基于LabVIEW的飞机供电系统状态监控系统

冯志刚，张百川

(沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁沈阳 110136)

0 引言

飞机供电系统是飞机上电能产生、调理、运输和分配的总称，是现代飞机的重要构成部分[1]。飞机被投入生产和使用之前，对其进行仿真测试是飞机供电系统的安全性与稳定性的重要评估方法[2]。随着供电网络复杂程度的提升，对于飞机供电系统状态稳定性及其他各项参数的的监测需求在不断增加[3-6]。传统的飞机供电系统的测试方法由于处理的数据量小、功能单一等问题已无法满足当前设计需求。与传统的监测方法相比，基于虚拟仪器的监测系统具备灵活度高、兼容性强、开发成本低等优点[7-8]，具有极强的工程实用性。

该监控系统通过借助NI PXI平台建立有效的自动化监控系统，监测飞机供电系统状态[9]，具体包括电源系统、配电系统、供电汇流条及发电机辅助系统的关键点数据和实时工作状态，对供电系统输出控制信号以及对飞行管理系统进行仿真模拟，最终实现对飞机供电系统状态的地面模拟试验。通过该方法，基于合适的硬件及拓展性强的软件，搭建监控系统，节约开发与维护成本的同时实现更高效的监控效果。

1 监控系统总体结构

基于LabVIEW的飞机供电系统状态监控系统由硬件系统和软件系统2部分组成。系统整体结构框图如图1所示。其中硬件系统主要分为三大模块：信号采集卡构成的数据采集模块；与采集卡对应的信号调理电路构成的信号调理模块；信号输出卡构成的控制模块。软件系统由完成各自功能的数据处理子模块构成，实现对飞机供电系统状态和参数信息的处理、显示、存储及通过控制指令实现对供电系统的控制功能。

图1 系统总体结构图

对于信号调理模块，需要将飞机供电系统传输的供电系统信号进行调理，使其满足信号采集模块的采集范围，确保信号采集卡能够精准采集到电压、电流等信号；对于信号采集模块，作为软件与硬件之间的重要桥梁，将采集的电压、电流等信号传送给上位机的数据处理模块；对于数据处理模块，即LabVIEW上位机程序，需要根据实际情况将采集的信息进行解析，并对结果进行实时显示与存储；对于控制模块，需要将上位机界面采集的控制指令实时发送至供电系统，实现对供电系统状态的控制。

本系统通过将采集的飞机供电系统的状态信息调理后传输至上位机，上位机处理并显示在人机界面，从而实现对供电系统状态的实时监测；同时，使用者可以通过操作人机界面产生控制指令，实现对供电系统的控制。

2 监控系统硬件系统设计

硬件系统基于PXIe总线技术搭建，借助PXI Express高数据吞吐量、灵活、模块化仪器集成等技术优势[10]，采用PXI工控机搭载DAQ板卡及调理电路搭建监控系统的下位机部分；主控机是监控系统自动测试与控制的核心，采用IPC-610L系列工控机作为主控计算机，监控软件运行在主控工控机中，作为监控系统的上位机显示部分。上位机通过与工控机监控系统的数据交互实现对供电系统各关键点信息的采集与状态的控制。硬件系统整体方案设计如图2所示。

图2 硬件系统整体方案图

2.1 数据采集模块

通过对供电系统地面模拟试验的数据采集需求进行分析，确定所需采集的信号的类型及数量。在确保留有余量的前提下，对工控机箱及DAQ板卡进行选型，该模块采用的工控机箱及板卡信息如下：

(1)17混合槽、1PXIe槽、4 GB带宽的PXIe-1084工控机机箱；

(2)具备838 MB/s数据处理能力、最大通讯距离可达100 m，实现主控计算机对PXI系统的远程控制和操作的PXIe-PCIe 8375光纤通讯套件；

(3)具备8通道同步采集、250 kSPS采样频率，实现对供电系统115 V三相交流电压和各直流汇流条电压信号进行采集的PXIe-4300高电压采集卡；

(4)具备40通道差分采集、500 kSPS采样频率、实现对供电系统电流信号和发电机转速信号转换的低电压信号进行采集的PXIe-6345低电压采集卡；

(5)具备48通道采集，实现对供电系统各开关量的地/开和27 V/开离散量信号采集的PXI-6529离散量采集卡；

(6)具备隔离4通道、通讯速率最大3 Mbps,实现发电机冷却系统参数采集的RS422/RS485通讯的PXI-8433/4通讯卡。

2.2 信号调理模块

信号调理模块是监控系统硬件部分的关键模块，系统所需的信号调理功能主要表现为对采集的信号进行匹配、滤波及转换。

信号匹配用以确保供电系统离散量信号可以被PXI-6529采集卡采集，本系统中离散量信号为地/开信号和27 V/开信号，其中27 V/开信号可以被采集卡直接采集，地/开信号的采集则需添加上拉电阻后进行精准采集。地/开信号调理电路如图3所示。

图3 地/开信号调理电路

信号滤波通过采用与PXIe-4300高电压采集卡相匹配的TB-4300B衰减端子，确保供电系统中电源系统的三相交流电压信号及汇流条的直流电压信号在满足PXIe-4300采集卡的采集要求的同时可以被稳定采集，并通过采集多板卡多通道数据信息实现对多采样点高电压信号的采集。

信号转换由频率-转速转换和电流-电压转换2部分构成。频率-转速部分通过借助PXI-6345采集卡采集交流发电机转速信息对应的频率数据，上位机程序将采集的频率数据带入转换公式，最终实现频率-转速的信息转换；电流-电压转换部分通过将供电系统状态监控系统所采集的电流信号经过LEM传感器转换为-100～100 mA电流信号,转换后的电流信号经过电流-电压转换电路转换为0.55～4.55 V电压信号，转换后的电压信号满足PXIe-6345采集卡的采集范围。电流-电压转换电路如图4所示。

图4 电流-电压转换电路

2.3 控制模块

控制模块安装在PXIe工控机中，通过光纤通讯套件与主控计算机进行信息通讯，可实现供电系统控制指令及飞行管理系统仿真指令的输出，该模块所采用板卡信息如下：

(1)具备16通道SPDT输出、实现对27 V/开离散量信号输出的PXI-2566离散量输出卡；

(2)具备隔离4通道、通讯速率最大3 Mbps,实现RS422/RS485通讯的PXI-8433/4通讯卡。

3 监控软件系统设计

软件系统使用NI LabVIEW编写上位机程序，借助LabVIEW中的DAQmx数据采集功能[11-12]，实现对数据的接收、处理，并最终显示在前面板。同时，根据对具体功能的实时性需求的分析，将任务模块分为实时性与非实时性任务，通过建立多线程确保实时性任务的优先级。

3.1 软件系统功能模块设计

软件系统是控制系统的核心，软件系统的优劣会直接影响到整个系统的性能。该软件系统采取模块化的设计理念，根据系统的整体需求，将软件功能划分为初始化模块、系统监测模块和系统控制模块及对应的子功能模块。这种分层次功能模块的划分降低了编程与维护难度的同时提高了软件的可读性，使程序更加简洁清晰。供电系统状态监控软件部分功能框图如图5所示。

图5 供电系统监控软件功能框图

初始化模块通过运用LabSQL数据库访问工具包的ADO接口调取SQL Server数据库预存信息[13-14]，实现对用户权限的判断以及系统初始参数的设置，用户登录子模块的程序如图6(a)所示。通过调用SQL数据库中预存的用户信息与实际输入信息进行比较，实现对用户使用权限的判别。

系统监测模块借助DAQmx数据采集功能与ADO接口实现对供电系统状态信息的采集、处理、显示、存储与回放功能，多板卡采集子模块的程序如图6(b)所示。通过对不同DAQ板卡共享参考时钟和参考速率的方法，实现高电压采集、低电压采集、离散量采集板卡间时钟的一致性，借助数字边沿触发的方式确保同步启动[15]，实现多板卡数据的同步采集效果。

系统控制模块通过借助DAQmx实现对供电系统控制指令的输出以及对飞行管理仿真系统指令的通讯，供电系统状态控制子模块如图6(c)所示。通过DAQmx将打包好的控制指令送至输出板卡，实现对供电系统状态的控制。

(a)用户登录子模块

软件系统设有权限，用户需登录后进入系统。软件系统初始化后进入人机界面，人机界面包含多个不同的功能界面，可实现不同功能界面的切换。其中软件系统主界面程序主要负责完成对硬件部分采集的供电系统数据进行处理、显示、存储和回放的功能。软件系统主控程序流程图如图7所示。

图7 软件系统主控程序流程图

3.2 软件系统主界面设计

软件系统主界面设计要求简洁易懂的同时还需满足显示需求，故对主界面内容进行双屏显示，分别为供电系统状态显示界面与发电机辅助系统监测和飞行管理系统仿真界面。

供电系统状态显示界面由供电系统状态显示模块构成。供电系统状态显示模块以数字显示、小灯亮灭的方式实时显示各成品件和汇流条的电压、电流值和工作状态，并以钮子开关状态表示配电系统中各成品件之间的连接状态，从而实现对飞机供电系统的关键点信息、工作状态信息及供电系统状态的实时显示。供电系统状态显示界面如图8所示。

图8 供电系统状态显示界面

发电机辅助系统监测和飞行管理系统仿真界面主要由交流发电机系统状态显示模块、飞行管理系统功能仿真模块及供电系统状态控制模块构成。交流发电机系统状态显示模块以表头形式实时显示交流发动机1、2的转速信号以及发电机冷却系统的进出口压力、温度等参数信息；供电系统状态控制模块通过钮子开关实现对过压检测指令、软复位指令等信号的控制，进而实现对供电系统的控制，同时该分页还包含部分离散量采集，通过小灯亮灭实现对汇流条短路等状态进行显示；飞行管理系统功能仿真模块根据飞行管理系统的通讯协议，以选项卡功能为飞行管理系统提供操作界面，实现与交流发电机的通讯。发电机辅助系统监测和飞行管理系统仿真界面如图9所示。

图9 发电机辅助系统监测和飞行管理系统仿真界面

4 实验结果与分析

将该监控系统应用于飞机供电系统地面监控试验进行实测，得到供电系统关键点数据，将得到的数据与理论值进行比较，验证该监控系统的可靠性与精准度。部分监测参数如表1所示。

对比表1中理论值与实测值可知，该监控系统的监测精度较高，满足监测系统的精度要求，可以应用于实际工程中。

表1 实验结果

5 结束语

本文从系统组成上分析了飞机供电系统地面试验状态监控系统的基本设计思路，该监控系统在实时显示飞机供电系统关键点参数和工作状态信息的同时可以对供电系统工作状态进行控制，从而检验供电系统的工作状态能否满足实际工作需求。实际应用显示，飞机供电系统地面试验状态监控系统软硬件设计合理、功能可行，人机界面直观明了、便于操作，显示内容完善，满足设计需求。