飞机电源系统飞行试验数据高速采集及处理系统设计与实现

陈 艳，李太平，陈永碌（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）

飞机电源系统飞行试验数据高速采集及处理系统设计与实现

陈 艳，李太平，陈永碌
（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）

本文针对飞机供电特性考核的需要，设计了一套将电源系统飞行试验数据实时高速采集、解算，并连续记录的数据处理系统，在保证飞行试验数据记录的准确性和完整性的基础上，缓解了大数据记录的压力，提高了试验数据处理的效率，满足了对飞机电源系统评估的需求。

飞机电源系统；供电特性；数据实时处理

0 引言

当前，机载航空电子设备日益多样化、复杂化，飞机电源系统的供电品质直接影响航空电子设备的工作和寿命，甚至飞行安全。因此，测试飞机交、直流电源系统飞行中的工作特性参数，评估其供电特性就显得尤为重要。然而，在真实飞行试验中，电源信号复杂、多变，所需数据测试频带宽、采样率高、数据量庞大、数据处理步骤繁琐等一系列问题都严重制约了飞机电源系统飞行试验的发展。

针对上述问题，在保证飞行试验数据记录的准确性、完整性的基础上，设计了一套将电源系统飞行试验数据进行实时高速采集、解算，并连续记录的数据处理系统，以满足对飞机供电特性分析及评估的需求。

1 系统总体设计

数据实时高速采集及处理系统由瞬态电源采集模块和电源参数结算卡组成，系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

本系统采用光纤通道作为传输介质，利用光纤通道既能实现高速数据远距离传输，又能实现高压电气隔离的双重特殊优点，将电源瞬态数据采集电路集成到电压测量传感器内，有效解决模拟电压信号传输时的传输噪声、传输带宽不足、动态精度达不到国军标要求的问题。

光纤瞬态电源采集模块为高精度数字化电压传感器，通过光纤通道接口与FC201E 双通道光纤电源参数解算卡相连，采用FC201E双通道光纤电源参数解算卡实现数据的实时解算。

FC201E双通道光纤电源参数解算卡设计有两个光纤通道接口，接收来自前级光纤瞬态电源采集模块的电源采集数据。卡上FPGA芯片对接收到的电源采集数据分析处理，解算结果上传主机进行记录，主机亦可通过接口对相连的光纤瞬态电源采集模块的工作状态进行设置。

2 电源参数解算卡

电源参数解算卡的核心部分是FPGA，主要完成以下功能：

a）通过光纤向光纤瞬态电源采集模块提供采样同步信号；

b）光纤通道接口实现，接收来自光纤瞬态电源采集模块的电源采样数据；

c）时间统一功能，解析来自背板ASB总线提供的100MHz时间标记；

d）数据分析处理功能包括过零点发现、数字滤波、数字信号处理、参数解算等。

图2 瞬时采集电压波形

图3 电源系统三相交流瞬时电压波形

电源瞬态数据实时解算面临通道数多，数据量大，参数计算量大的诸多难题，若采用传统DSP技术，面临DSP片内RAM容量不够，必须用片外内存。频繁访问片外RAM将造成DSP速度大幅度下降，且单个DSP速度不足。因此本系统采用在FPGA中内嵌192个DSP解决了巨大计算量的问题。192个内嵌DSP 的FPGA数据处理优势如下：

a）FPGA逻辑控制信号处理流程节拍，每个DSP核完成一项特定的数据处理功能，时间节拍控制在FPGA中易于实现；

b）高速信号处理完全在单个芯片内完成，运行速度可高达芯片的最高工作频率；

c）片内可设计大量并行高速专用数据总线，数据处理处在并行状态下工作；

d）FPGA可方便实现硬件周期频率测量。

3 软件算法

3.1 供电特性参数计算

以交流电源系统稳态特性参数中的交流电压为例，介绍实时解算数据处理方法。图2为没有进行处理而直接进行记录的某型民用飞机的电压波形，每一周波中的瞬时数据为2500点，1秒钟共需要记录106（2500点×400周）个数据点。按照公式（1）将瞬时电压进行实时解算，每一周波中实时解算的数据为2点，1秒钟共需要记录800（2点×400周）个数据点。实时解算后的数据就可以实现飞行全程记录大大减少了数据的记录量。

采集数据采样频率不低于72kHz时电压瞬时值，按公式（1）计算相电压每一半波的方均根值，即为交流电压。

式中：

U—每一半波电压方均根值，V；

m—每一半波总采样次数，s；

i—采样序列，i=1，2，3，…，n；

ui—采样点的电压瞬时值，V。

其余供电特性参数算法参考GJB 5189-2003相应描述。

3.2 电源波形数据校正

在对电源系统瞬时波形数据进行处理时，要特别注意对过零点以及交流信号峰值的处理。结合某型民用飞机电源系统飞行试验数据对这两个参数的处理方法进行说明。

3.2.1 过零点处理

过零点作为参数计算的时间开始、结束标记，它的判定在电源系统供电品质参数计算中意义重大。电源系统电压波形如图2所示，波形在过零点处出现畸变，使过零点处的电压值上下抖动。如果用该电压波形数据直接进行电源系统供电品质参数计算，将严重影响稳态频率、频率调制幅度、电压相位差等供电品质参数的分析。以稳态频率计算为例，如果每一周波都出现图示中波形过零点畸变的情况，而又没有对波形进行处理就直接使用原始数据进行计算，则求出的稳态频率将是固定频率的两倍，不符合实际情况。

针对这种波形数据，采用线性拟合的方法求出电压波形的正、负向过零点，解决了过零点抖动的问题，也为其它供电特性参数的正确计算提供了保证。

3.2.2 峰值处理

图3为某型民用飞机电源系统三相交流瞬时电压波形。如图所示，采集得到的瞬时电压数据波形并不是标准的正弦波，在波形峰值附近，波形坡度很陡，在进行瞬时电压采集时，可能无法得到最高点实际电压，这种情况将直接影响波峰系数的解算。

本系统在对三相交流瞬时电压数据进行处理时首先对瞬时电压波形数据在同一半波内按抛物线插值法求出其峰值电压，然后再计算波峰系数计算。

4 结束语

该数据采集及处理系统在某型民用飞机的飞行试验过程中得到了充分的验证，对飞行试验中的电源数据进行实时解算后再进行记录，大大减少了记录的数据量，实现了对数据的全程记录。然而，在电源系统飞行试验中的关键状态，如加、卸载大功率用电负载或者发动机状态发生变化时，还需要联合使用事件触发记录方式对瞬时数据进行记录，确保数据原始性，便于后期电源系统各个供电特性参数的分析。

［1］沈颂华 航空航天供电系统 北京：航空航天大学出版社，2005

［2］韩晓泉 高速数据采集系统 硕士学位论文 西北工业大学，2003

［3］飞机供电特性参数测试方法 GJB 5189-2003

［4］飞机供电系统性能参数的数字式测试 HB6448-1990

High speed data acquisition and processing system for flight test data of aircraft power system

Chen Yan，Li Taiping，Chen Yonglu
（Chinese Flight Test Establishment，Xi'an.China，710089）

In this paper， the need for aircraft electric power characteristics evaluation of design a will power system flight test data real-time and high-speed acquisition， solution， and continuous recording of data processing system， guarantee based on the accuracy and completeness of the flight test data recording，easing the pressure of large data records， improve the efficiency of test data processing to meet the needs assessment for the aircraft power supply system.

aircraft power supply system； power supply characteristics； real-time data processing

陈艳（1983-），女，新疆乌鲁木齐人，硕士，现为中国飞行试验研究院试飞工程师，主要研究方向为机载试飞测试技术、电气系统试飞技术。