楊 菊

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

一種基于虛擬儀器的飛機(jī)直流供電系統(tǒng)模擬設(shè)備設(shè)計(jì)?

楊 菊??

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

為解決在機(jī)載設(shè)備的開(kāi)發(fā)及維護(hù)中飛機(jī)直流供電系統(tǒng)的各種極端供電模式的模擬問(wèn)題，通過(guò)對(duì)飛機(jī)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(shù)的飛機(jī)直流供電系統(tǒng)模擬設(shè)備的實(shí)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(tái)、德國(guó)E-T-A公司及美國(guó)Airpax公司的專用直流斷路器，軟件系統(tǒng)基于LabView平臺(tái)，采用狀態(tài)機(jī)及生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提出了一種瞬間斷電測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)際使用結(jié)果表明，所研制的設(shè)備能夠真實(shí)地模擬飛機(jī)直流供電系統(tǒng)的各種極端供電模式，完成了瞬間斷電測(cè)試，供電邏輯正常，響應(yīng)快速，可靠性高，系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性。

機(jī)載設(shè)備；直流供電；虛擬儀器；瞬間斷電測(cè)試

1 引言

為了滿足現(xiàn)代飛機(jī)高可靠性的要求，以完成復(fù)雜的飛行任務(wù)并保證飛行安全，機(jī)上配置了大量的先進(jìn)機(jī)載設(shè)備，品質(zhì)優(yōu)良的供電系統(tǒng)則是機(jī)載設(shè)備正常工作的前提［1］。為保證在各種情況下各機(jī)載用電設(shè)備能正常工作，飛機(jī)的供電系統(tǒng)配備有主電源、輔助電源、應(yīng)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(jī)電源系統(tǒng)的電能傳輸并分配至機(jī)載用電設(shè)備，同時(shí)具有保證配電系統(tǒng)正常工作和出現(xiàn)故障時(shí)，防止故障蔓延擴(kuò)散的控制與保護(hù)功能［2］。

在現(xiàn)代飛機(jī)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)過(guò)程中，如何真實(shí)地模擬飛機(jī)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(wèn)題。實(shí)際工程中，一般是通過(guò)人工手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)來(lái)控制和模擬飛機(jī)供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，但這種方式與飛機(jī)供電系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)有較大差異，降低了對(duì)機(jī)載設(shè)備功能實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的實(shí)際意義，重要的是，有些供電系統(tǒng)的工作方式是無(wú)法通過(guò)人工手動(dòng)操作的方式來(lái)完成，如設(shè)備的瞬間掉電等，因此，飛機(jī)直流供電系統(tǒng)模擬設(shè)備的研制具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要就飛機(jī)電源系統(tǒng)的綜合測(cè)試、地面電源的品質(zhì)測(cè)試、地面電源的模型試驗(yàn)及飛機(jī)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(guān)的研究成果，但仍留有一些問(wèn)題，尤其是幾乎沒(méi)有涉及到飛機(jī)電源地面模擬供電問(wèn)題。本文提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)的飛機(jī)直流供電系統(tǒng)模擬設(shè)備，操作人員通過(guò)人機(jī)交互界面，在計(jì)算機(jī)的控制下真實(shí)地模擬飛機(jī)直流供電系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)及設(shè)備加電控制信號(hào)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)匯流條和機(jī)載設(shè)備工作時(shí)的電壓及電流值。此外，文中還提出了一種50 ms斷電測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方法。所研制的模擬設(shè)備系統(tǒng)響應(yīng)速度快，檢測(cè)精度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：電壓電流的檢測(cè)精度為±15％FS，供電模式的切換時(shí)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(jié)構(gòu)及功能

直流供電系統(tǒng)模擬設(shè)備主要完成飛機(jī)直流供電系統(tǒng)對(duì)機(jī)載用電設(shè)備供電邏輯及供電狀態(tài)的模擬，由上位計(jì)算機(jī)、美國(guó)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)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(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)構(gòu)成的主機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電邏輯控制、電壓電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)及加電控制等功能；機(jī)載電源匯流條模擬器是系統(tǒng)組成的關(guān)鍵部分，主要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)直流供電系統(tǒng)各種供電邏輯的模擬，并接收系統(tǒng)主機(jī)控制命令，實(shí)現(xiàn)各種供電方式下對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行模擬供電。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要完成對(duì)各匯流條及負(fù)載供電、電壓電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示、各種不同供電模式的模擬、加電控制信號(hào)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(fù)載），270 V電壓和電流各8路（6路匯流條，2路負(fù)載）；用于實(shí)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(tái)cDAQ-9178系統(tǒng)，4個(gè)模入電流采集模塊NI9208及1個(gè)數(shù)字量輸出模塊NI9477。NI CompactDAQ硬件為工作臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)線上的傳感器及電子測(cè)量提供了USB接口即插即用的便利特性，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、便攜型應(yīng)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(jiǎn)便且價(jià)位適中的系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)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(shí)間為每通道52 ms；在高速模式下，轉(zhuǎn)換時(shí)間為每通道2 ms，具有測(cè)量精度高、轉(zhuǎn)換速度快的特點(diǎn)，適合于高精度快速測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)為1μs，滿足系統(tǒng)要求。

為盡可能再現(xiàn)機(jī)上裝置環(huán)境，直流斷路器選擇了德國(guó)E-T-A公司的專用高性能28 V直流斷路器412-K14-LN2、美國(guó)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(mén)為保護(hù)設(shè)備、控制系統(tǒng)和電路元件，防止電路過(guò)載和電路短路引起的潛在危險(xiǎn)而特別設(shè)計(jì)的，分?jǐn)嚯娏? 000 A。

實(shí)現(xiàn)不同供電模式的模擬是硬件系統(tǒng)的主要任務(wù)。由于飛機(jī)直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供電方式多，實(shí)現(xiàn)較為困難。在對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)直流供電系統(tǒng)工作模式及供電邏輯分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基本供電硬件結(jié)構(gòu)，而不同供電模式和供電邏輯的實(shí)現(xiàn)，則是由操作人員通過(guò)軟件控制固態(tài)繼電器來(lái)完成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種模式具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制功能靈活、系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of the system hardware

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用專業(yè)的工控開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW設(shè)計(jì)出基于圖形模式的人機(jī)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(shí)斷電試驗(yàn)、供電模式配置、系統(tǒng)參數(shù)配置及實(shí)時(shí)幫助等。軟件功能框圖如圖3所示，其中的關(guān)鍵技術(shù)在于軟件系統(tǒng)的架構(gòu)及50 ms瞬時(shí)斷電試驗(yàn)的實(shí)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(gòu)及50 ms瞬時(shí)斷電試驗(yàn)

（1）系統(tǒng)架構(gòu)

軟件系統(tǒng)架構(gòu)將直接決定系統(tǒng)的性能及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。為了以最低的復(fù)雜度代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的軟件性能，為此采用了基于OpenG社團(tuán)的JKI狀態(tài)機(jī)及生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式的架構(gòu)。OpenG社團(tuán)是一個(gè)優(yōu)秀的LabVIEW應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)發(fā)團(tuán)體，它的創(chuàng)建者是Jim Kring。OpenG是一種源代碼公開(kāi)的圖形化編程語(yǔ)言。JKI狀態(tài)機(jī)是一種基于字符串驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)機(jī)，在系統(tǒng)中主要用于處理人機(jī)交互、供電邏輯的模擬控制等，電壓電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示則是通過(guò)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)機(jī)與生產(chǎn)者-消費(fèi)者結(jié)構(gòu)間的數(shù)據(jù)共享是通過(guò)數(shù)據(jù)隊(duì)列來(lái)完成。整個(gè)軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

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

（2）50 ms瞬時(shí)斷電試驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)載功能模塊在瞬間掉電時(shí)的性能，需要模擬電源系統(tǒng)提供瞬時(shí)斷電試驗(yàn)。瞬時(shí)斷電試驗(yàn)是實(shí)際工程中長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題，其關(guān)鍵在于如何實(shí)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(shí)精度，二是硬件動(dòng)作的時(shí)間精度。要實(shí)現(xiàn)高精度的定時(shí)，必須使用硬件定時(shí)器。本系統(tǒng)基于資金投入及嘗試的原則，采用了軟件定時(shí)加固態(tài)繼電器的實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)while循環(huán)、定時(shí)模塊、移位寄存器及條件邏輯等來(lái)實(shí)現(xiàn)，條件邏輯框中完成對(duì)匯流條的加電和斷電控制。程序結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 瞬時(shí)斷電試驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)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(shè)置工作方式，可通過(guò)面板上的工作方式開(kāi)關(guān)進(jìn)行簡(jiǎn)單切換。模式工作方式下，系統(tǒng)按照預(yù)先定義的供電邏輯控制相應(yīng)的固態(tài)繼電器，以實(shí)現(xiàn)不同模式的供電，工作過(guò)程中不能改變某個(gè)固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)。但可以通過(guò)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(guò)工作方式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到設(shè)置工作模式。在設(shè)置工作方式下，可以通過(guò)面板上電壓電流顯示表下的控制開(kāi)關(guān)，單獨(dú)地對(duì)某個(gè)特定的固態(tài)繼電器進(jìn)行控制。當(dāng)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(yīng)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(shí)際工作狀態(tài)在界面的左部進(jìn)行顯示。當(dāng)檢測(cè)到的電壓電流出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)不斷閃爍的數(shù)顯背景來(lái)提示操作人員，并同時(shí)切斷設(shè)備供電，以保護(hù)設(shè)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(shí)斷電測(cè)試

可以完成某個(gè)匯流條的瞬時(shí)斷電測(cè)試。斷電時(shí)間、測(cè)試次數(shù)、間斷時(shí)間等參數(shù)在測(cè)試前可通過(guò)右邊的測(cè)試參數(shù)配置進(jìn)行設(shè)定，然后按下開(kāi)始鍵，系統(tǒng)將自動(dòng)地按照設(shè)定好的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行斷電測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中的匯流條的電壓電流變化值及參數(shù)值會(huì)隨著測(cè)試的進(jìn)行自動(dòng)改變。瞬時(shí)斷電測(cè)試模式的功能界面如圖7所示。

圖7 瞬時(shí)斷電測(cè)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(jié)果將自動(dòng)地保存在系統(tǒng)中，以供選擇。系統(tǒng)預(yù)先定義了幾種固定的供電方式名稱，各個(gè)供電模式是可以任意進(jìn)行配置的。在進(jìn)行某種供電邏輯配置時(shí)，可以先在供電方式下拉列表框中選擇供電方式名稱，此時(shí)，該供電方式的原有設(shè)置將在圖上進(jìn)行顯示，然后用鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊圖中的開(kāi)關(guān)，改變開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)所有的開(kāi)關(guān)狀態(tài)都設(shè)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(shí)，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(jié)論

本文提出了一種飛機(jī)直流電源供電模擬系統(tǒng)，能夠真實(shí)模擬飛機(jī)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(jī)和生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式的系統(tǒng)架構(gòu)很好地處理了整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)顯示。同時(shí)，提出了一種瞬間斷電試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)的實(shí)際使用情況表明該設(shè)備能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)的要求，具有很好的實(shí)用價(jià)值和擴(kuò)充性。

但是，在瞬間斷電試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法中采用了軟件定時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)高精度的定時(shí)，使得其實(shí)用性受到一定影響，可通過(guò)選用含硬件定時(shí)功能的硬件系統(tǒng)來(lái)完善，這有待后續(xù)作進(jìn)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(xué)獲計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹诫娤到y(tǒng)模擬環(huán)境動(dòng)態(tài)仿真及飛機(jī)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

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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

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