器应体积小、重量轻、便携性好；

6）记录器应具备高低温、湿度、抗震的能力。

2 波形记录器的设计

2.1 总体方案设计

目前，在计算机测控领域，主要有嵌入式系统和通用计算机系统两大类。由于任务研制周期短，为加快研发速度，采用了基于通用计算机系统的测控方案。为避免通用计算机平台便携性、实时性差的缺陷，采取了以PC/104计算机、PL-2346B多通道并行采集卡为核心的紧凑式计算机系统[5，6]作为硬件平台，以Windows XP Embedded作为操作系统平台，LabVIEW作为测试软件的系统架构。选择该架构的主要原因是：

1）PC/104平台体积小、功耗低、电气连接可靠，较为适合严酷环境使用；

2）PC/104平台在较低的功耗下，具备较强的数据处理能力；

3）Windows XP Embedded嵌入式系统实时性较好，开发环境能与Windows XP桌面操作系统良好兼容，既利于记录器的快速研发，又方便记录数据的后期处理分析；

4）采用基于通用计算机平台的测控系统，能够采购并使用成熟的货架化产品，系统的可靠性、维修性将大大提高[7-9]。

2.2 硬件实现

记录器的硬件系统主要由霍尔交直流电流传感器、信号调理电路、PC/104计算机、PL2346B并行多功能数据采集卡、直流电源、工业触控显示器、固态硬盘等部分组成。系统的硬件组成框图见图1所示。

图1 记录器硬件组成框图

2.2.1 霍尔电流传感器

电流检测是记录器的重要功能。通常情况下，电流检测需要将电流传感器，如分流器等串入被测线路中，显然，在地面电源供电电缆中，不可能采取串入传感器的方式。为此，必须采用非接触式电流检测。目前，非接触器电流检测大多利用霍尔式传感器实现。霍尔电流传感器的功能就是将交直流电流转换为±10 V的电压信号，以便板卡采集。因记录器采取波形记录方式，传感器全部选择转换式。5路电流传感器，3路用于三相交流电流的测量，测量范围0～200 A；2路用于低压直流电流的测量，测量范围分别为0～600 A、0～3 000 A，其中，0～3 000 A传感器主要用于能够支持直接起动的电源车，记录其起动电流波形，根据飞机的实际测试数据，该电流可达2 800 A左右。此外，霍尔电流传感器必须选择可开合式设计，方便被测电缆的直接套入。

2.2.2 电压信号调理电路

电压检测也是记录器的重要功能，既可以选择传感器直接调理[10]，也可以应用电路分压。由于电压检测对带宽要求高，为避免传感器延迟，采用了电阻分压方式，为避免电压尖峰及异常电压的危害，电路还应具备过压保护和滤波功能。电路采用阻容滤波、精密电阻分压以及快恢复型稳压二极管实现，单通道电路原理图见图2所示。

图2 单通道电压调理电路原理图

2.2.3 嵌入式计算机系统

嵌入式计算机系统是整套设备的核心，为实现数据的高速采样处理，在保证性能的前提下应尽量控制体积及功耗，选择了PC/104计算机平台[11]。PC/104总线主要有 PC/104、PC/104-Plus和 PC/104-Express3种总线结构，分别对应通用计算机的ISA总线、PCI总线和PCI-Express总线。其中PC/104总线带宽仅为几十MB/s，根本无法满足设计需求，PC/104-Express总线目前的成熟产品较少，因此，选用了PC/104-Plus平台。该总线可提供的带宽可以达到上百MB/s以上，可以满足数据吞吐需求。系统的主要设备包括AD LINK的CM745单板电脑、中泰PL2346B多功能采集卡组成。其中CM745采用Intel Atom D525双核处理器、2G内存，支持PC/104-Plus接口，可满足大数据量吞吐需求。PL2346B采集卡具备12路16位并行采集能力，单通道最高采样率450 k。因波形记录对存储速度及容量的要求高，系统中采用了一块120G的固态硬盘作为数据记录载体。实测固态硬盘写入速度可接近100MB/s，基本可以满足持续数据存储要求[12]。

2.2.4 多路输出直流电源

该电源用于提供传感器、计算机、硬盘、显示器所需的±12 V、+12 V、+5 V直流电能，满足设备工作需求。经实际测试，整套系统最大功率不足100 W，可较好的控制记录器的体积重量。

2.3 软件实现

波形记录器的硬件系统与普通计算机测控系统基本一致，但是，波形记录对于记录的数据完整性、数据总量的要求较高，因此，为保证记录器在较低的硬件系统下，高速、可靠的实现长时数据记录能力，系统采用Windows XP Embedded嵌入式系统，与通用Windows平台的区别是，通过裁剪Windows功能模块，降低系统的CPU占用率，提高系统的响应能力和工作稳定性。在此平台基础上，采用LabVIEW作为开发软件，设计波形记录软件，软件的总体流程图见图3 所示[13]。

图3 软件总体流程图

2.3.1 波形数据格式及数据量

在LabVIEW软件中，由板卡采集得到的数据结构为双精度64位浮点数（DBL）[14]，该数据占用8个字节（1字节（byte）=8位（bit）），可计算出在十通道200k采样率下，每秒采集的数据量为：

200 k（采样率）×10（通道数）×8byte÷1024÷1024≈15.26 MB。

采样率、采集时间与数据总量的关系见表1所示。

表1 采样率、采集时间与数据量关系表

2.3.2 数据采集记录工作流程

为保证记录器记录波形的完整性，数据采集及存储必需同步完成。在此应用情况下，采集卡设置为软件触发，在记录器设计时，利用软件循环判断缓冲区状态，当达到设定的数据量时，将缓冲区的数据一次性取出并进行分析处理。

通常情况下，采样数据缓冲区是占用操作系统内存进，为了避免硬件采集系统和操作系统缓存之间的瓶颈，在板卡的选择上，PL2346B板卡内置8K的FIFO，可以保证软硬件之间的同步。实际的采样数据是根据系统设定的工作状态，先进入硬件的FIFO，再进入操作系统内存中开辟的数据缓冲区，当满足条件时，将数据从内存转存入固态硬盘中，采集记录工作的数据流程如图4所示[15-16]。

2.3.3 数据块的自动分割处理

如前所述，在200 k采样率下，1min的数据量就接近1G容量，如果继续向此数据文件追加，软件需要频繁打开、写入、关闭约1G的数据文件，这必然会导致巨大的系统资源占用率，实际测试中，当连续进行数据存入时，不足几分钟，操作系统基本就停止响应。并且，当硬盘分区格式为FAT32格式时，单个文件不允许超过4G。因此，必需对采集生成的高达几十G的数据文件进行处理，控制单个文件大小，提高系统响应能力。测试软件中，在数据记录中采用了数据分割的方式对数据文件进行存储。通常情况下，文件分割都是根据数据文件大小进行分割，但是，在测试系统中，由于采样率不同、被测通道数不同，会导致同一时间内生成的数据文件大小不一致。因此，采用了基于采样时间的文件分割方式。在设定板卡工作模式时，由于缓冲区设置为采样率的1/2，也就是说每0.5s进行一次数据存储，每30s生成一个记录文件，并进行编号，当手动停止或者硬盘空间不足时，停止数据采样记录。数据存储的工作流程图及文件自动分割程序见图5（a）（b）所示。

图5 数据存储流程图及文件自动分割程序

3 波形记录器测试运行

在构建软硬件平台的基础上，利用中频电源对记录器记录功能进行测试，并利用软件测试功能验证记录器长时工作稳定性。测试过程中，当LabVIEW在调用图形函数或进行高级函数运算（FFT等）时，会造成单次执行速度迅速下降，因此优化程序界面，仅保留重要状态信息。优化后，记录记录程序单次执行时间小于500 ms，低于单次采集0.5 s的时间要求。生成的波形文件，文件编号正确，单个文件不超过500 M，易于转录。利用LabVIEW软件打开TDMS波形数据，数据波形完整，未出现异常波形失真。在测试过程的，系统未出现停止响应、死机等异常情况，系统稳定性较好，达到了设计要求。

4 结束语

采用PC/104计算机、PL2346B采集卡等设备搭建电源波形记录器，对飞机地面电源的供电过程进行连续记录，实现了地面电源的在线监控。本文主要介绍了记录器的硬件选型及搭建方式，软件的总体及关键流程，尤其是针对高速波形记录造成的文件数据庞大易导致操作系统死机的问题，采用了数据块自动分割记录方式，控制了单个数据体积，提高了系统工作效率，也提高了数据文件的可靠性。

经过模拟测试，系统整体运行可靠稳定，后期，应研究如何进一步提高软件系统的响应速度，避免操作系统不可控因素的影响，同时，研究优化数据文件的存储格式，提高记录器的工作稳定性。

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