一種基于虛擬儀器的飛機直流供電系統(tǒng)模擬設備設計?

楊 菊

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

一種基于虛擬儀器的飛機直流供電系統(tǒng)模擬設備設計?

楊 菊??

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

為解決在機載設備的開發(fā)及維護中飛機直流供電系統(tǒng)的各種極端供電模式的模擬問題，通過對飛機直流供電系統(tǒng)工作模式及供電邏輯的分析，提出了一種基于虛擬儀器技術的飛機直流供電系統(tǒng)模擬設備的實現(xiàn)方法。硬件系統(tǒng)采用基于USB總線的NI CompactDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集平臺、德國E-T-A公司及美國Airpax公司的專用直流斷路器，軟件系統(tǒng)基于LabView平臺，采用狀態(tài)機及生產(chǎn)者-消費者模式架構進行設計，并提出了一種瞬間斷電測試的實現(xiàn)方法。實際使用結果表明，所研制的設備能夠真實地模擬飛機直流供電系統(tǒng)的各種極端供電模式，完成了瞬間斷電測試，供電邏輯正常，響應快速，可靠性高，系統(tǒng)具有很好的擴展性。

機載設備；直流供電；虛擬儀器；瞬間斷電測試

1 引言

為了滿足現(xiàn)代飛機高可靠性的要求，以完成復雜的飛行任務并保證飛行安全，機上配置了大量的先進機載設備，品質(zhì)優(yōu)良的供電系統(tǒng)則是機載設備正常工作的前提［1］。為保證在各種情況下各機載用電設備能正常工作，飛機的供電系統(tǒng)配備有主電源、輔助電源、應急電源、二次電源及外部電源供電插座等，其主要功能是將飛機電源系統(tǒng)的電能傳輸并分配至機載用電設備，同時具有保證配電系統(tǒng)正常工作和出現(xiàn)故障時，防止故障蔓延擴散的控制與保護功能［2］。

在現(xiàn)代飛機的開發(fā)和維護過程中，如何真實地模擬飛機供電系統(tǒng)在各種極端情況下的工作狀態(tài)，一直是亟待解決的問題。實際工程中，一般是通過人工手動操作開關來控制和模擬飛機供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，但這種方式與飛機供電系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)有較大差異，降低了對機載設備功能實驗和測試的實際意義，重要的是，有些供電系統(tǒng)的工作方式是無法通過人工手動操作的方式來完成，如設備的瞬間掉電等，因此，飛機直流供電系統(tǒng)模擬設備的研制具有重要的實際意義和應用價值。目前，國內(nèi)學者主要就飛機電源系統(tǒng)的綜合測試、地面電源的品質(zhì)測試、地面電源的模型試驗及飛機電源的諧波治理等方面提出了各種解決方案［1-9］，發(fā)表了相關的研究成果，但仍留有一些問題，尤其是幾乎沒有涉及到飛機電源地面模擬供電問題。本文提出了一種基于虛擬儀器技術和計算機測試技術的飛機直流供電系統(tǒng)模擬設備，操作人員通過人機交互界面，在計算機的控制下真實地模擬飛機直流供電系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)及設備加電控制信號，并實時監(jiān)測匯流條和機載設備工作時的電壓及電流值。此外，文中還提出了一種50 ms斷電測試的實現(xiàn)方法。所研制的模擬設備系統(tǒng)響應速度快，檢測精度高，擴展性強，具有很高的實用價值。系統(tǒng)的主要技術參數(shù)為：電壓電流的檢測精度為±15％FS，供電模式的切換時間小于2 ms，DC 28 V匯流條功率不小于3 000 W，DC 270 V匯流條功率不小于2 400 W。

2 系統(tǒng)總體結構及功能

直流供電系統(tǒng)模擬設備主要完成飛機直流供電系統(tǒng)對機載用電設備供電邏輯及供電狀態(tài)的模擬，由上位計算機、美國NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機載電源匯流條模擬器、直流斷路器及固態(tài)繼電器等組成，系統(tǒng)結構示意如圖1所示。

圖1 電源模擬系統(tǒng)組成圖Fig.1 Block diagram of the power supply simulation system

上位計算機構成的主機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心控制部分，主要完成對整個系統(tǒng)的供電邏輯控制、電壓電流的實時檢測及加電控制等功能；機載電源匯流條模擬器是系統(tǒng)組成的關鍵部分，主要實現(xiàn)飛機直流供電系統(tǒng)各種供電邏輯的模擬，并接收系統(tǒng)主機控制命令，實現(xiàn)各種供電方式下對機載設備進行模擬供電。

3 硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)主要完成對各匯流條及負載供電、電壓電流的實時檢測和顯示、各種不同供電模式的模擬、加電控制信號的控制等。

根據(jù)使用要求，系統(tǒng)共需模擬量輸入64路，用于采集28 V電壓和電流各24路（10路匯流條，14路負載），270 V電壓和電流各8路（6路匯流條，2路負載）；用于實現(xiàn)匯流條供電邏輯控制的固態(tài)繼電器的數(shù)字量輸出共20路。為此，系統(tǒng)硬件系統(tǒng)選用了基于USB總線的NI CompactDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集平臺cDAQ-9178系統(tǒng)，4個模入電流采集模塊NI9208及1個數(shù)字量輸出模塊NI9477。NI CompactDAQ硬件為工作臺、現(xiàn)場和生產(chǎn)線上的傳感器及電子測量提供了USB接口即插即用的便利特性，實現(xiàn)簡單、便攜型應用，擁有完備的功能模塊，集高性能與靈活性于一身，在小規(guī)模、簡便且價位適中的系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

NI9208為16通道24位4～20 mA電流輸入模式的模擬量輸入模塊，在高精度模式下，A/D轉(zhuǎn)換時間為每通道52 ms；在高速模式下，轉(zhuǎn)換時間為每通道2 ms，具有測量精度高、轉(zhuǎn)換速度快的特點，適合于高精度快速測量的應用場合。NI9477為32通道的漏極數(shù)字輸出模塊，用于控制固態(tài)繼電器，輸出通道的最大更新速率為8μs，傳播延時為1μs，滿足系統(tǒng)要求。

為盡可能再現(xiàn)機上裝置環(huán)境，直流斷路器選擇了德國E-T-A公司的專用高性能28 V直流斷路器412-K14-LN2、美國Airpax公司的270 V直流斷路器IAL/IUL/IEL/LEL系列IULK111-70015-2和Crydom公司的直流固態(tài)繼電器。E-T-A斷路器是專門為保護設備、控制系統(tǒng)和電路元件，防止電路過載和電路短路引起的潛在危險而特別設計的，分斷電流6 000 A。

實現(xiàn)不同供電模式的模擬是硬件系統(tǒng)的主要任務。由于飛機直流系統(tǒng)結構復雜，供電方式多，實現(xiàn)較為困難。在對現(xiàn)有飛機直流供電系統(tǒng)工作模式及供電邏輯分析的基礎上，提出了一種基本供電硬件結構，而不同供電模式和供電邏輯的實現(xiàn)，則是由操作人員通過軟件控制固態(tài)繼電器來完成，其結構如圖2所示。這種模式具有硬件結構簡單、控制功能靈活、系統(tǒng)的通用性和擴展性強等特點。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2 Block diagram of the system hardware

4 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)采用專業(yè)的工控開發(fā)平臺LabVIEW設計出基于圖形模式的人機交互接口界面，主要功能模塊為28 V模擬供電系統(tǒng)、270 V模擬供電系統(tǒng)、50 ms瞬時斷電試驗、供電模式配置、系統(tǒng)參數(shù)配置及實時幫助等。軟件功能框圖如圖3所示，其中的關鍵技術在于軟件系統(tǒng)的架構及50 ms瞬時斷電試驗的實現(xiàn)。

圖3 軟件功能框圖Fig.3 Block diagram of the system software

4.1 系統(tǒng)架構及50 ms瞬時斷電試驗

（1）系統(tǒng)架構

軟件系統(tǒng)架構將直接決定系統(tǒng)的性能及實現(xiàn)的復雜度。為了以最低的復雜度代價來實現(xiàn)最優(yōu)的軟件性能，為此采用了基于OpenG社團的JKI狀態(tài)機及生產(chǎn)者-消費者模式的架構。OpenG社團是一個優(yōu)秀的LabVIEW應用項目開發(fā)團體，它的創(chuàng)建者是Jim Kring。OpenG是一種源代碼公開的圖形化編程語言。JKI狀態(tài)機是一種基于字符串驅(qū)動的狀態(tài)機，在系統(tǒng)中主要用于處理人機交互、供電邏輯的模擬控制等，電壓電流的實時檢測和顯示則是通過生產(chǎn)者-消費者模式來實現(xiàn)，狀態(tài)機與生產(chǎn)者-消費者結構間的數(shù)據(jù)共享是通過數(shù)據(jù)隊列來完成。整個軟件系統(tǒng)架構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構圖Fig.4 Block diagram of the software framework

（2）50 ms瞬時斷電試驗

為了驗證機載功能模塊在瞬間掉電時的性能，需要模擬電源系統(tǒng)提供瞬時斷電試驗。瞬時斷電試驗是實際工程中長期未能解決的問題，其關鍵在于如何實現(xiàn)高精度的50 ms斷電。這主要涉及到兩方面的精度：一是50 ms的定時精度，二是硬件動作的時間精度。要實現(xiàn)高精度的定時，必須使用硬件定時器。本系統(tǒng)基于資金投入及嘗試的原則，采用了軟件定時加固態(tài)繼電器的實現(xiàn)方案，通過while循環(huán)、定時模塊、移位寄存器及條件邏輯等來實現(xiàn)，條件邏輯框中完成對匯流條的加電和斷電控制。程序結構圖如圖5所示。

圖5 瞬時斷電試驗程序結構Fig.5 Program structure of instantaneous power failure test

4.2 軟件功能

（1）28 V和270 V模擬供電

模擬供電提供兩種工作方式：模式工作方式和設置工作方式，可通過面板上的工作方式開關進行簡單切換。模式工作方式下，系統(tǒng)按照預先定義的供電邏輯控制相應的固態(tài)繼電器，以實現(xiàn)不同模式的供電，工作過程中不能改變某個固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)。但可以通過供電方式選擇，在不同的供電邏輯間轉(zhuǎn)換。在任何一種供電模式下，均可以通過工作方式開關轉(zhuǎn)換到設置工作模式。在設置工作方式下，可以通過面板上電壓電流顯示表下的控制開關，單獨地對某個特定的固態(tài)繼電器進行控制。當選擇好固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)后，按下模式更新按鍵，則相應的固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)將立即改變。固態(tài)繼電器的實際工作狀態(tài)在界面的左部進行顯示。當檢測到的電壓電流出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)將通過不斷閃爍的數(shù)顯背景來提示操作人員，并同時切斷設備供電，以保護設備和系統(tǒng)的安全。模擬供電如圖6所示。

圖6 28 V和270 V模擬供電Fig.6 28 V and 270 V simulation supply interface

（2）瞬時斷電測試

可以完成某個匯流條的瞬時斷電測試。斷電時間、測試次數(shù)、間斷時間等參數(shù)在測試前可通過右邊的測試參數(shù)配置進行設定，然后按下開始鍵，系統(tǒng)將自動地按照設定好的測試參數(shù)進行斷電測試。測試過程中的匯流條的電壓電流變化值及參數(shù)值會隨著測試的進行自動改變。瞬時斷電測試模式的功能界面如圖7所示。

圖7 瞬時斷電測試Fig.7 Instantaneous power failure test interface

（3）模擬供電模式配置

提供28 V和270 V供電邏輯的自由配置，配置的結果將自動地保存在系統(tǒng)中，以供選擇。系統(tǒng)預先定義了幾種固定的供電方式名稱，各個供電模式是可以任意進行配置的。在進行某種供電邏輯配置時，可以先在供電方式下拉列表框中選擇供電方式名稱，此時，該供電方式的原有設置將在圖上進行顯示，然后用鼠標直接點擊圖中的開關，改變開關的狀態(tài)，當所有的開關狀態(tài)都設置好后，可以按下保存鍵，保存配置信息。28 V和270 V的配置是分別保存的。需要注意的是，與該供電方式名稱相同的原有配置信息將被覆蓋，因此，在保存時，就特別注意供電方式名稱。模擬供電模式配置的功能界面如圖8所示。

圖8 模擬供電模式配置Fig.8 Simulation supply mode configuration

5 結論

本文提出了一種飛機直流電源供電模擬系統(tǒng)，能夠真實模擬飛機直流電源的各種極端供電模式，供電邏輯正確。采用的基于JKI狀態(tài)機和生產(chǎn)者-消費者模式的系統(tǒng)架構很好地處理了整個系統(tǒng)的人機交互、數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)顯示。同時，提出了一種瞬間斷電試驗的實現(xiàn)方法，系統(tǒng)的實際使用情況表明該設備能夠滿足實際生產(chǎn)和開發(fā)的要求，具有很好的實用價值和擴充性。

但是，在瞬間斷電試驗的實現(xiàn)方法中采用了軟件定時，難以實現(xiàn)高精度的定時，使得其實用性受到一定影響，可通過選用含硬件定時功能的硬件系統(tǒng)來完善，這有待后續(xù)作進一步研究。

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楊菊（1966—），女，四川成都人，1988年于電子科技大學獲計算機科學專業(yè)學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為航電系統(tǒng)模擬環(huán)境動態(tài)仿真及飛機電能質(zhì)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

??

yyangju-168＠163.com