飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试系统设计

孙长胜，赵宏旭，王家林

(中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300)



飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试系统设计

孙长胜，赵宏旭，王家林

(中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300)

飞机电缆屏蔽层可靠接地对飞机建立完整屏蔽环路，防止复杂电磁场对飞机内部电路产生干扰具有重要意义;因此，接地可靠性测试尤为必要;测试系统以NI CompactRIO机箱为核心，通过连接上位机、辅助电路以及测试工具搭建硬件测试平台，利用LabVIEW可视化编程语言编写控制程序;上位机程序，通过状态机实现人工交互以及系统整体逻辑控制;FPGA控制程序，用于驱动硬件完成信号的产生和采集工作;实时处理器程序，采用DMA技术与FPGA进行通讯，对辅助电路反馈的采集数据进行快速傅里叶变换提取有效信号，随后应用矢量电压电流法求解电缆屏蔽层环路阻抗;实际测量结果证明：基于LabVIEW的飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试系统能够以较高精度完成电缆屏蔽层接地可靠性测试。

人机交互接口；模式选择；矢量电压电流法；快速傅里叶变换

0 引言

飞行中的飞机在遭遇到特殊自然环境如雷电以及一定强度的物理辐射时，产生的感应电流会在飞机内部线路耦合产生电磁场，进而产生电磁干扰。这将对飞机电子控制系统产生影响，严重时，可造成飞机控制系统失效[1]。针对该问题，飞机制造厂在飞机结构上进行了初始化保护，把整个飞机结构当作地，将飞机电缆屏蔽层与飞机结构地相连，建立了屏蔽环路，如果在电缆两端都将屏蔽层接地，则使耦合产生的电流通过屏蔽地线循环回到飞机结构地，防止了因感应产生的电磁场对飞机系统内部电路的干扰。而飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试技术的研究和实施，可以提高飞机装配和制造过程中电缆装配的可靠性，在不拆下电缆的情况下，即可发现不合格的接地连接，大大提高装配效率。通过飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试技术的研究，可以为飞机初始适航和持续适航方面提供技术借鉴。

目前国际上已有的飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试设备主要有美国波音公司的环路电阻测试仪(LRT, loop resistance tester)、欧洲空客公司的TS11194设备。两者采用相同测试原理，区别主要体现在硬件设计，波音公司的环路电阻测试仪采用一体化设计理念，而空客公司的TS11194设备将控制运算模块与检测模块分开设置。而国内目前没有较成熟的飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试设备，多采用国外仪器设备进行测试。本测试系统采用一体化设计思路，通过环路阻抗测试和结点阻抗测试两种工作模式对飞机电缆屏蔽层接地可靠性进行测试。在完成预定测试功能的前提下，与国外产品比较，测试精度得到提高。

1 系统综述

测试系统初始工作在环路阻抗测试模式，通过驱动电压信号的加载、感应电流信号的采集，经辅助电路信号转换后，通过采集板卡采集，处理器运算，将运算结果显示在上位机上。若环路阻抗超过限值，则切换至结点模式，寻找故障点，从而达到检测和排故的目的。

图1 环路阻抗测试系统方框图

如图1所示，系统硬件平台主要由测试工具、辅助电路、控制平台以及上位机四部分组成。测试工具主要负责将驱动电压信号耦合到被测环路，同时感应收集由环路电压所引发的环路电流信号和结点电压信号。辅助电路主要用于对测试工具所采集的信号进行前期处理，包括电流至电压转换，差分信号至单端信号的转换，以及无失真放大等功能[2-3]。控制平台主要负责信号的生成与采集、数据处理、阻值求解，以及人工交互所涉及的按键和显示屏的控制。上位机则通过显示器引导用户进行测试模式选择以及相应参数设置，并最终输出显示测试结果。

2 硬件平台

系统测试工具主要包括一对耦合夹钳和一对探针，其中，耦合夹钳内部由两根半圆环型磁芯和四组线圈组成，用于环路阻抗测试。探针主要用于测量线缆接头的结点电阻，对结点电压进行提取。

辅助电路分别为环路电流调理电路和结点电压调理电路，由跨阻放大电路、仪表放大电路和差分放大电路组成[4-5]，对测试工具采集信号进行转化、放大，便于控制平台进行数据处理。

控制平台则以美国NI公司推出的可重新配置的嵌入式控制和采集系统NI CompactRIO硬件平台为基础, CompactRIO是一款坚固耐用、可重新配置的嵌入式系统，主要由3个部分组成—实时控制器，可重新配置的FPGA(现场可编程门阵列)，以及可热插拔的工业级I/O模块。与控制平台相匹配的模拟信号输出板卡采用具有4通道±10 V，输出分辨率为16位，其输出更新速率最高可达100 kS/s的NI-9269。模拟信号采集板卡采用具有4通道±10 V，输入分辨率为24位，采样速率最高可达50 kS/s的 NI-9239。而上位机主要用于实现人机交互功能，采用具有10.4寸TFT SVGA LED面板，搭配电阻触摸屏，嵌入式Intel ATOM D2550处理器、双核心D2550 1.86 GHz系统的研华PPC-3100工业机。

3 软件实现

3.1 系统框架

系统的软件设计主要基于NI LabVIEW图形化编程环境，对实时处理器和FPGA分别进行编辑。整体程序框图如图2所示，主要分为上位机模块、实时处理器模块和FPGA模块。

图2 系统软件程序框图

整个系统的运行由逻辑判断模块进行控制，在最初的初始状态，逻辑判断模块通过上位机与用户进行交互，并通过读取用户所输入的按键信息自动设计安排测试流程。首先通过FPGA配置模块对FPGA、存储器等硬件进行配置及调用。而后通过参数设置模块对信号发生模块以及信号采集模块进行参数设置，例如信号的幅值、频率、相位，以及采集速率等。当数据采集完成后由数据处理分析模块进行收集，并对固定个数个采样点进行快速傅立叶(FFT)变换，将离散时域信号转化为频域信号，通过从中提取与驱动信号同频率的分量，可以有效剔除噪声信号或直流分量的干扰[6-7]。最终通过矢量运算对环路阻值或结点阻值进行求解[8]，并输出到显示屏上。

3.2 上位机模块

上位机模块主要是实现逻辑控制和人机交互两个功能，其中逻辑控制状态机如图3所示。系统工作时，用户根据需求在测量模式选择界面进行模式选择，在环路模式下，系统会自动检测夹钳是否夹好，通过红绿指示灯在屏幕上进行显示。同理，结点模式会判断探针是否接触良好，随后，计算结果会显示在显示框中，并显示是否继续测量，若切换另一个模式直接选择即可，若退出则直接关闭电源开关。

图3 逻辑控制框图

人机交互界面如图4所示，主要用于环路测试模式与结点模式的触发、夹钳探针状态显示、校正测试触发、保存数据触发、关机触发以及当前数据显示。采用状态机结构，主要负责系统的顶层逻辑的控制。

3.3 实时处理器模块

实时处理器模块主要实现数据处理和校正处理两个功能。其中数据处理如图5所示，基于矢量电压电流测试方法首先从FPGA端的缓冲区提取所采集的数据，经过快速傅立叶变化(FFT)、极坐标变化等技术手段，筛选有用信息，计算出环路阻抗、结点阻抗、夹钳探针是否夹紧提示灯，实现数据的计算处理功能。

图5 RT端数据处理程序图

校正测试中，需要3个已知的小电阻进行一次电阻校正，再选用1个已知大电阻进行二次电流校正，这样可以确保之后的测量阻值与理论值接近。校正逻辑流程图如图6所示。

图6 校正逻辑流程图

3.4 FPGA模块

FPGA模块主要实现模拟信号发生和模拟信号采集两个功能。通过FPGA配置模块对FPGA进行配置及调用。信号发生程序用于产生系统所需的正弦信号，为尽量降低由于高频信号在环路中引起的电感影响，同时保证能将产生的信号尽量耦合到环路中，需要合理选择发生信号的频率。在LabVIEW软件中可对NI-9269进行接口配置，如图7上段程序所示，使NI-9269的接口AO0输出5 V 200 Hz的电压信号，并在一个循环中反复执行，实现信号发生功能。

模拟信号采集首先对NI-9239进行接口配置，信号采集程序分为电压信号采集和电流信号采集，为保证最后阻抗计算的准确，电流和电压的采集需要实现同步采集。如图7下段程序所示，使NI-9239的接口AO0-AO3分别接收电压、电流等信号，并创建簇文件将其放在缓冲区内等待读取，在一个循环中反复执行，实现信号采集功能。

图7 FPGA信号发生、采集模块程序图

为保证数据信号的同步采集，采用了DMA(direct memory access)技术。DMA技术是通过FIFO结构来实现的。FIFO分为FPGA端和Host端(主机端)，DMA引擎负责自动地将FPGA端FIFO里的数据传递到Host端的FIFO里，从而能够保证信号的同步采集，FPGA端和Host端的关系如图8所示。

图8 FPGA端和Host端关系图

4 测试及验证

为对所设计系统进行检验和校准，测量过程中选用了AMECO计量中心提供的标准环路电阻和结点电阻，其中环路电阻阻值包括：2.05 mohm、8.54 mohm、14.11 mohm以及3 659.8 mohm。其精确度为0.5%。结点电阻阻值包括：0.50 mohm、5.00 mohm、25.01 mohm、50.01 mohm以及3 603.9 mohm，其精度为0.5%。测试过程中，每次选取一个标准电阻，在测试表格中记录选取的标准电阻阻值，使用飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试设备对标准电阻进行测试，从设备显示屏中读取测量阻值，并在测试表格中记录测量阻值。保持设备不变，读取4次测量阻值，并填入测试表格。环路电阻测量结果如表1所示。

表1 环路电阻测量结果

表中脚标L指环形电阻；脚标X指环形电阻序号；脚标S指标准值。RLX1-RLX4指对环形电阻RLX的第一次至第四次测量值。相对误差的计算公式如下，其中RLXM指对环型电阻RLX的四次测量值的平均值。

(1)

结点电阻测量结果如表2所示。

表2 结点电阻测量结果

表中脚标J指结点电阻；脚标X指结点电阻序号；脚标S指标准值。RJX1-RJX4指对结点电阻RJX的第一次至第四次测量值。相对误差的计算公式如下，其中RJXM指对结点电阻RJX的四次测量值的平均值：

(2)

从表1和表2中我们可以发现，飞机电缆屏蔽层接地可靠性测试设备可实现对屏蔽层阻值的精确测量，测试精度可达到2%以内。

5 总结

本测试系统在NI CompactRIO机箱及相关辅助模块搭建硬件测试平台的基础上，通过软件对上位机模块、实时处理器模块和FPGA模块进行编程，实现飞机电缆屏蔽层环路阻抗、结点阻抗两种测试模式的选择和切换。能以较高精度对环路阻抗进行测量，针对飞机电缆屏蔽层不可靠接地，在结点模式下准确寻找故障接地点，从而达到对电缆屏蔽层接地可靠性测试的目的。

[1] Godo E L, Deventer B Van. Loop resistance tester: A non-intrusive method to measure connector and shield resistance[A]. Digital Avionics Systems Conference, 1998. Proceedings, 17th DASC. The AIAA /IEEE/SAE. IEEE, 1998-1: A25-1-6 vol.1[C].

[2] 王征宇,章少云.差分信号的测量方法[J].电子与封装,2013,13(1):17-19.

[3] 任骏原.差分放大电路单端输入信号的射极耦合传输及等效变换[J]. 现代电子技术, 2010, 33(19): 112-113.

[4] 穆林枫,张文栋,何常德等.基于跨阻放大的微弱电容检测电路[J].电测与仪表,2015,52(18):85-89.

[5] 郑晓彦,李润哲.仪表放大器电路设计[J].科学技术,2015,36:57.

[6] 曹伟丽.快速傅里叶变换的原理与方法[J].上海电力学院学报,2006,22(2):192-194.

[7] 桑 松,柴玉华,孙 影.基于小波变换和快速傅里叶变换的谐波检测[J]. 电测与仪表,2012,49(7): 29-32.

[8] W M C Sansen. Analog design essentials[M] .Springer,2007.

Design of Aircraft Cable Shield Grounding Reliability Test System

Sun Changsheng, Zhao Hongxu,Wang Jialin

(College of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Aircraft cable shielding is necessarily well-grounded to establish a complete shielding loop to prevent the interfering on the internal circuitry from the complex electromagnetic environment. Therefore, grounding reliability test is particularly necessary. In this test system, NI CompactRIO chassis is used as the main core to build hardware test platform, co-operating with host computer, auxiliary circuit and test tools, and LabVIEW visual programming language is used as the software tool for system design. The program on the host computer, utilizes a state machine to implement the user interface and the overall control logic of the system. The FPGA is programmed to drive the hardware to complete signal generation and acquisition simultaneously. The real-time processor program communicates with FPGA using Direct Memory Access technique, the feedback data from the auxiliary circuit is collected and processed by the method of Fast Fourier Transform, and further the vector voltage and current method is applied to calculate the loop impedance of the cable shielding. Measurement results show that: the aircraft cable shield grounding reliability test system based on LabVIEW is able to complete grounding reliability tests with high accuracy.

user interface; mode selection; voltage and current vector method; fast fourier transform

2016-03-25；

2016-04-18。

国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金(SAMC14-JS-15-054)；中央高校基金资助课题(3122015D013);天津市创新创业项目(201510059085)。

孙长胜(1994-)，男，内蒙古赤峰人，主要从事电气工程及其自动化方向的研究。

1671-4598(2016)09-0008-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.003

V242.4

A