NI虚拟仪器+STM32F的飞机供配电监控系统设计

（中国民航大学 工程技术训练中心，天津300300）

飞机供配电系统作为飞机重要的系统之一，主要由电源、各级汇流条、分配控制单元等组成。根据机载用电设备需求，通过分配控制单元，完成对各级汇流条的电能到机载用电设备的电源分配[1]。飞机机载电气设备的多样化、智能化、复杂化，为飞机供配电技术带来新的技术难点和挑战。为了更好地满足对机载电气设备用电需求的准确化、智能化、最优化分配，就必须保证飞机供配电系统安全、可靠、长寿命运行。

在此，从系统管理的角度出发，依据飞机供配电系统特性和检测要求，基于预测与健康管理维护策略思想，采用NI虚拟仪器+STM32F 结合的双处理器控制方式，建立了监控系统实时数据和运行状态管理平台，实现供配电系统故障快速诊断和准确定位，为制定有效的维修决策提供依据。该监控系统实时性强、可靠性高，能快速全面地诊断系统故障，可为飞机供配电系统设计和维护提供一定的技术指导，实用价值高。

1 飞机供配电系统功能描述

飞机供配电系统作为飞机机载设备中的“血液”部分，完成向所有飞机用电设备的电源分配，对飞机的安全与可靠运行发挥着不可替代的作用。配电系统根据飞机机载用电设备用电需求，结合电源系统电能质量，定向准确地将电源分配给用电设备[2-3]。当飞机电源系统某一部分出现异常，或配电装置不能执行分配功能，势必会影响到飞机整体飞行安全，所以飞行机组人员和地面维护工程技术人员都需要依靠对电源质量和配电装置运行状态持续监测，来实现飞机安全运行。

在此以波音737NG 飞机为设计模型，通过分析该机型电源类型、配电控制方式以及配电装置等特点，结合飞机电源检测标准和测试要求，采用双处理器检测手段，完成对供配电系统运行状态的实时监控。737NG 飞机供配电系统结构如图1所示。

图1 737NG 飞机供配电系统结构Fig.1 Structure of power supply and distribution system for 737NG aircraft

2 NI虚拟仪器+STM32F的供配电监控系统设计

2.1 飞机供配电系统检测参数定义

1）飞机供电系统检测参数 主要包括左、右主发电机、APU 发电机以及机载电瓶对应的输出参数。为了更好地描述各发电机输出电能质量和运行状态，需选取能表征其性能的关键参数[4-6]。机载电源主要检测参数类型见表1。

2）飞机配电装置检测参数 主要包括不同大小功率的断路器、接触器、继电器等。根据各类器件电气特性[7]，飞机典型配电装置检测参数定义见表2。

表1 飞机机载电源主要检测参数类型Tab.1 Main test parameter types of aircraft electrical power

表2 飞机典型配电装置检测参数Tab.2 Test parameters of typical power distribution device

2.2 飞机供配电监控系统设计

以波音737NG 飞机的供配电系统为监控对象，根据供配电系统其系统运行特点，将电源质量部分和配电装置运行状态部分采用不同的硬件处理单元进行独立设计，电源质量部分由NI-PCI-6143虚拟仪器完成数据采集，配电装置运行状态则采用STM32F429微处理器来实现，采用LABVIEW 软件实现人机交互界面设计，通过RS-485 数据总线进行数据交互。所设计的监控系统具备以下主要功能：①可实时监控电源供电质量，自动识别配电装置型号、运行状态；②完成数据自动测试、分析、上传、存储及管理；③根据分析结果给出建议性维修策略；④具备系统自检、自动断电保护及报警等辅助功能。

根据监控系统的具体功能，给出其总体设计，如图2所示。由图可见，监控系统由硬件部分（下位机）和软件部分（上位机）两大部分组成。其中，硬件部分包括双处理器控制模块、信号处理模块、数据采集模块、电源模块、驱动模块、数据通信模块；软件部分包括实时数据显示模块、数据分析与管理模块以及自动保护模块。

2.2.1 硬件系统设计

图2 监控系统总体设计Fig.2 Overall design of monitoring system

NI-PCI-6143虚拟仪器电源质量检测模块主要包括信号调理电路、同步数据采集单元及传感器三部分。由传感器分别从左、右主发电机、APU 发电机及机载电瓶的输出电源插头处采集对应的电压、电流信号，经信号调理电路进行调理，将调理后的电压、电流信号传输给同步数据采集中心，最后经过数据总线上传给上位机进行数据管理。硬件设计功能如图3所示。

图3 NI-PCI-6143 硬件设计功能Fig.3 Design function of NI-PCI-6143

信号调理电路主要负责将传感器采集的交流115 V，直流28 V的电压值，以及小于等于50 A的电流值，调理成能被数据采集单元接收的输入电压范围±10 V。传感器采集的电压、电流信号先降压处理，经OP37 芯片进行整定计算，然后输入给NI/PCI-6143 进行采集处理。交流电压115 V，400 Hz 信号调理电路如图4所示。

数据采集单元根据飞机电源供电特性，依据ISO 1540-2006，GJB 181A—2003，GJB 5189—2003等质量检测相关标准等要求，采集电源电压、电流需要采用多路同步采样方式，同步采样通道不能少于6 路。NI-PCI-6143虚拟仪器拥有强大的总体设备处理能力，8 路同步采样模拟输入，16 位分辨率，高达250 kS/s 采样速率，即插即用的USB 总线多功能DAQ模块，极大的满足了电源质量检测需求[8-9]。

图4 交流电压信号调理电路Fig.4 Circuit of AC voltage signal conditioning

STM32F429 配电装置监控模块硬件设计主要包括信号调理电路、STM32F429 微处理器单元、数据采集与存储单元、电源单元等四部分。

①信号调理电路 信号调理主要将各个配电装置，如继电器（接触器）线圈电阻、触点压降等信号调理到采集电路的正常幅值范围内。部分信号调理电路设计如图5所示。

图5 部分信号调理电路Fig.5 Partial signal conditioning circuit

②微处理器单元 意法半导体公司推出的高性能STM32F429 芯片，将微处理器MCU 与数字信号处理DSP 完美结合，工作频率最高可达180 MHz，具有高速度模数转换器ADC 以及浮点运算等功能，片内自带512 kB 高速Flash 程序存储器和丰富的I/O 接口配置资源，为配电装置监控系统提供了良好的硬件开发环境，极大地满足了测试和评估需求[10-13]。

③数据采集与存储单元为满足不同配电装置多路同步高速采集要求，根据不同器件工作特性和测试参数需求，选择EP4CE6E22C8N型FPGA 芯片作为逻辑控制与计算单元，完成系统同步采样和数据存储。继电器触点压降采集设计如图6所示。

图6 继电器触点压降采集电路设计Fig.6 Design of relay contact voltage drop acquisition

④电源单元为适应配电装置采集参数的多样性，外部电源采用模拟稳压电源、数字电源和程控负载电源混合供电，电源电压输出为9～24 V。由于不同的芯片采用不同的电源类型进行独立供电，且要求各电源之间互不干扰，电路设计采用了AMS1117系列3.3 V 稳压器分别为数字芯片和模拟电路供电；LM404系列的2.5 V 精准电源为AD 采样芯片供电。

2.2.2 软件系统设计软件系统设计主要有两部分，上位机软件和下位机软件。

上位机软件的主要功能是将NI/PCI-6143 数据采集卡与STM32F429 微处理器处理的数据进行管理，由监控系统实时参数显示模块和数据分析与管理模块组成。

监控系统实时参数显示模块主要用于电源供电模式的人工配置、配电装置的参数设置与调整、负载参数配置等，并将相应指令到下位机；将NIPCI-6143 数据采集卡采集的数据进行数据处理与功能运算，且将运算结果以图形化的形式进行显示；接收和显示STM32F429 微处理器所测得的配电装置工作运行状态结果。电源供电模式及负载参数配置子界面如图7所示。

图7 电源供电模式及负载参数配置子界面Fig.7 Sub interface of power supply mode and load parameter configuration

数据分析与管理模块将下位机采集的数据进行打包、分析，归纳和整理，分为电源质量数据包和配电装置数据包，并将各对应数据包按照数据属性进行分类，按照对系统性能的影响进行分级管理，最后将数据分析结果以EXCEL 报表形式进行保存。

下位机软件设计主要针对STM32F429 微处理器逻辑功能控制和数据采集处理部分展开，采用Keil C 编程语言和MDK 编译环境，基于模块化程序编程思想，完成接收和处理上位机下传的控制指令，负责各硬件电路模块的逻辑控制、采集数据的功能计算等，并上传测试数据到上位机进行存储和显示。

3 试验数据结果分析

该监控系统由90 kVA 发电机拖动机组和60 kVA的地面静变电源组成交流电源系统，为监控系统提供交流用电源，10 kW的TRU 通过变压整流为监控系统提供直流电源。以波音737NG 飞机供配电网络为模型，模拟该机型部分电气负载配电需求，以外部灯光、燃油泵控制作为实际用电负载为例，所需配电装置由断路器、接触器、继电器、回路二极管组成。

根据波音B737NG 外部灯光和燃油泵系统运行分析，外部灯光、燃油增压泵可以由左右主发、APU和地面电源通过汇流条之间的相互切换提供电源。双发正常供电时的监控系统运行状态如图8所示。

图8所示运行状态中，使用了绿色图形来表示电网相应配置部件、装置、汇流条正常运行状态；灰色和红色部分表示不能正常工作或失电状态。由图可见，该运行状态由GEN1GEN2 分别通过相应的配电装置给对应的汇流条正常供电。监控系统参数报表见表3，通过该报表不仅能实时监控到当前电源的实时输出参数和内部工作状态，还能同时监控到对应配电网络中相应的配电装置的运行状态；当电源不能正常供电、配电回路及配电装置异常时，还能及时通过报表参数进行保护，进一步判断故障发生类型、故障形式，为后期维护、维修决策提供数据支撑。

图8 双发正常供电下监控系统的运行状态Fig.8 Operation status of monitoring system under dual normal power supply

表3 监控系统参数报表Tab.3 Monitoring system parameter report

4 结语

设计出全面的供配电监控系统是满足对机载电气设备用电需求的准确化、智能化、最优化分配的有效途径之一。在此，以波音737NG 供配电系统为研究对象，依据其系统特性和具体监控要求，采用NI虚拟仪器+STM32F 结合的双处理器控制方式，设计了电源供电、负载配电装置实时监控系统；从系统管理的角度出发，建立了监控系统实时数据和运行状态管理中心。试验结果表明，该监控系统实时性强、可靠性高，可实现供配电系统故障快速诊断和准确定位，为飞机供配电系统设计和维护提供一定的技术指导。