一种基于虚拟仪器的飞机直流供电系统模拟设备设计❋

杨 菊

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

一种基于虚拟仪器的飞机直流供电系统模拟设备设计❋

杨 菊❋❋

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

为解决在机载设备的开发及维护中飞机直流供电系统的各种极端供电模式的模拟问题，通过对飞机直流供电系统工作模式及供电逻辑的分析，提出了一种基于虚拟仪器技术的飞机直流供电系统模拟设备的实现方法。硬件系统采用基于USB总线的NI CompactDAQ模块化数据采集平台、德国E-T-A公司及美国Airpax公司的专用直流断路器，软件系统基于LabView平台，采用状态机及生产者-消费者模式架构进行设计，并提出了一种瞬间断电测试的实现方法。实际使用结果表明，所研制的设备能够真实地模拟飞机直流供电系统的各种极端供电模式，完成了瞬间断电测试，供电逻辑正常，响应快速，可靠性高，系统具有很好的扩展性。

机载设备；直流供电；虚拟仪器；瞬间断电测试

1 引言

为了满足现代飞机高可靠性的要求，以完成复杂的飞行任务并保证飞行安全，机上配置了大量的先进机载设备，品质优良的供电系统则是机载设备正常工作的前提［1］。为保证在各种情况下各机载用电设备能正常工作，飞机的供电系统配备有主电源、辅助电源、应急电源、二次电源及外部电源供电插座等，其主要功能是将飞机电源系统的电能传输并分配至机载用电设备，同时具有保证配电系统正常工作和出现故障时，防止故障蔓延扩散的控制与保护功能［2］。

在现代飞机的开发和维护过程中，如何真实地模拟飞机供电系统在各种极端情况下的工作状态，一直是亟待解决的问题。实际工程中，一般是通过人工手动操作开关来控制和模拟飞机供电系统的工作状态，但这种方式与飞机供电系统的实际工作状态有较大差异，降低了对机载设备功能实验和测试的实际意义，重要的是，有些供电系统的工作方式是无法通过人工手动操作的方式来完成，如设备的瞬间掉电等，因此，飞机直流供电系统模拟设备的研制具有重要的实际意义和应用价值。目前，国内学者主要就飞机电源系统的综合测试、地面电源的品质测试、地面电源的模型试验及飞机电源的谐波治理等方面提出了各种解决方案［1-9］，发表了相关的研究成果，但仍留有一些问题，尤其是几乎没有涉及到飞机电源地面模拟供电问题。本文提出了一种基于虚拟仪器技术和计算机测试技术的飞机直流供电系统模拟设备，操作人员通过人机交互界面，在计算机的控制下真实地模拟飞机直流供电系统的各种工作状态及设备加电控制信号，并实时监测汇流条和机载设备工作时的电压及电流值。此外，文中还提出了一种50 ms断电测试的实现方法。所研制的模拟设备系统响应速度快，检测精度高，扩展性强，具有很高的实用价值。系统的主要技术参数为：电压电流的检测精度为±15％FS，供电模式的切换时间小于2 ms，DC 28 V汇流条功率不小于3 000 W，DC 270 V汇流条功率不小于2 400 W。

2 系统总体结构及功能

直流供电系统模拟设备主要完成飞机直流供电系统对机载用电设备供电逻辑及供电状态的模拟，由上位计算机、美国NI数据采集系统、机载电源汇流条模拟器、直流断路器及固态继电器等组成，系统结构示意如图1所示。

图1 电源模拟系统组成图Fig.1 Block diagram of the power supply simulation system

上位计算机构成的主机系统是整个系统的核心控制部分，主要完成对整个系统的供电逻辑控制、电压电流的实时检测及加电控制等功能；机载电源汇流条模拟器是系统组成的关键部分，主要实现飞机直流供电系统各种供电逻辑的模拟，并接收系统主机控制命令，实现各种供电方式下对机载设备进行模拟供电。

3 硬件系统设计

硬件系统主要完成对各汇流条及负载供电、电压电流的实时检测和显示、各种不同供电模式的模拟、加电控制信号的控制等。

根据使用要求，系统共需模拟量输入64路，用于采集28 V电压和电流各24路（10路汇流条，14路负载），270 V电压和电流各8路（6路汇流条，2路负载）；用于实现汇流条供电逻辑控制的固态继电器的数字量输出共20路。为此，系统硬件系统选用了基于USB总线的NI CompactDAQ模块化数据采集平台cDAQ-9178系统，4个模入电流采集模块NI9208及1个数字量输出模块NI9477。NI CompactDAQ硬件为工作台、现场和生产线上的传感器及电子测量提供了USB接口即插即用的便利特性，实现简单、便携型应用，拥有完备的功能模块，集高性能与灵活性于一身，在小规模、简便且价位适中的系统中得到了广泛的应用。

NI9208为16通道24位4～20 mA电流输入模式的模拟量输入模块，在高精度模式下，A/D转换时间为每通道52 ms；在高速模式下，转换时间为每通道2 ms，具有测量精度高、转换速度快的特点，适合于高精度快速测量的应用场合。NI9477为32通道的漏极数字输出模块，用于控制固态继电器，输出通道的最大更新速率为8μs，传播延时为1μs，满足系统要求。

为尽可能再现机上装置环境，直流断路器选择了德国E-T-A公司的专用高性能28 V直流断路器412-K14-LN2、美国Airpax公司的270 V直流断路器IAL/IUL/IEL/LEL系列IULK111-70015-2和Crydom公司的直流固态继电器。E-T-A断路器是专门为保护设备、控制系统和电路元件，防止电路过载和电路短路引起的潜在危险而特别设计的，分断电流6 000 A。

实现不同供电模式的模拟是硬件系统的主要任务。由于飞机直流系统结构复杂，供电方式多，实现较为困难。在对现有飞机直流供电系统工作模式及供电逻辑分析的基础上，提出了一种基本供电硬件结构，而不同供电模式和供电逻辑的实现，则是由操作人员通过软件控制固态继电器来完成，其结构如图2所示。这种模式具有硬件结构简单、控制功能灵活、系统的通用性和扩展性强等特点。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Block diagram of the system hardware

4 软件系统设计

软件系统采用专业的工控开发平台LabVIEW设计出基于图形模式的人机交互接口界面，主要功能模块为28 V模拟供电系统、270 V模拟供电系统、50 ms瞬时断电试验、供电模式配置、系统参数配置及实时帮助等。软件功能框图如图3所示，其中的关键技术在于软件系统的架构及50 ms瞬时断电试验的实现。

图3 软件功能框图Fig.3 Block diagram of the system software

4.1 系统架构及50 ms瞬时断电试验

（1）系统架构

软件系统架构将直接决定系统的性能及实现的复杂度。为了以最低的复杂度代价来实现最优的软件性能，为此采用了基于OpenG社团的JKI状态机及生产者-消费者模式的架构。OpenG社团是一个优秀的LabVIEW应用项目开发团体，它的创建者是Jim Kring。OpenG是一种源代码公开的图形化编程语言。JKI状态机是一种基于字符串驱动的状态机，在系统中主要用于处理人机交互、供电逻辑的模拟控制等，电压电流的实时检测和显示则是通过生产者-消费者模式来实现，状态机与生产者-消费者结构间的数据共享是通过数据队列来完成。整个软件系统架构如图4所示。

图4 系统架构图Fig.4 Block diagram of the software framework

（2）50 ms瞬时断电试验

为了验证机载功能模块在瞬间掉电时的性能，需要模拟电源系统提供瞬时断电试验。瞬时断电试验是实际工程中长期未能解决的问题，其关键在于如何实现高精度的50 ms断电。这主要涉及到两方面的精度：一是50 ms的定时精度，二是硬件动作的时间精度。要实现高精度的定时，必须使用硬件定时器。本系统基于资金投入及尝试的原则，采用了软件定时加固态继电器的实现方案，通过while循环、定时模块、移位寄存器及条件逻辑等来实现，条件逻辑框中完成对汇流条的加电和断电控制。程序结构图如图5所示。

图5 瞬时断电试验程序结构Fig.5 Program structure of instantaneous power failure test

4.2 软件功能

（1）28 V和270 V模拟供电

模拟供电提供两种工作方式：模式工作方式和设置工作方式，可通过面板上的工作方式开关进行简单切换。模式工作方式下，系统按照预先定义的供电逻辑控制相应的固态继电器，以实现不同模式的供电，工作过程中不能改变某个固态继电器的工作状态。但可以通过供电方式选择，在不同的供电逻辑间转换。在任何一种供电模式下，均可以通过工作方式开关转换到设置工作模式。在设置工作方式下，可以通过面板上电压电流显示表下的控制开关，单独地对某个特定的固态继电器进行控制。当选择好固态继电器的工作状态后，按下模式更新按键，则相应的固态继电器的工作状态将立即改变。固态继电器的实际工作状态在界面的左部进行显示。当检测到的电压电流出现异常时，系统将通过不断闪烁的数显背景来提示操作人员，并同时切断设备供电，以保护设备和系统的安全。模拟供电如图6所示。

图6 28 V和270 V模拟供电Fig.6 28 V and 270 V simulation supply interface

（2）瞬时断电测试

可以完成某个汇流条的瞬时断电测试。断电时间、测试次数、间断时间等参数在测试前可通过右边的测试参数配置进行设定，然后按下开始键，系统将自动地按照设定好的测试参数进行断电测试。测试过程中的汇流条的电压电流变化值及参数值会随着测试的进行自动改变。瞬时断电测试模式的功能界面如图7所示。

图7 瞬时断电测试Fig.7 Instantaneous power failure test interface

（3）模拟供电模式配置

提供28 V和270 V供电逻辑的自由配置，配置的结果将自动地保存在系统中，以供选择。系统预先定义了几种固定的供电方式名称，各个供电模式是可以任意进行配置的。在进行某种供电逻辑配置时，可以先在供电方式下拉列表框中选择供电方式名称，此时，该供电方式的原有设置将在图上进行显示，然后用鼠标直接点击图中的开关，改变开关的状态，当所有的开关状态都设置好后，可以按下保存键，保存配置信息。28 V和270 V的配置是分别保存的。需要注意的是，与该供电方式名称相同的原有配置信息将被覆盖，因此，在保存时，就特别注意供电方式名称。模拟供电模式配置的功能界面如图8所示。

图8 模拟供电模式配置Fig.8 Simulation supply mode configuration

5 结论

本文提出了一种飞机直流电源供电模拟系统，能够真实模拟飞机直流电源的各种极端供电模式，供电逻辑正确。采用的基于JKI状态机和生产者-消费者模式的系统架构很好地处理了整个系统的人机交互、数据采集及状态显示。同时，提出了一种瞬间断电试验的实现方法，系统的实际使用情况表明该设备能够满足实际生产和开发的要求，具有很好的实用价值和扩充性。

但是，在瞬间断电试验的实现方法中采用了软件定时，难以实现高精度的定时，使得其实用性受到一定影响，可通过选用含硬件定时功能的硬件系统来完善，这有待后续作进一步研究。

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杨菊（1966—），女，四川成都人，1988年于电子科技大学获计算机科学专业学士学位，现为工程师，主要研究方向为航电系统模拟环境动态仿真及飞机电能质量控制。

YANG Ju was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1966.She received the B.S.degree in Computer Science from University of Electronic Science and Technology of China in 1988.She is now an engineer. Her research concerns avionics system environment integration simulation and aircraft power quality control.

Email：yyangju-168＠163.com

Design of a Novel Aircraft DC Power Supply Simulation Equipment Based on Virtual Instrument Technology

YANG Ju
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In order to solve the problem of simulating the DC power supply system of aircraft in a variety of extreme cases for the airborne equipment development and maintenance，an aircraft DC power supply simulation equipment system based on virtual instrument technology is proposed in this paper，based on the analysis of aircraft DC power supply system power mode and power supply logic.The hardware system is mainly composed of USB bus based Compact DAQ modular data acquisition platform of NI Company and dedicated DC circuit breakers produced by E-T-A Company and Airpax Company.The software system is designed based on LabView platform，state machine and producer-consumer model architecture.An implementation of the instantaneous power failure test is presented.The actual results show that the developed equipment can realistically simulate power supply mode of the aircraft DC power supply system，the power logic is correct，the instantaneous power failure test is completed.The power supply system features fast response time，high reliability，and good scalability. Key words：airborne equipment；DC power supply；virtual instrument；instantaneous power failure test

yyangju-168＠163.com

V242.2；TP391.9

A

1001-893X（2013）05-0667-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.05.027

2013-03-19；

2013-04-27 Received date：2013-03-19；Revised date：2013-04-27

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yyangju-168＠163.com