NI虛擬儀器+STM32F的飛機(jī)供配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

飛機(jī)供配電系統(tǒng)作為飛機(jī)重要的系統(tǒng)之一，主要由電源、各級匯流條、分配控制單元等組成。根據(jù)機(jī)載用電設(shè)備需求，通過分配控制單元，完成對各級匯流條的電能到機(jī)載用電設(shè)備的電源分配[1]。飛機(jī)機(jī)載電氣設(shè)備的多樣化、智能化、復(fù)雜化，為飛機(jī)供配電技術(shù)帶來新的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。為了更好地滿足對機(jī)載電氣設(shè)備用電需求的準(zhǔn)確化、智能化、最優(yōu)化分配，就必須保證飛機(jī)供配電系統(tǒng)安全、可靠、長壽命運(yùn)行。

在此，從系統(tǒng)管理的角度出發(fā)，依據(jù)飛機(jī)供配電系統(tǒng)特性和檢測要求，基于預(yù)測與健康管理維護(hù)策略思想，采用NI虛擬儀器+STM32F 結(jié)合的雙處理器控制方式，建立了監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)管理平臺，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)故障快速診斷和準(zhǔn)確定位，為制定有效的維修決策提供依據(jù)。該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，能快速全面地診斷系統(tǒng)故障，可為飛機(jī)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)，實(shí)用價(jià)值高。

1 飛機(jī)供配電系統(tǒng)功能描述

飛機(jī)供配電系統(tǒng)作為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備中的“血液”部分，完成向所有飛機(jī)用電設(shè)備的電源分配，對飛機(jī)的安全與可靠運(yùn)行發(fā)揮著不可替代的作用。配電系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)機(jī)載用電設(shè)備用電需求，結(jié)合電源系統(tǒng)電能質(zhì)量，定向準(zhǔn)確地將電源分配給用電設(shè)備[2-3]。當(dāng)飛機(jī)電源系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)異常，或配電裝置不能執(zhí)行分配功能，勢必會影響到飛機(jī)整體飛行安全，所以飛行機(jī)組人員和地面維護(hù)工程技術(shù)人員都需要依靠對電源質(zhì)量和配電裝置運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)監(jiān)測，來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)安全運(yùn)行。

在此以波音737NG 飛機(jī)為設(shè)計(jì)模型，通過分析該機(jī)型電源類型、配電控制方式以及配電裝置等特點(diǎn)，結(jié)合飛機(jī)電源檢測標(biāo)準(zhǔn)和測試要求，采用雙處理器檢測手段，完成對供配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。737NG 飛機(jī)供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 737NG 飛機(jī)供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of power supply and distribution system for 737NG aircraft

2 NI虛擬儀器+STM32F的供配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 飛機(jī)供配電系統(tǒng)檢測參數(shù)定義

1）飛機(jī)供電系統(tǒng)檢測參數(shù) 主要包括左、右主發(fā)電機(jī)、APU 發(fā)電機(jī)以及機(jī)載電瓶對應(yīng)的輸出參數(shù)。為了更好地描述各發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量和運(yùn)行狀態(tài)，需選取能表征其性能的關(guān)鍵參數(shù)[4-6]。機(jī)載電源主要檢測參數(shù)類型見表1。

2）飛機(jī)配電裝置檢測參數(shù) 主要包括不同大小功率的斷路器、接觸器、繼電器等。根據(jù)各類器件電氣特性[7]，飛機(jī)典型配電裝置檢測參數(shù)定義見表2。

表1 飛機(jī)機(jī)載電源主要檢測參數(shù)類型Tab.1 Main test parameter types of aircraft electrical power

表2 飛機(jī)典型配電裝置檢測參數(shù)Tab.2 Test parameters of typical power distribution device

2.2 飛機(jī)供配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以波音737NG 飛機(jī)的供配電系統(tǒng)為監(jiān)控對象，根據(jù)供配電系統(tǒng)其系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，將電源質(zhì)量部分和配電裝置運(yùn)行狀態(tài)部分采用不同的硬件處理單元進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，電源質(zhì)量部分由NI-PCI-6143虛擬儀器完成數(shù)據(jù)采集，配電裝置運(yùn)行狀態(tài)則采用STM32F429微處理器來實(shí)現(xiàn)，采用LABVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，通過RS-485 數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)具備以下主要功能：①可實(shí)時(shí)監(jiān)控電源供電質(zhì)量，自動識別配電裝置型號、運(yùn)行狀態(tài)；②完成數(shù)據(jù)自動測試、分析、上傳、存儲及管理；③根據(jù)分析結(jié)果給出建議性維修策略；④具備系統(tǒng)自檢、自動斷電保護(hù)及報(bào)警等輔助功能。

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的具體功能，給出其總體設(shè)計(jì)，如圖2所示。由圖可見，監(jiān)控系統(tǒng)由硬件部分（下位機(jī)）和軟件部分（上位機(jī)）兩大部分組成。其中，硬件部分包括雙處理器控制模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)通信模塊；軟件部分包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析與管理模塊以及自動保護(hù)模塊。

2.2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.2 Overall design of monitoring system

NI-PCI-6143虛擬儀器電源質(zhì)量檢測模塊主要包括信號調(diào)理電路、同步數(shù)據(jù)采集單元及傳感器三部分。由傳感器分別從左、右主發(fā)電機(jī)、APU 發(fā)電機(jī)及機(jī)載電瓶的輸出電源插頭處采集對應(yīng)的電壓、電流信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，將調(diào)理后的電壓、電流信號傳輸給同步數(shù)據(jù)采集中心，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)總線上傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。硬件設(shè)計(jì)功能如圖3所示。

圖3 NI-PCI-6143 硬件設(shè)計(jì)功能Fig.3 Design function of NI-PCI-6143

信號調(diào)理電路主要負(fù)責(zé)將傳感器采集的交流115 V，直流28 V的電壓值，以及小于等于50 A的電流值，調(diào)理成能被數(shù)據(jù)采集單元接收的輸入電壓范圍±10 V。傳感器采集的電壓、電流信號先降壓處理，經(jīng)OP37 芯片進(jìn)行整定計(jì)算，然后輸入給NI/PCI-6143 進(jìn)行采集處理。交流電壓115 V，400 Hz 信號調(diào)理電路如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)飛機(jī)電源供電特性，依據(jù)ISO 1540-2006，GJB 181A—2003，GJB 5189—2003等質(zhì)量檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等要求，采集電源電壓、電流需要采用多路同步采樣方式，同步采樣通道不能少于6 路。NI-PCI-6143虛擬儀器擁有強(qiáng)大的總體設(shè)備處理能力，8 路同步采樣模擬輸入，16 位分辨率，高達(dá)250 kS/s 采樣速率，即插即用的USB 總線多功能DAQ模塊，極大的滿足了電源質(zhì)量檢測需求[8-9]。

圖4 交流電壓信號調(diào)理電路Fig.4 Circuit of AC voltage signal conditioning

STM32F429 配電裝置監(jiān)控模塊硬件設(shè)計(jì)主要包括信號調(diào)理電路、STM32F429 微處理器單元、數(shù)據(jù)采集與存儲單元、電源單元等四部分。

①信號調(diào)理電路 信號調(diào)理主要將各個(gè)配電裝置，如繼電器（接觸器）線圈電阻、觸點(diǎn)壓降等信號調(diào)理到采集電路的正常幅值范圍內(nèi)。部分信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 部分信號調(diào)理電路Fig.5 Partial signal conditioning circuit

②微處理器單元 意法半導(dǎo)體公司推出的高性能STM32F429 芯片，將微處理器MCU 與數(shù)字信號處理DSP 完美結(jié)合，工作頻率最高可達(dá)180 MHz，具有高速度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 以及浮點(diǎn)運(yùn)算等功能，片內(nèi)自帶512 kB 高速Flash 程序存儲器和豐富的I/O 接口配置資源，為配電裝置監(jiān)控系統(tǒng)提供了良好的硬件開發(fā)環(huán)境，極大地滿足了測試和評估需求[10-13]。

③數(shù)據(jù)采集與存儲單元為滿足不同配電裝置多路同步高速采集要求，根據(jù)不同器件工作特性和測試參數(shù)需求，選擇EP4CE6E22C8N型FPGA 芯片作為邏輯控制與計(jì)算單元，完成系統(tǒng)同步采樣和數(shù)據(jù)存儲。繼電器觸點(diǎn)壓降采集設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 繼電器觸點(diǎn)壓降采集電路設(shè)計(jì)Fig.6 Design of relay contact voltage drop acquisition

④電源單元為適應(yīng)配電裝置采集參數(shù)的多樣性，外部電源采用模擬穩(wěn)壓電源、數(shù)字電源和程控負(fù)載電源混合供電，電源電壓輸出為9～24 V。由于不同的芯片采用不同的電源類型進(jìn)行獨(dú)立供電，且要求各電源之間互不干擾，電路設(shè)計(jì)采用了AMS1117系列3.3 V 穩(wěn)壓器分別為數(shù)字芯片和模擬電路供電；LM404系列的2.5 V 精準(zhǔn)電源為AD 采樣芯片供電。

2.2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有兩部分，上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。

上位機(jī)軟件的主要功能是將NI/PCI-6143 數(shù)據(jù)采集卡與STM32F429 微處理器處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，由監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示模塊和數(shù)據(jù)分析與管理模塊組成。

監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)參數(shù)顯示模塊主要用于電源供電模式的人工配置、配電裝置的參數(shù)設(shè)置與調(diào)整、負(fù)載參數(shù)配置等，并將相應(yīng)指令到下位機(jī)；將NIPCI-6143 數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與功能運(yùn)算，且將運(yùn)算結(jié)果以圖形化的形式進(jìn)行顯示；接收和顯示STM32F429 微處理器所測得的配電裝置工作運(yùn)行狀態(tài)結(jié)果。電源供電模式及負(fù)載參數(shù)配置子界面如圖7所示。

圖7 電源供電模式及負(fù)載參數(shù)配置子界面Fig.7 Sub interface of power supply mode and load parameter configuration

數(shù)據(jù)分析與管理模塊將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、分析，歸納和整理，分為電源質(zhì)量數(shù)據(jù)包和配電裝置數(shù)據(jù)包，并將各對應(yīng)數(shù)據(jù)包按照數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行分類，按照對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行分級管理，最后將數(shù)據(jù)分析結(jié)果以EXCEL 報(bào)表形式進(jìn)行保存。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要針對STM32F429 微處理器邏輯功能控制和數(shù)據(jù)采集處理部分展開，采用Keil C 編程語言和MDK 編譯環(huán)境，基于模塊化程序編程思想，完成接收和處理上位機(jī)下傳的控制指令，負(fù)責(zé)各硬件電路模塊的邏輯控制、采集數(shù)據(jù)的功能計(jì)算等，并上傳測試數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行存儲和顯示。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

該監(jiān)控系統(tǒng)由90 kVA 發(fā)電機(jī)拖動機(jī)組和60 kVA的地面靜變電源組成交流電源系統(tǒng)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供交流用電源，10 kW的TRU 通過變壓整流為監(jiān)控系統(tǒng)提供直流電源。以波音737NG 飛機(jī)供配電網(wǎng)絡(luò)為模型，模擬該機(jī)型部分電氣負(fù)載配電需求，以外部燈光、燃油泵控制作為實(shí)際用電負(fù)載為例，所需配電裝置由斷路器、接觸器、繼電器、回路二極管組成。

根據(jù)波音B737NG 外部燈光和燃油泵系統(tǒng)運(yùn)行分析，外部燈光、燃油增壓泵可以由左右主發(fā)、APU和地面電源通過匯流條之間的相互切換提供電源。雙發(fā)正常供電時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如圖8所示。

圖8所示運(yùn)行狀態(tài)中，使用了綠色圖形來表示電網(wǎng)相應(yīng)配置部件、裝置、匯流條正常運(yùn)行狀態(tài)；灰色和紅色部分表示不能正常工作或失電狀態(tài)。由圖可見，該運(yùn)行狀態(tài)由GEN1GEN2 分別通過相應(yīng)的配電裝置給對應(yīng)的匯流條正常供電。監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)報(bào)表見表3，通過該報(bào)表不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控到當(dāng)前電源的實(shí)時(shí)輸出參數(shù)和內(nèi)部工作狀態(tài)，還能同時(shí)監(jiān)控到對應(yīng)配電網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的配電裝置的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)電源不能正常供電、配電回路及配電裝置異常時(shí)，還能及時(shí)通過報(bào)表參數(shù)進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)一步判斷故障發(fā)生類型、故障形式，為后期維護(hù)、維修決策提供數(shù)據(jù)支撐。

圖8 雙發(fā)正常供電下監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)Fig.8 Operation status of monitoring system under dual normal power supply

表3 監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)報(bào)表Tab.3 Monitoring system parameter report

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)出全面的供配電監(jiān)控系統(tǒng)是滿足對機(jī)載電氣設(shè)備用電需求的準(zhǔn)確化、智能化、最優(yōu)化分配的有效途徑之一。在此，以波音737NG 供配電系統(tǒng)為研究對象，依據(jù)其系統(tǒng)特性和具體監(jiān)控要求，采用NI虛擬儀器+STM32F 結(jié)合的雙處理器控制方式，設(shè)計(jì)了電源供電、負(fù)載配電裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；從系統(tǒng)管理的角度出發(fā)，建立了監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)管理中心。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，可實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)故障快速診斷和準(zhǔn)確定位，為飛機(jī)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。