基于嵌入式系統(tǒng)的放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)

王海斌，王永虎，丁發(fā)軍，錢 偉

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，廣漢 618307；2.中國(guó)民航飛行學(xué)院 飛行技術(shù)學(xué)院，廣漢 618307）

運(yùn)輸航空中老齡化航空器運(yùn)行情況較為普遍，壽命超過(guò)10年的航空器仍大量運(yùn)行。老齡化航空器電氣線路容易發(fā)生過(guò)載、過(guò)流、轉(zhuǎn)換電路觸點(diǎn)粘接、匯流條固定觸點(diǎn)脫松等故障，嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)放電，引起電氣火災(zāi)，甚至造成航空事故[1-3]。目前民用航空器中排除電氣線路故障的方法有限，且存在一定的弊端[4]。本文借鑒光電測(cè)試原理，并利用ARM嵌入式技術(shù)，研制了一款高效可靠的檢測(cè)設(shè)備。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證后，將本檢測(cè)設(shè)備投入到民航航線、定期檢測(cè)中，將極大地提升飛機(jī)線路檢測(cè)效率，并在一定程度上提升了我國(guó)民航機(jī)務(wù)維修技術(shù)水平。本文將結(jié)合放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)的研制過(guò)程，對(duì)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案、軟硬件關(guān)鍵技術(shù)和測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

1 總體方案

本文研究的基于ARM的放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)，主要適用于老齡化航空器電氣線路故障導(dǎo)致的放電現(xiàn)象檢測(cè)。航空器上電氣線路由于受到結(jié)構(gòu)空間的影響，在機(jī)體金屬構(gòu)架上常常布置大量通電線纜。除此之外，電子設(shè)備艙也匯集大量電源線路、屏蔽線路以及各類信號(hào)數(shù)據(jù)線路。電氣線路與電子設(shè)備之間通過(guò)電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接，電氣節(jié)點(diǎn)在通電過(guò)程中存在著火花放電、發(fā)熱等問(wèn)題[5-8]。這些電氣故障與其他電設(shè)備故障有著本質(zhì)不同，具有一定程度的隱蔽性，難以使用一般技術(shù)檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。本文提出的嵌入式紫外檢測(cè)平臺(tái)要求在測(cè)試距離≥6 m，測(cè)試時(shí)間≤15 ms的飛機(jī)系統(tǒng)通電情況下，能夠迅速將故障位置進(jìn)行定位，為排除飛機(jī)電設(shè)備線路故障以及預(yù)防電氣火災(zāi)隱患提供重要的技術(shù)支持。

檢測(cè)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)是利用嵌入式技術(shù)手段，并根據(jù)實(shí)際需求研制出便攜式電氣線路放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)。本文把系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且源代碼公開的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核與以ARM為核心的硬件平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，參考紫外探測(cè)原理，最終設(shè)計(jì)出靈敏度（S/N）高、響應(yīng)時(shí)間（R/T）快、誤碼率（BER）低的航空器電氣線路放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)。

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)要求

本文研制的電氣線路放電故障檢測(cè)平臺(tái)，主要適用于民用航空器的航線、定期檢查以及排除電氣線路故障情況。考慮到平臺(tái)適用環(huán)境，將檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求定位如下[9]：

靈敏度（S/N） S/N指數(shù)表示檢測(cè)火花放電的能力，指數(shù)越高意味著檢測(cè)能力越強(qiáng)。本文設(shè)計(jì)要求為距故障源6 m處，S/N指數(shù)應(yīng)大于10 mJ；

響應(yīng)時(shí)間（R/T） 響應(yīng)時(shí)間對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高檢測(cè)對(duì)象十分重要，本文響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)要求為R/T≤15 ms；

誤碼率（BER） 測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠是檢測(cè)一個(gè)系統(tǒng)實(shí)用價(jià)值最重要的標(biāo)準(zhǔn)，本文誤碼率設(shè)計(jì)要求為 BER=10-5～10-8。

1.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)本文平臺(tái)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，把平臺(tái)定位于基于嵌入式的檢測(cè)系統(tǒng)。在模塊劃分上分為檢測(cè)模塊和主控模塊。檢測(cè)模塊包括供電模塊、采集模塊、電壓處理模塊和信號(hào)處理模塊。主控模塊包括處理器模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊和警告模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Design for test platform

主控模塊以ARM微處理器為核心，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)邏輯處理，并調(diào)動(dòng)其余子模塊，最終為用戶實(shí)現(xiàn)檢測(cè)需要。下文將對(duì)ARM處理器及系統(tǒng)相關(guān)硬件的選型進(jìn)行說(shuō)明，軟件平臺(tái)在硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件平臺(tái)選定后，將對(duì)軟件開發(fā)情況進(jìn)行介紹。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文研究對(duì)象的設(shè)計(jì)要求，在紫外檢測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)開發(fā)中選用TI公司生產(chǎn)的CortexTMA8內(nèi)核的AM3358芯片作為核心處理器。該款芯片是TI公司將產(chǎn)品定位于工業(yè)控制MCU，是目前市場(chǎng)上唯一一款同時(shí)支持Linux、Android和WinCE 3個(gè)操作系統(tǒng)的工業(yè)級(jí)控制芯片[10-12]。

系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括以微處理器AM3358為核心的主控模塊，以及實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的檢測(cè)模塊。主控模塊在微處理器基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路設(shè)計(jì)與配置，如數(shù)據(jù)通信接口、電源供給接口以及時(shí)鐘電路等。檢測(cè)模塊主要功能是利用采集模塊實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行處理，最后傳輸給主控模塊。系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.2 Design for hardware platform

硬件平臺(tái)中紫外光敏管選用冷陰極充氣二極管，紫外敏感波段為170～300 nm，不受可見光的影響。采用金屬陰極結(jié)構(gòu)，具有較高靈敏度，可迅速可靠地檢測(cè)出火焰發(fā)出的微弱紫外輻射。

信號(hào)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)功能為當(dāng)有170～300 nm紫外輻射光敏管的探測(cè)范圍時(shí)，采集并放大該信號(hào)，并進(jìn)行一定處理。根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)功能，在設(shè)計(jì)信號(hào)處理模塊時(shí)，將設(shè)計(jì)流程分為感應(yīng)紫外輻射光源、采集光敏器件響應(yīng)信號(hào)、實(shí)現(xiàn)選頻、信號(hào)放大，并將噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除。在進(jìn)入到主控模塊前，將該信號(hào)進(jìn)行二次放大，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)濾波處理，以減少隨機(jī)噪聲影響。該過(guò)程主要由軟件程序算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)流程Fig.3 Flow chart of the signal processing module

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)層次的設(shè)計(jì)，第一層是將嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核Linux3.2在微處理器AM3358上進(jìn)行系統(tǒng)移植，通過(guò)對(duì)內(nèi)核系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并通過(guò)修改Makefile文件和系統(tǒng)Configuration文件，成功實(shí)現(xiàn)了Linux3.2與AM3358的結(jié)合。第二層主要是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用程序和底層硬件的橋梁。放電故障檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，使用了控制、顯示和存儲(chǔ)等外圍設(shè)備，對(duì)于各種不同的設(shè)備映射為不同的文件。系統(tǒng)內(nèi)核通過(guò)對(duì)調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備文件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的操作。第三層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，將應(yīng)用程序分為數(shù)字濾波處理程序、數(shù)據(jù)分析和處理程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和顯示控制程序4個(gè)功能單元。系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.4 Design for system software platform

放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)核心功能是在“數(shù)據(jù)分析和處理程序”模塊中執(zhí)行的。在執(zhí)行該程序模塊時(shí)，將接收和處理來(lái)自紫外敏感波段為170～300 nm的轉(zhuǎn)換信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置程序的算法函數(shù)get_Count-Pulse（）和 get_TimePulse（）進(jìn)一步判斷數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)試結(jié)果。并將處理結(jié)果傳輸給顯控裝置，并對(duì)光電報(bào)警裝置進(jìn)行觸發(fā)處理。數(shù)據(jù)分析和處理應(yīng)用程序如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析和處理應(yīng)用程序流程Fig.5 Flow chart of data analysis and processing application process

4 平臺(tái)整機(jī)測(cè)試及結(jié)果

針對(duì)本文研制的放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)各項(xiàng)性能指標(biāo)，通過(guò)以下測(cè)試項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的檢測(cè)：

3.10 臨近保質(zhì)期食品。接近但尚未超過(guò)食品包裝上標(biāo)明的保質(zhì)日期的食品。一般是指保質(zhì)期在一年以上的、對(duì)應(yīng)不低于期滿之日前45天的食品；保質(zhì)期在半年以上不足一年的、對(duì)應(yīng)不低于期滿之日前20天的食品；保質(zhì)期在0天以上不足半年的、對(duì)應(yīng)不低于期滿之日前15天的食品；保質(zhì)期在30天以上不足90天的、對(duì)應(yīng)不低于期滿之日前10天的食品；保質(zhì)期在16天以上不足30天的、對(duì)應(yīng)不低于期滿之日前5天的食品；保質(zhì)期在3天以上少于15天的、對(duì)應(yīng)不低于期滿之日前2 天的食品。

1）靈敏度性能測(cè)試

本文采用火花源為精密微型能量火花發(fā)生裝置，將發(fā)生裝置輸出的火花能量調(diào)整至5 mJ。在距發(fā)生裝置6 m處，檢測(cè)平臺(tái)能夠檢測(cè)到有火花放電現(xiàn)象，并顯示相關(guān)參數(shù)以及啟動(dòng)警告裝置，達(dá)到了S/N≥10 mJ的設(shè)計(jì)要求。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，平臺(tái)靈敏度較高。

2）響應(yīng)時(shí)間R/T）性能測(cè)試

平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間（R/T）包括由產(chǎn)生電氣放電現(xiàn)象到系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警裝置所消耗時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是放電檢測(cè)平臺(tái)一個(gè)重要的性能技術(shù)參數(shù)，能夠表征平臺(tái)對(duì)放電信息的反應(yīng)能力。本測(cè)試采用火花、線路短接放電和精密火花發(fā)生裝置3種輻射源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)記錄15組響應(yīng)時(shí)間，對(duì)15組響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析和驗(yàn)證是否設(shè)計(jì)滿足。響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)表Tab.1 Response time data for platform

檢測(cè)平臺(tái)的15次響應(yīng)時(shí)間最大539.0 μs，能夠滿足系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試，可以驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)能夠滿足設(shè)計(jì)中技術(shù)和功能指標(biāo)的要求。并擬將本平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，在進(jìn)一步完善軟硬件的基礎(chǔ)上，使其最終成為民用航空器電氣線路故障檢測(cè)的便攜式設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)威脅航空器飛行安全的電氣線路放電故障現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)放電能量特點(diǎn)的解析，提出了基于ARM的放電故障紫外檢測(cè)嵌入式平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。并實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能模塊軟硬件的設(shè)計(jì)和制作，最終完成了測(cè)試平臺(tái)的研制。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，本文研制的放電故障紫外檢測(cè)平臺(tái)，靈敏度較高、響應(yīng)速度快且運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。檢測(cè)平臺(tái)可作為一種協(xié)助民航機(jī)務(wù)工作者排除電氣線路故障隱患的設(shè)備，提高了維修工作效率。同時(shí)，也為民航飛機(jī)維護(hù)智能化建設(shè)提供了一個(gè)較好的發(fā)展方向。

[1]彭向陽(yáng)，鐘清，饒章權(quán)，等.基于無(wú)人機(jī)紫外檢測(cè)的輸電線路電暈放電缺陷智能診斷技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2014，40（8）：2292-2298.

[2]王平，羅辭勇，余波，等.基于嵌入式計(jì)算機(jī)的紫外內(nèi)窺系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程，2008，16（2）：352-357.

[3]董政，黃大貴，張德銀.紫外火焰探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（4）：682-685.

[4]肖冬萍，何為，謝鵬舉，等.高壓輸電線路電暈放電特性及其電磁輻射場(chǎng)計(jì)算[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（21）：52-55.

[5]郭俊，吳廣寧，張血琴，等.局部放電檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（2）：29-34.

[6]文軍，何為，李春輝，等.高壓電力設(shè)備放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（6）：135-139.

[7]汪金剛，何為，李青文，等.基于紫外脈沖檢測(cè)的非接觸式特高壓驗(yàn)電儀[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（5）：138-140.

[8]何為，陳濤，劉曉明，等.基于紫外脈沖法的非接觸式低值（零值）絕緣子在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（10）：69-70.

[9]周清平.模塊化嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2015，36（9）：61-68.

[10]王成義，郭秀梅，叢曉燕.基于液晶顯示的有限狀態(tài)機(jī)在人機(jī)界面中的應(yīng)用[J].液晶與顯示，2010，25（2）：257-261.

[11]Alok Patel.Software emulation of an embedded microprocessor system[D].Department of Information Technology and Electrical Engineering，The University of Queensland，2000.

[12]曹祥根.基于ARM的μC/OS-Ⅱ應(yīng)用研究[D].成都：四川大學(xué)，2005.