【摘 要】根據某型飛機電源系統飛行試驗需要，提出了一種基于FPGA 的飛機電源參數測試設備，用于采集測試飛機電源參數。傳感器采集電源參數，通過光纖傳輸到數據采集卡，經過FPGA 數據處理后傳送到上位機，供用戶進行數據分析和監控。該設備的測試準確度符合GJB5189-2003 的規定。

　　當前，飛機上電力電子設備日益多樣化、復雜化，飛機電源系統的品質直接影響飛行安全。因此在進行飛行時，需要對飛機提供的直流電源、交流電源進行工作特性測量，并給出其參數的基本特性和動態特性。

　　對于電源瞬態特性參數，目前沒有相應的測量設備，從而需研制專用的瞬態電源動態特性參數測量設備對其進行測試，以滿足民機適航性試飛要求。

　　本設備是一種專用測試設備，主要用于飛機交、直流電網參數采集測試，捕獲飛機電源系統的負荷突變、電壓突變，然后提供給地面數據卸載及預處理系統，以評估被測飛機電網絡供電特性是否滿足相關國軍標或設計規范的要求。

　　一、飛機電源特性參數

　　飛機電源系統是飛機上電能產生、調節、控制和電能變換部分的總稱。飛機電源系統由交流電源系統和直流電源系統組成，交流電源系統向機上交流電網提供115/200V，400Hz三相交流電。直流電源系統向機上直流網路提供27V 低壓直流電。

　　根據飛行科目要求，設備需測量飛機交流電源系統、直流電源系統的穩態參數和瞬態參數，包括穩態交流電壓、瞬態交流電壓、穩態交流電流、瞬態交流電流、穩態頻率、瞬態頻率、電壓相位差、畸變頻譜幅值、直流畸變等46 種參數。

　　電源參數的測試準確度遵照GJB5189-2003 的規定：穩態交、直流電壓測量在電壓為額定值時相對誤差在0.2%范圍內，瞬態交、直流電壓測量在電壓為最大極限時相對誤差在0.5%范圍內，交、直流電流測量在電流為額定值時相對誤差在0.8%范圍內。

　　二、總體設計

　　飛機電源瞬態特性參數測試設備主要由嵌入式CPCIE/CPCI 計算機、4 塊12 通道數據采集卡、IRIG-B 時碼卡、 ARINC429 總線板卡、以及前端電壓、電流測量傳感器組成一個集成化、標準化的飛行電源動態特性參數測量設備。

　　該設備面向試飛工程師、數據處理工程師以及其它相關人員，為他們提供電源動態特性參數測試數據。

　　2.1 總體結構

　　電源瞬態特性參數測試設備包括傳感器、信號調理設備、信號采集記錄器、編程加載裝置等。其中信號采集記錄器由采集機箱、控制器板卡、ARINC429 總線板卡、時碼板卡、高速數據采集板卡、可拆卸固態記錄器、顯示器及鍵盤等組成，如圖1 所示：

　　圖1 電源瞬態特性參數測試設備結構圖

　　本設備的輸入信號包括：電壓、電流信號，IRIG-B 時碼信號和429 總線信號。其中，機載電源的電壓、電流信號，通過傳感器、信號調理設備將實際的電壓電流信號轉成適合板卡的電壓信號。整套設備與機載電源隔離，不會對飛機干擾飛機正常工作。

　　2.2 硬件組成

　　傳感器主要用于交直流電流的變換，本測試設備的被測試信號包括電壓信號和電流信號，電壓信號直接分壓后進入測試設備，以增加系統的帶寬，改善系統的動態性能；電流信號由電流傳感器變換后進入測試設備。

　　為了提高抗干擾性能和動態性能，選用霍爾電流傳感器，將交直流電流轉換成200mA 以下的交直流小電流輸入到信號調理設備。

　　信號調理設備完成信號的調理，主要包括電壓信號的衰減、電流-電壓信號的轉換、交、直流電壓畸變信號和交流電壓直流分量的調理等功能。調理后的模擬信號送入數據采集設備進行采樣。

　　采集器為3U CPCIE 機載計算機，主要包括CPU 卡、電源數據采集卡、IRIG-B 時碼卡、429 總線卡、以及SATA 擴展口，其組成如圖2 所示：

　　圖2 采集器組成結構圖。

　　本采集設備主要用于捕獲飛機電源系統的負荷突變、電壓突變，屬于偶發現象，電源突變頻譜成分高，需要非常高的采樣率。

　　CPCI 電源數據采集卡是本設備的核心關鍵部分。選用16位高精度數據采集卡，板卡有12 個同步采樣通道，每個通道有獨立8 檔程控增益放大器、抗混迭濾波器、過零比較器、16 位A/D 轉換器和12 通道共享的內置192 核DSP 的FPGA 芯片組成。有效提高了帶寬，滿足板上所有通道同步采集的數據傳輸的需求。主要功能框圖如圖3 所示：

　　圖3 CPCI 電源數據采集卡功能框圖。

　　信號經過濾波放大之后，通過A/D 采集；采集結果進入FPGA，FPGA 完成大部分的數據處理，將半成品數據的結果通過高速接口PCIE 總線上傳給上位機，上位機完成最后的數據處理。FPGA 的主要功能包括：光纖通道（FC）數據接收、時統功能、背板ASB 總線提供100MHz 的時間標記、數據分析處理（過零點發現、數字濾波、數字信號處理）、PCI-E 接口控制。

　　系統采用IRIG-B 時碼同步機制，通過以太網或PCM 數據將電源數據、異常事件信息發送到測試以太網上供地面數據預處理系統使用。

　　3.傳感器設計

　　交流、直流電壓測量傳感器設計成統一通用的傳感器。

　　傳感器輸入采樣兩個4 芯航空插頭，每個航空插頭可接一組三相交流電壓或三路直流電壓。傳感器采用28V 直流供電。

　　傳感器信號輸出采用光纖與采集器連接。光纖為2.5G 高速光纖2 根。1 根用于采集器向傳感器發送同步信號，另一根用于傳感器向采集器發送數據。傳感器通過3 個按鈕開關進行設置，開關帶鎖住功能，防止誤動作。傳感器的設置狀態隨測試數據一起發送給采集器，連接圖如圖4 所示：

　　圖4 傳感器與采集器連接圖。

　　三、結束語

　　飛機電源瞬態特性參數測試設備是對飛機供電系統性能參數測試的主要手段，是保證飛機電氣系統正常運行的重要環節。本測試設備不僅實現了測量GJB5189-2003 中規定的一些需采用特殊數據采集和分析方法才能測量的參數，還可以實時紀錄多個通道的信號波形，在飛機供電特性測試時可以代替示波器、萬用表和頻譜分析儀等儀器、儀表的功能，形成了具有自動化、開放、靈活的綜合檢測試驗設備。