吳冬 王宇鵬

摘要：航空線纜作為飛機(jī)能量供給及信息傳輸?shù)闹匾浇椋淇煽啃詫?duì)飛機(jī)安全具有舉足輕重的作用。因此，文章針對(duì)現(xiàn)有航空線纜故障檢測(cè)能力與定位精度存在的問(wèn)題，基于時(shí)域反射原理開(kāi)發(fā)了一種適用于航空線纜布線環(huán)境下的單端故障定位系統(tǒng)。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障位置，實(shí)現(xiàn)航空線纜故障的單端高精度定位。

關(guān)鍵詞：時(shí)域反射法;單端檢測(cè);故障定位;航空線纜;飛機(jī)安全

中圖分類號(hào)：TN913.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）25-0029-04

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

隨著科學(xué)技術(shù)和交通運(yùn)輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展，飛機(jī)已成為現(xiàn)代社會(huì)最主要的交通運(yùn)輸工具。飛機(jī)上裝配的線纜作為飛機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)，其可靠性與飛行安全密切相關(guān)[1]。航空線纜數(shù)量多、種類雜，航空線纜使用過(guò)程中斷路、短路等故障隨著飛行時(shí)間的增加逐漸凸顯，給飛機(jī)飛行帶來(lái)極大的安全隱患[2]，因此，針對(duì)數(shù)量龐大、種類繁雜的線束線纜診斷需求，需準(zhǔn)確高效的故障檢測(cè)與定位方法，提升線束線纜的故障檢測(cè)能力與速度。

迄今為止，對(duì)于線纜故障診斷方法的主要分為局部放電法、介質(zhì)損耗測(cè)量法及反射法[3-5]等。但局部放電法所需電壓較高，不適合低壓供電及信號(hào)線纜的檢測(cè)，且檢測(cè)過(guò)程中對(duì)線纜有一定的損害;介質(zhì)損耗測(cè)量法只能判斷線纜整體絕緣狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行故障精準(zhǔn)定位;此外，由于飛機(jī)線纜布線空間狹窄并高度復(fù)雜，線纜的雙端在實(shí)際環(huán)境中難以尋找，局部放電法、介質(zhì)損耗測(cè)量法等雙端檢測(cè)法不符合航空線纜的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。綜合考慮飛機(jī)線纜的布線環(huán)境及應(yīng)用需求，本文擬基于時(shí)域反射方法進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，該方法基于雷達(dá)原理，通過(guò)發(fā)送一個(gè)低壓高頻信號(hào)至待測(cè)電纜中，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)傳輸至由故障（開(kāi)路和短路等） 引起的阻抗不匹配點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，在收集端采集遇故障點(diǎn)反射的反射信號(hào)，通過(guò)入射信號(hào)和反射信號(hào)之間的延遲時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位[6]。

本文的結(jié)構(gòu)如下：第一部分詳細(xì)介紹了線纜故障定位算法的設(shè)計(jì);第二部分介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的硬件及配套軟件設(shè)計(jì);第三部分是展示了原型系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果;在文章的最后一部分給出了本文的結(jié)論。

1 線纜故障定位算法設(shè)計(jì)

航空線纜故障定位基于傳統(tǒng)時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中入射信號(hào)與反射信號(hào)之間延遲時(shí)間的分辨率及準(zhǔn)確性與定位精度密切相關(guān)。在時(shí)域反射原理的基礎(chǔ)上利用滑動(dòng)相關(guān)算法以降低噪聲干擾對(duì)延遲時(shí)間計(jì)算的誤差，從而提高延遲時(shí)間計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.1 TDR原理概述

本系統(tǒng)采用時(shí)域反射TDR（Time domain reflectometry） 技術(shù)，即時(shí)域反射技術(shù)。時(shí)域反射技術(shù)通過(guò)向線纜注入高頻的檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)傳輸線基本理論，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)遇到故障（開(kāi)路和短路等） 引起的阻抗不匹配點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)[7]。通過(guò)其入射信號(hào)與反射信號(hào)間的時(shí)間間隔與線纜長(zhǎng)度成正比的原理，確定線纜故障點(diǎn)的距離。

[l=v·Δt2] （1）

式中，[l]為測(cè)試點(diǎn)到線纜故障點(diǎn)間的距離，[v]為信號(hào)在線纜中的傳播速度，[Δt]為入射信號(hào)與反射信號(hào)之間的延遲時(shí)間。

根據(jù)行波在線纜上傳播的電磁解釋[8]可知，在頻率很高時(shí)，波速度[v]趨近于一恒定的常數(shù)，可以近似表示為：

[v=1L0C0=cμεr] （2）

式中，[L0]為傳輸線單位長(zhǎng)度上的電感;[C0]為傳輸線單位長(zhǎng)度上的電容;[c]為光在真空中的傳播速度;[μ]為線纜芯線周圍介質(zhì)的高頻相對(duì)磁導(dǎo)率;[εr]為線纜芯線周圍介質(zhì)的高頻相對(duì)介電常數(shù)。

由此可見(jiàn)，高頻時(shí)線纜中的波速度可認(rèn)為只與線纜的絕緣介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，對(duì)于不同材料制成的線纜，如果其絕緣介質(zhì)相同，其波速度[v]是不變的[9]。

因此，計(jì)算出延遲時(shí)間[Δt]并將入射信號(hào)的波速度[v]帶入到公式1就可以計(jì)算出故障距離[l]。

1.2 線纜定位算法設(shè)計(jì)

根據(jù)TDR原理公式（1） ，在信號(hào)波速確定的情況下，入射信號(hào)和反射信號(hào)的延遲時(shí)間[Δt]和故障距離成正比，利用滑動(dòng)相關(guān)算法計(jì)算延遲時(shí)間[Δt]，該方法誤差較小并具有一定的抗干擾性。

根據(jù)相關(guān)值理論，如圖1所示，首先將用于故障檢測(cè)的入射激勵(lì)信號(hào)截取，隨后將截取信號(hào)從故障信號(hào)（包含入射信號(hào)和反射信號(hào)） 的起始位置依次后移做相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)截取信號(hào)與入射信號(hào)有重合時(shí)，相關(guān)值會(huì)變大。當(dāng)截取信號(hào)的起點(diǎn)超過(guò)入射信號(hào)的終點(diǎn)[N2]（[N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)]） ，此時(shí)相關(guān)值會(huì)變小并趨于平穩(wěn)。根據(jù)傳輸線基本理論，反射信號(hào)是入射信號(hào)的衰落信號(hào)，所以在截取的信號(hào)與反射信號(hào)有重合時(shí)，相關(guān)值也會(huì)變大，當(dāng)截取的信號(hào)與反射信號(hào)完全重合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相關(guān)峰值。

本算法以入射信號(hào)的終點(diǎn)[N2]作為相關(guān)值計(jì)算的起點(diǎn)，截取的信號(hào)與反射信號(hào)的相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)點(diǎn)作為終點(diǎn)，起點(diǎn)與終點(diǎn)之間平移的采樣間隔為[y]，也就是入射信號(hào)的終點(diǎn)[N2]到反射信號(hào)的起點(diǎn)為[N3]之間的距離為[y]，所以，反射信號(hào)的起點(diǎn)為：

[N3=N2+y] （3）

根據(jù)入射信號(hào)的起點(diǎn)[N1]與反射信號(hào)的起點(diǎn)[N3]，兩起點(diǎn)之間采樣間隔為：

[GAP=N3-N1] （4）

[fosc]為信號(hào)周期，所以入射信號(hào)與反射信號(hào)的延遲時(shí)間為：

[Δt=GAP*fosc] （5）

然后利用公式（1） 就可以計(jì)算出故障距離[l]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

航空線纜故障單端定位系統(tǒng)主要利用信號(hào)收發(fā)裝置用于故障檢測(cè)入射激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射及反射信號(hào)的接收，然后通過(guò)專用數(shù)據(jù)接口將波形數(shù)據(jù)傳入到配套軟件之中，通過(guò)本文中算法對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，利用軟件界面顯示出故障位置、相關(guān)性等信息，實(shí)現(xiàn)線纜故障的單端精準(zhǔn)定位。圖2展示了系統(tǒng)總體示意圖。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

故障定位系統(tǒng)硬件主要由信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)通信總線、存儲(chǔ)器以及電源等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)通電后，PL（Processing System） 端的信號(hào)發(fā)生模塊將產(chǎn)生的故障檢測(cè)激勵(lì)波形數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） 打入到待測(cè)線纜，檢測(cè)波形遇到故障點(diǎn)發(fā)生發(fā)射后，信號(hào)采集模塊通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 將回波信號(hào)采集，并通過(guò)內(nèi)部高速數(shù)據(jù)總線將故障數(shù)據(jù)傳入到PS端的DDR緩存中，然后利用UART協(xié)議將故障數(shù)據(jù)傳入到上位機(jī)，上位機(jī)的配套軟件處理與分析故障信息，給出檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)故障定位。

（1） 信號(hào)發(fā)生模塊

信號(hào)發(fā)生模塊利用DMA技術(shù)向DAC寫入TDR檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，DMA主接口使用64位的AXI接口，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存及PL外設(shè)間的數(shù)據(jù)交互進(jìn)行處理[10]。由于其內(nèi)部具有獨(dú)立的DMA控制器用于對(duì)內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸或與外部的數(shù)據(jù)交互進(jìn)行控制，因此，可在免CPU控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[11]。DMA控制器的基本工作流程如圖4。

（2） 信號(hào)采集模塊

故障檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)在遇到故障點(diǎn)反射后，經(jīng)過(guò)高速濾波器，濾除干擾信號(hào)，高速ADC用于采集故障波形數(shù)據(jù)（包含入射信號(hào)和反射信號(hào)） [12]，由于需要將ADC采集的數(shù)字檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)DMA技術(shù)傳輸?shù)絇L端，和信號(hào)發(fā)生模塊類似，需要添加FIFO進(jìn)行跨時(shí)鐘數(shù)據(jù)處理，以解決ADC時(shí)鐘與AXI Stream時(shí)鐘頻率不匹配的問(wèn)題[13]。

（3） PL和PS互聯(lián)技術(shù)

ARM處理器與FPGA之間的高速通信和數(shù)據(jù)交互主要依靠AXI總線協(xié)議，其主要對(duì)主次設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸方法進(jìn)行描述，其處于PS端的ARM上，可以直接用AXI接口連接。對(duì)于邏輯編程端來(lái)說(shuō)，其在實(shí)現(xiàn)邏輯語(yǔ)句的時(shí)候需要用到AXI協(xié)議[14]。Xilinx在Vivado開(kāi)發(fā)環(huán)境里提供AXI_DMA的IP實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的接口，AXI_DMA為內(nèi)存與AXI Stream外設(shè)之間提供高帶寬的直接內(nèi)存訪問(wèn)，其可選的Scatter/Gather功能可將CPU從數(shù)據(jù)搬移任務(wù)中解放出來(lái)。AXI_DMA實(shí)現(xiàn)從PL端AXI Stream到PS端AXI_HP之間的高速傳輸通道[15]。圖5為PL端與PS端互聯(lián)技術(shù)的原理框圖。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖6為配套軟件設(shè)計(jì)流程圖，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通過(guò)Matlab平臺(tái)仿真實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了配套軟件界面、線纜故障定位算法。配套軟件可靈活修改通用參數(shù)、檢測(cè)波形、線纜類型等，選擇參數(shù)后將信息輸入到線纜故障定位算法，定位算法將接收到的故障波形及計(jì)算出的故障位置傳回到軟件界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)、故障波形、故障位置的直觀顯示，并且由于平臺(tái)的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需求，后期對(duì)算法以及一些功能的升級(jí)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，利用原型系統(tǒng)對(duì)硬件與配套軟件算法進(jìn)行測(cè)試，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的整體性能。

3.1 測(cè)試環(huán)境及配置

表1為此系統(tǒng)測(cè)試的基本參數(shù)：

3.2 系統(tǒng)整體性能驗(yàn)證

表2為此系統(tǒng)對(duì)不同長(zhǎng)度線纜故障的測(cè)試結(jié)果：

通過(guò)使用不同長(zhǎng)度線纜進(jìn)行測(cè)試，可以看出此系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定，誤差較小。引起誤差主要有兩方面，分別是受硬件采樣頻率、噪聲干擾導(dǎo)致的延遲時(shí)間誤差和信號(hào)傳輸過(guò)程中波速存在衰減現(xiàn)象導(dǎo)致的信號(hào)波速誤差。后續(xù)可以提高硬件的采樣頻率及設(shè)計(jì)降噪算法以減小延遲時(shí)間誤差，并采用對(duì)波速進(jìn)行校準(zhǔn)的方法減小信號(hào)波速誤差。

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了一種適用于航空線纜應(yīng)用環(huán)境下的高精度便攜故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在時(shí)域反射原理的基礎(chǔ)上，利用滑動(dòng)相關(guān)定位算法降低了噪聲干擾對(duì)定位精度的計(jì)算誤差，解決了數(shù)量龐大、種類繁雜的航空線纜故障診斷難題。從原型系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果可看出，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、復(fù)雜度較低，故障定位誤差與線纜長(zhǎng)度相關(guān)性較小，系統(tǒng)的魯本性較強(qiáng)。因此，該系統(tǒng)對(duì)于消除航空線纜故障隱患、保障航空器的安全運(yùn)行具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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