航空线缆故障单端定位方法设计与实现

吴冬 王宇鹏

摘要：航空线缆作为飞机能量供给及信息传输的重要媒介，其可靠性对飞机安全具有举足轻重的作用。因此，文章针对现有航空线缆故障检测能力与定位精度存在的问题，基于时域反射原理开发了一种适用于航空线缆布线环境下的单端故障定位系统。从验证结果可以看出，该系统能够快速、准确地检测出故障位置，实现航空线缆故障的单端高精度定位。

关键词：时域反射法;单端检测;故障定位;航空线缆;飞机安全

中图分类号：TN913.8      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）25-0029-04

开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

随着科学技术和交通运输系统的不断发展，飞机已成为现代社会最主要的交通运输工具。飞机上装配的线缆作为飞机的神经系统，其可靠性与飞行安全密切相关[1]。航空线缆数量多、种类杂，航空线缆使用过程中断路、短路等故障随着飞行时间的增加逐渐凸显，给飞机飞行带来极大的安全隐患[2]，因此，针对数量庞大、种类繁杂的线束线缆诊断需求，需准确高效的故障检测与定位方法，提升线束线缆的故障检测能力与速度。

迄今为止，对于线缆故障诊断方法的主要分为局部放电法、介质损耗测量法及反射法[3-5]等。但局部放电法所需电压较高，不适合低压供电及信号线缆的检测，且检测过程中对线缆有一定的损害;介质损耗测量法只能判断线缆整体绝缘状态，无法进行故障精准定位;此外，由于飞机线缆布线空间狭窄并高度复杂，线缆的双端在实际环境中难以寻找，局部放电法、介质损耗测量法等双端检测法不符合航空线缆的实际应用环境。综合考虑飞机线缆的布线环境及应用需求，本文拟基于时域反射方法进行相关系统设计与开发，该方法基于雷达原理，通过发送一个低压高频信号至待测电缆中，当检测信号传输至由故障（开路和短路等） 引起的阻抗不匹配点时，会产生反射信号，在收集端采集遇故障点反射的反射信号，通过入射信号和反射信号之间的延迟时间来实现故障定位[6]。

本文的结构如下：第一部分详细介绍了线缆故障定位算法的设计;第二部分介绍了系统实现的总体设计，包括系统的硬件及配套软件设计;第三部分是展示了原型系统验证结果;在文章的最后一部分给出了本文的结论。

1 线缆故障定位算法设计

航空线缆故障定位基于传统时域反射技术实现，其中入射信号与反射信号之间延迟时间的分辨率及准确性与定位精度密切相关。在时域反射原理的基础上利用滑动相关算法以降低噪声干扰对延迟时间计算的误差，从而提高延迟时间计算的准确性。

1.1 TDR原理概述

本系统采用时域反射TDR（Time domain reflectometry） 技术，即时域反射技术。时域反射技术通过向线缆注入高频的检测信号，根据传输线基本理论，当检测信号遇到故障（开路和短路等） 引起的阻抗不匹配点时，会产生反射信号[7]。通过其入射信号与反射信号间的时间间隔与线缆长度成正比的原理，确定线缆故障点的距离。

[l=v·Δt2] （1）

式中，[l]为测试点到线缆故障点间的距离，[v]为信号在线缆中的传播速度，[Δt]为入射信号与反射信号之间的延迟时间。

根据行波在线缆上传播的电磁解释[8]可知，在频率很高时，波速度[v]趋近于一恒定的常数，可以近似表示为：

[v=1L0C0=cμεr] （2）

式中，[L0]为传输线单位长度上的电感;[C0]为传輸线单位长度上的电容;[c]为光在真空中的传播速度;[μ]为线缆芯线周围介质的高频相对磁导率;[εr]为线缆芯线周围介质的高频相对介电常数。

由此可见，高频时线缆中的波速度可认为只与线缆的绝缘介质的参数有关，对于不同材料制成的线缆，如果其绝缘介质相同，其波速度[v]是不变的[9]。

因此，计算出延迟时间[Δt]并将入射信号的波速度[v]带入到公式1就可以计算出故障距离[l]。

1.2 线缆定位算法设计

根据TDR原理公式（1） ，在信号波速确定的情况下，入射信号和反射信号的延迟时间[Δt]和故障距离成正比，利用滑动相关算法计算延迟时间[Δt]，该方法误差较小并具有一定的抗干扰性。

根据相关值理论，如图1所示，首先将用于故障检测的入射激励信号截取，随后将截取信号从故障信号（包含入射信号和反射信号） 的起始位置依次后移做相关运算，当截取信号与入射信号有重合时，相关值会变大。当截取信号的起点超过入射信号的终点[N2]（[N为采样点个数]） ，此时相关值会变小并趋于平稳。根据传输线基本理论，反射信号是入射信号的衰落信号，所以在截取的信号与反射信号有重合时，相关值也会变大，当截取的信号与反射信号完全重合时，会出现相关峰值。

本算法以入射信号的终点[N2]作为相关值计算的起点，截取的信号与反射信号的相关峰值对应点作为终点，起点与终点之间平移的采样间隔为[y]，也就是入射信号的终点[N2]到反射信号的起点为[N3]之间的距离为[y]，所以，反射信号的起点为：

[N3=N2+y] （3）

根据入射信号的起点[N1]与反射信号的起点[N3]，两起点之间采样间隔为：

[GAP=N3-N1] （4）

[fosc]为信号周期，所以入射信号与反射信号的延迟时间为：

[Δt=GAP*fosc] （5）

然后利用公式（1） 就可以计算出故障距离[l]。

2 系统总体设计

航空线缆故障单端定位系统主要利用信号收发装置用于故障检测入射激励信号的发射及反射信号的接收，然后通过专用数据接口将波形数据传入到配套软件之中，通过本文中算法对波形数据进行处理与分析，利用软件界面显示出故障位置、相关性等信息，实现线缆故障的单端精准定位。图2展示了系统总体示意图。

2.1 系统硬件设计

故障定位系统硬件主要由信号发生模块、信号采集模块、数据通信总线、存储器以及电源等，其结构如图3所示。系统的工作原理为：系统通电后，PL（Processing System） 端的信号发生模块将产生的故障检测激励波形数据通过数模转换器（DAC） 打入到待测线缆，检测波形遇到故障点发生发射后，信号采集模块通过模数转换器（ADC） 将回波信号采集，并通过内部高速数据总线将故障数据传入到PS端的DDR缓存中，然后利用UART协议将故障数据传入到上位机，上位机的配套软件处理与分析故障信息，给出检测结果，实现故障定位。

（1） 信号发生模块

信号发生模块利用DMA技术向DAC写入TDR检测信号数据，DMA主接口使用64位的AXI接口，对系统内存及PL外设间的数据交互进行处理[10]。由于其内部具有独立的DMA控制器用于对内存间的数据传输或与外部的数据交互进行控制，因此，可在免CPU控制下进行数据传输[11]。DMA控制器的基本工作流程如图4。

（2） 信号采集模块

故障检测激励信号在遇到故障点反射后，经过高速滤波器，滤除干扰信号，高速ADC用于采集故障波形数据（包含入射信号和反射信号） [12]，由于需要将ADC采集的数字检测信号数据通过DMA技术传输到PL端，和信号发生模块类似，需要添加FIFO进行跨时钟数据处理，以解决ADC时钟与AXI Stream时钟频率不匹配的问题[13]。

（3） PL和PS互联技术

ARM处理器与FPGA之间的高速通信和数据交互主要依靠AXI总线协议，其主要对主次设备间的数据传输方法进行描述，其处于PS端的ARM上，可以直接用AXI接口连接。对于逻辑编程端来说，其在实现逻辑语句的时候需要用到AXI协议[14]。Xilinx在Vivado开发环境里提供AXI_DMA的IP实现了对应的接口，AXI_DMA为内存与AXI Stream外设之间提供高带宽的直接内存访问，其可选的Scatter/Gather功能可将CPU从数据搬移任务中解放出来。AXI_DMA实现从PL端AXI Stream到PS端AXI_HP之间的高速传输通道[15]。图5为PL端与PS端互联技术的原理框图。

2.2 系统软件设计

如图6为配套软件设计流程图，本系统的软件设计通过Matlab平台仿真实现，设计了配套软件界面、线缆故障定位算法。配套软件可灵活修改通用参数、检测波形、线缆类型等，选择参数后将信息输入到线缆故障定位算法，定位算法将接收到的故障波形及计算出的故障位置传回到软件界面，实现对参数、故障波形、故障位置的直观显示，并且由于平台的灵活性，可以根据实际需求，后期对算法以及一些功能的升级。

3 系统测试

在完成系统总体设计的基础上，搭建系统测试环境，利用原型系统对硬件与配套软件算法进行测试，从而验证系统的整体性能。

3.1 测试环境及配置

表1为此系统测试的基本参数：

3.2 系统整体性能验证

表2为此系统对不同长度线缆故障的测试结果：

通过使用不同长度线缆进行测试，可以看出此系统性能较为稳定，误差较小。引起误差主要有两方面，分别是受硬件采样频率、噪声干扰导致的延迟时间误差和信号传输过程中波速存在衰减现象导致的信号波速误差。后续可以提高硬件的采样频率及设计降噪算法以减小延迟时间误差，并采用对波速进行校准的方法减小信号波速误差。

4 结论

本文开发了一种适用于航空线缆应用环境下的高精度便携故障定位系统。该系统在时域反射原理的基础上，利用滑动相关定位算法降低了噪声干扰对定位精度的计算误差，解决了数量庞大、种类繁杂的航空线缆故障诊断难题。从原型系统验证结果可看出，该系统性能稳定、复杂度较低，故障定位误差与线缆长度相关性较小，系统的鲁本性较强。因此，该系统对于消除航空线缆故障隐患、保障航空器的安全运行具有极为重要的现实意义。

参考文献：

[1] 张珍，曾卫东.航空电缆检测技术的发展与应用[J].硅谷，2012，5（4）：32.

[2] 王发麟，李志农，王娜.飞机整机线缆自动化集成检测技术研究现状和发展[J].航空制造技术，2021，64（4）：38-49.

[3] 杨琪.一种XLPE电缆局部放电在线监测技术[J].设备管理与维修，2020（18）：116-118.

[4] 龚林发，林瑞全，叶永市.一种基于改进相关函数法的介质损耗测量方法[J].电气技术，2020，21（3）：108-112，116.

[5] 尹振东，王莉，陈洪圳，等.增广时频域反射法在电缆复合故障检测中的应用[J].中国电机工程学报，2020，40（23）：7760-7773.

[6] 刘红，周国忠.线缆故障检测方法[J].计算机测量与控制，2020，28（12）：41-47.

[7] 宋建辉.基于时域反射原理的电缆测长若干关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[8] 高闯.基于TDR/SSTDR电缆故障诊断方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2019.

[9] 宋建辉，袁峰，丁振良.时域反射电缆测长中的波速特性[J].哈尔滨工业大学学报，2011，43（4）：58-62.

[10] Ahmed M A，Aljumah A，Ahmad M G.Design and implementation of a direct memory access controller for embedded applications[J].International Journal of Technology，2019，10（2）：309.

[11] 张美迪，马胜，雷元武.基于AXI协议的DMA接口的设计与验证[A].第二十一届计算机工程与工艺年会暨第七届微处理器技术论坛论文集[C].中国计算机学会，2017：10.

[12] 王培章，晋军.现代微波与天线测量技术[M].南京：东南大学出版社，2018.

[13] 胡仁杰，韩力，庄建军.电工电子实验教学建设成果集萃[M].南京：东南大学出版社，2019.

[14] 林振钰，张志杰，刘佳琪.基于ZYNQ的高清圖像显示及检测系统设计[J].计算机测量与控制，2021，29（2）：30-34，39.

[15] 乔雪原.基于ZYNQ的便携式显控终端设计与实现[J].舰船电子对抗，2021，44（2）：109-114.

【通联编辑：梁书】