王海斌，王永虎，丁發(fā)軍，錢 偉

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

運輸航空中老齡化航空器運行情況較為普遍，壽命超過10年的航空器仍大量運行。老齡化航空器電氣線路容易發(fā)生過載、過流、轉(zhuǎn)換電路觸點粘接、匯流條固定觸點脫松等故障，嚴重時可誘發(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設(shè)備。經(jīng)測試驗證后，將本檢測設(shè)備投入到民航航線、定期檢測中，將極大地提升飛機線路檢測效率，并在一定程度上提升了我國民航機務(wù)維修技術(shù)水平。本文將結(jié)合放電故障紫外檢測平臺的研制過程，對平臺總體設(shè)計方案、軟硬件關(guān)鍵技術(shù)和測試結(jié)果進一步詳細闡述。

1 總體方案

本文研究的基于ARM的放電故障紫外檢測平臺，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。航空器上電氣線路由于受到結(jié)構(gòu)空間的影響，在機體金屬構(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數(shù)據(jù)線路。電氣線路與電子設(shè)備之間通過電氣節(jié)點實現(xiàn)連接，電氣節(jié)點在通電過程中存在著火花放電、發(fā)熱等問題[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)檢測方法實現(xiàn)監(jiān)控。本文提出的嵌入式紫外檢測平臺要求在測試距離≥6 m，測試時間≤15 ms的飛機系統(tǒng)通電情況下，能夠迅速將故障位置進行定位，為排除飛機電設(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。

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

1.1 平臺設(shè)計要求

本文研制的電氣線路放電故障檢測平臺，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。考慮到平臺適用環(huán)境，將檢測平臺設(shè)計要求定位如下[9]：

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

響應(yīng)時間（R/T） 響應(yīng)時間對于實時性要求較高檢測對象十分重要，本文響應(yīng)時間設(shè)計要求為R/T≤15 ms；

誤碼率（BER） 測試結(jié)果準確、可靠是檢測一個系統(tǒng)實用價值最重要的標準，本文誤碼率設(shè)計要求為 BER=10-5～10-8。

1.2 平臺設(shè)計方案

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

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

主控模塊以ARM微處理器為核心，對測試信號進行實時邏輯處理，并調(diào)動其余子模塊，最終為用戶實現(xiàn)檢測需要。下文將對ARM處理器及系統(tǒng)相關(guān)硬件的選型進行說明，軟件平臺在硬件平臺基礎(chǔ)上進行設(shè)計，系統(tǒng)硬件平臺選定后，將對軟件開發(fā)情況進行介紹。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)本文研究對象的設(shè)計要求，在紫外檢測系統(tǒng)的硬件平臺開發(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，是目前市場上唯一一款同時支持Linux、Android和WinCE 3個操作系統(tǒng)的工業(yè)級控制芯片[10-12]。

系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計主要包括以微處理器AM3358為核心的主控模塊，以及實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的檢測模塊。主控模塊在微處理器基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)對外圍電路設(shè)計與配置，如數(shù)據(jù)通信接口、電源供給接口以及時鐘電路等。檢測模塊主要功能是利用采集模塊實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換后的電信號進行處理，最后傳輸給主控模塊。系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件平臺設(shè)計Fig.2 Design for hardware platform

硬件平臺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，可迅速可靠地檢測出火焰發(fā)出的微弱紫外輻射。

信號處理模塊主要實現(xiàn)功能為當有170～300 nm紫外輻射光敏管的探測范圍時，采集并放大該信號，并進行一定處理。根據(jù)上述實現(xiàn)功能，在設(shè)計信號處理模塊時，將設(shè)計流程分為感應(yīng)紫外輻射光源、采集光敏器件響應(yīng)信號、實現(xiàn)選頻、信號放大，并將噪聲信號進行濾除。在進入到主控模塊前，將該信號進行二次放大，并進行數(shù)字信號濾波處理，以減少隨機噪聲影響。該過程主要由軟件程序算法來實現(xiàn)。信號處理模塊設(shè)計流程如圖3所示。

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

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計主要包括3個層次的設(shè)計，第一層是將嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核Linux3.2在微處理器AM3358上進行系統(tǒng)移植，通過對內(nèi)核系統(tǒng)進行簡化，并通過修改Makefile文件和系統(tǒng)Configuration文件，成功實現(xiàn)了Linux3.2與AM3358的結(jié)合。第二層主要是實現(xiàn)驅(qū)動程序設(shè)計，驅(qū)動程序是連接上層應(yīng)用程序和底層硬件的橋梁。放電故障檢測平臺的設(shè)計中，使用了控制、顯示和存儲等外圍設(shè)備，對于各種不同的設(shè)備映射為不同的文件。系統(tǒng)內(nèi)核通過對調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備文件，可實現(xiàn)對硬件資源的操作。第三層是實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計，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)存儲程序和顯示控制程序4個功能單元。系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計如圖4所示。

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

放電故障紫外檢測平臺核心功能是在“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，將接收和處理來自紫外敏感波段為170～300 nm的轉(zhuǎn)換信號，通過內(nèi)置程序的算法函數(shù)get_Count-Pulse（）和 get_TimePulse（）進一步判斷數(shù)據(jù)信號測試結(jié)果。并將處理結(jié)果傳輸給顯控裝置，并對光電報警裝置進行觸發(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 平臺整機測試及結(jié)果

針對本文研制的放電故障紫外檢測平臺各項性能指標，通過以下測試項目來實現(xiàn)平臺的檢測：

3.10 臨近保質(zhì)期食品。接近但尚未超過食品包裝上標明的保質(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、對應(yīng)不低于期滿之日前2 天的食品。

1）靈敏度性能測試

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，檢測平臺能夠檢測到有火花放電現(xiàn)象，并顯示相關(guān)參數(shù)以及啟動警告裝置，達到了S/N≥10 mJ的設(shè)計要求。從測試結(jié)果來看，平臺靈敏度較高。

2）響應(yīng)時間R/T）性能測試

平臺響應(yīng)時間（R/T）包括由產(chǎn)生電氣放電現(xiàn)象到系統(tǒng)啟動報警裝置所消耗時間。響應(yīng)時間是放電檢測平臺一個重要的性能技術(shù)參數(shù)，能夠表征平臺對放電信息的反應(yīng)能力。本測試采用火花、線路短接放電和精密火花發(fā)生裝置3種輻射源進行實驗，隨機記錄15組響應(yīng)時間，對15組響應(yīng)時間進行分析和驗證是否設(shè)計滿足。響應(yīng)時間數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 平臺響應(yīng)時間數(shù)據(jù)表Tab.1 Response time data for platform

檢測平臺的15次響應(yīng)時間最大539.0 μs，能夠滿足系統(tǒng)響應(yīng)時間的設(shè)計要求。

經(jīng)過上述實驗室環(huán)境測試，可以驗證本文設(shè)計的放電故障紫外檢測平臺能夠滿足設(shè)計中技術(shù)和功能指標的要求。并擬將本平臺在實際應(yīng)用環(huán)境下進行現(xiàn)場檢測，在進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的便攜式設(shè)備。

5 結(jié)語

本文針對威脅航空器飛行安全的電氣線路放電故障現(xiàn)象進行研究，通過對放電能量特點的解析，提出了基于ARM的放電故障紫外檢測嵌入式平臺的設(shè)計方案。并實現(xiàn)對各功能模塊軟硬件的設(shè)計和制作，最終完成了測試平臺的研制。

經(jīng)試驗測試，本文研制的放電故障紫外檢測平臺，靈敏度較高、響應(yīng)速度快且運行可靠、穩(wěn)定。檢測平臺可作為一種協(xié)助民航機務(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，也為民航飛機維護智能化建設(shè)提供了一個較好的發(fā)展方向。

[1]彭向陽，鐘清，饒章權(quán)，等.基于無人機紫外檢測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.基于嵌入式計算機的紫外內(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.紫外火焰探測器響應(yīng)時間測試系統(tǒng)的研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，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計算[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（21）：52-55.

[5]郭俊，吳廣寧，張血琴，等.局部放電檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報，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)測系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備，2010，30（6）：135-139.

[7]汪金剛，何為，李青文，等.基于紫外脈沖檢測的非接觸式特高壓驗電儀[J].電工技術(shù)學(xué)報，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)測系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（10）：69-70.

[9]周清平.模塊化嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].自動化儀表，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)機在人機界面中的應(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.