基于FPGA的飛機(jī)電源參數(shù)測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

【摘 要】根據(jù)某型飛機(jī)電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)需要，提出了一種基于FPGA 的飛機(jī)電源參數(shù)測(cè)試設(shè)備，用于采集測(cè)試飛機(jī)電源參數(shù)。傳感器采集電源參數(shù)，通過(guò)光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過(guò)FPGA 數(shù)據(jù)處理后傳送到上位機(jī)，供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。該設(shè)備的測(cè)試準(zhǔn)確度符合GJB5189-2003 的規(guī)定。

　　當(dāng)前，飛機(jī)上電力電子設(shè)備日益多樣化、復(fù)雜化，飛機(jī)電源系統(tǒng)的品質(zhì)直接影響飛行安全。因此在進(jìn)行飛行時(shí)，需要對(duì)飛機(jī)提供的直流電源、交流電源進(jìn)行工作特性測(cè)量，并給出其參數(shù)的基本特性和動(dòng)態(tài)特性。

　　對(duì)于電源瞬態(tài)特性參數(shù)，目前沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備，從而需研制專用的瞬態(tài)電源動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測(cè)量設(shè)備對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以滿足民機(jī)適航性試飛要求。

　　本設(shè)備是一種專用測(cè)試設(shè)備，主要用于飛機(jī)交、直流電網(wǎng)參數(shù)采集測(cè)試，捕獲飛機(jī)電源系統(tǒng)的負(fù)荷突變、電壓突變，然后提供給地面數(shù)據(jù)卸載及預(yù)處理系統(tǒng)，以評(píng)估被測(cè)飛機(jī)電網(wǎng)絡(luò)供電特性是否滿足相關(guān)國(guó)軍標(biāo)或設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

　　一、飛機(jī)電源特性參數(shù)

　　飛機(jī)電源系統(tǒng)是飛機(jī)上電能產(chǎn)生、調(diào)節(jié)、控制和電能變換部分的總稱。飛機(jī)電源系統(tǒng)由交流電源系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)組成，交流電源系統(tǒng)向機(jī)上交流電網(wǎng)提供115/200V,400Hz三相交流電。直流電源系統(tǒng)向機(jī)上直流網(wǎng)路提供27V 低壓直流電。

　　根據(jù)飛行科目要求，設(shè)備需測(cè)量飛機(jī)交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)，包括穩(wěn)態(tài)交流電壓、瞬態(tài)交流電壓、穩(wěn)態(tài)交流電流、瞬態(tài)交流電流、穩(wěn)態(tài)頻率、瞬態(tài)頻率、電壓相位差、畸變頻譜幅值、直流畸變等46 種參數(shù)。

　　電源參數(shù)的測(cè)試準(zhǔn)確度遵照GJB5189-2003 的規(guī)定:穩(wěn)態(tài)交、直流電壓測(cè)量在電壓為額定值時(shí)相對(duì)誤差在0.2%范圍內(nèi)，瞬態(tài)交、直流電壓測(cè)量在電壓為最大極限時(shí)相對(duì)誤差在0.5%范圍內(nèi)，交、直流電流測(cè)量在電流為額定值時(shí)相對(duì)誤差在0.8%范圍內(nèi)。

　　二、總體設(shè)計(jì)

　　飛機(jī)電源瞬態(tài)特性參數(shù)測(cè)試設(shè)備主要由嵌入式CPCIE/CPCI 計(jì)算機(jī)、4 塊12 通道數(shù)據(jù)采集卡、IRIG-B 時(shí)碼卡、 ARINC429 總線板卡、以及前端電壓、電流測(cè)量傳感器組成一個(gè)集成化、標(biāo)準(zhǔn)化的飛行電源動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測(cè)量設(shè)備。

　　該設(shè)備面向試飛工程師、數(shù)據(jù)處理工程師以及其它相關(guān)人員，為他們提供電源動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　2.1 總體結(jié)構(gòu)

　　電源瞬態(tài)特性參數(shù)測(cè)試設(shè)備包括傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、信號(hào)采集記錄器、編程加載裝置等。其中信號(hào)采集記錄器由采集機(jī)箱、控制器板卡、ARINC429 總線板卡、時(shí)碼板卡、高速數(shù)據(jù)采集板卡、可拆卸固態(tài)記錄器、顯示器及鍵盤等組成，如圖1 所示：

圖1 電源瞬態(tài)特性參數(shù)測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

　　本設(shè)備的輸入信號(hào)包括：電壓、電流信號(hào)，IRIG-B 時(shí)碼信號(hào)和429 總線信號(hào)。其中，機(jī)載電源的電壓、電流信號(hào)，通過(guò)傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備將實(shí)際的電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)成適合板卡的電壓信號(hào)。整套設(shè)備與機(jī)載電源隔離，不會(huì)對(duì)飛機(jī)干擾飛機(jī)正常工作。

2.2 硬件組成

　　傳感器主要用于交直流電流的變換，本測(cè)試設(shè)備的被測(cè)試信號(hào)包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)，電壓信號(hào)直接分壓后進(jìn)入測(cè)試設(shè)備，以增加系統(tǒng)的帶寬，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；電流信號(hào)由電流傳感器變換后進(jìn)入測(cè)試設(shè)備。

　　為了提高抗干擾性能和動(dòng)態(tài)性能，選用霍爾電流傳感器，將交直流電流轉(zhuǎn)換成200mA 以下的交直流小電流輸入到信號(hào)調(diào)理設(shè)備。

　　信號(hào)調(diào)理設(shè)備完成信號(hào)的調(diào)理，主要包括電壓信號(hào)的衰減、電流-電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換、交、直流電壓畸變信號(hào)和交流電壓直流分量的調(diào)理等功能。調(diào)理后的模擬信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采樣。

　　采集器為3U CPCIE 機(jī)載計(jì)算機(jī)，主要包括CPU 卡、電源數(shù)據(jù)采集卡、IRIG-B 時(shí)碼卡、429 總線卡、以及SATA 擴(kuò)展口，其組成如圖2 所示：

圖2 采集器組成結(jié)構(gòu)圖。