（电力电子与电力传动专业论文）基于pci数据采集卡的飞机供电参数测试系统的应用研究.pdf

西北工业夫季硕士学位论丈 -1。_。_。_。_。_。_。_。_。_。_-。_-_。j。一 a b s t r a c t a sar e s u l to f r a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r t c c h n o l o g y ，v i r t u a li n s t r u m e n t b a s e dc o m p u t e rh a sb e e nw i d e s p r e a da c c e p t e di ne n g i n e e r i n g ，s c i e n c e ，s t a t ed e f e n s e ， m e d i c a le q u i p m e n t e s p e c i a l l y ，d e v e l o p m e n to f p c ib u sa n de m e r g eo f g r a p h i c s i n t e r f a c eo p e r a t i o ns y s t e mh a v eg r e a t l yi n c r e a s e dp e r f o r m a n c ea n dc o n v e n i e n c eo f v i r t u a li n s t r u m e n t m e a s u r es y s t e mf o ra i r c r a f te l e c t r i c a lp o w e rs u p p l y ( m s a e p s ) i s ak i n do f i m p o r t a n t v i r t u a li n s t r u m e n t ，w h i c hc a i la c q u i r e ，o b s e r v ea n da n a l y z es i g n a l o fa i r c r a f te l e c t r i c a lp o w e r s u p p l ys y s t e m ( a e p s s ) ，t h e n d os o m e s p e c i a lt r e a t m e n tt o a c q u i r e dd a t ab yc o m p u t e rs o f t w a r e i nt h i sp a p e r , 1 d e e p l y r e s e a r c h e dm e a s u r i n gm e t h o d s o f p a r a m e t e rg u i d e l i n e t oa e p s s ，c o m b i n e dw i t hs o m eo p t i m i z i n ga r i t h m e t i ci nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， s u c ha sf f t ，m a h o do f l a g r a n g ei n s e r t i n gv a l u e ，a n dd e s i g n e dp r a c t i c a b l em e a s u r i n g s y s t e m d u r i n gp r o c e s so fd e s i g n i n g ，a l lm e t h o d i sb a s e do na m e r i c a nm i l i t a r y s t a n d a r dm i l s t d 一7 0 4 c ，w h i c hv a l i d a t e d p r a c t i c a b i l i t ya n da d v a n t a g eo f t h i s m s a e p s i nt h ep a r to f i n t e r f a c eo f s o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，w h i c hi sa c t u a l l yd r i v e ro f p c i d a t a a c q u i r ec a r d ，id o s o m er e s e a r c hw o r k ，s u c ha sr e a d i n gd a t a b y d o u b l eb u f f e r s ， a n ds o m ec l a s sl i b r a r i e so fd r i v e r f i n a l l y , a i m e d a ts o m en e w q u e s t i o n so c c u r r e d i na c t u a lm e a s u r i n g ，s u c ha s u n s t a b l et w i n k l eo f g r a p h i c s ，s y s t e mc a l i b r a t i n g ，ih a v ed o n em o r er e s e a r c hw o r ka n d o f f e r e da m e l i o r a t i o n k e yw o r d s ：a e p s s ，d a t aa c q u i r i l a g ，p c i ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，f f tb a s e do n2 第1 i 贞 西北i 业太学硕士学位论文 _ - - _ j _ 一 一 第一章绪论 1 1 测试系统研究的背景和意义 1 1 。1 测试系统研究的背景 本课题来源于南昌飞机公司，目的是为飞机供电系统研制测试设备。飞机供 电系统参数测试包括飞机电源系统、配电系统及用电设备输入端的电气参数的测 试。该测试设备借助一定的仪器，对飞机供电系统在各种激励状态下的实际响应 波形和性能参数进行动态或静态记录，然后对原始数据进行处理分析，得出结论。 近年来随着航空技术的迅速发展，飞机的飞行速度、高度、航程及作战性能 均有很大提高，由此对飞机供电系统也提出了相应的要求。美国军用标准 m i l s t d 7 0 4 对飞机电气系统设计做出了一个规范性的要求，它是协调飞机供电 系统和用电系统之间接口的一份指导性文件。在对飞机供电系统”副的设计、生产 及使用过程中表明，该系统的稳态、瞬态及故障情况下的各种参数是否完全符合 1 _ b 6 4 4 8 9 0 2 1 的各项指标要求，不仅关系到供电系统设备的质量是否合格、飞机 上用电设备是否能正常工作，而且对于整个飞机的飞行安全、任务的完成与否都 有着密切的关系。所以根据m i l s t d 一7 0 4 c 【5 1 ( 飞机供电特性及对用电设备的要求 的测试标准) 和h b 6 4 4 8 9 0 ( 飞机供电系统性能参数的数字式测试方法) 两个标 准的有关规定，需要设计一套测试系统来对新机做电气测试。 基于高可靠度飞机供电系统的参数测试，我国很早就有这方面的研究。但 是随着科学技术的日益发展，原先开发的飞机供电参数测试系统，虽然仍能满 足一定的需要，但是也逐渐落后了。 9 0 年代初受到计算机发展水平的限制，开发的飞机供电参数测试系统的软 件采用d o s 操作平台。而现在主流计算机c p u 已经发展到p e n t i u mi v ，内存已 有2 5 6 1 以上。面d o s 的操作平台，由于受到内存的限制，测试数据文件长度不 能超过2 5 6 k ，使得在计算某些测试项目时，不得不对采样速率和测试计算方法 进行取舍，这在一定的程度上，影响了测试数据的准确性。同时测试系统软件也 由于内存和速度的限制，软件之间关联关系不好，大量的可以用图像表示的结果 只能用数字显示，无法发挥现代计算机系统的巨大效能。因此开发基于w i n d o w s 的操作平台的新一代飞机供电参数测试系统软件，以达到更高速的运算，完善的 功能和友好的界面，显得日益迫切。 第1 页 西北工业大学硕士学位论文 此外，由于飞机供电系统测试标准的曰益完善，如美国军用供电系统标准 已经从m i l 一7 0 4 c 发展到m i l 一7 0 4 e 1 7 l ，开发一套可不断扩展的数据处理类库，以 便降低软件升级难度和针对不同测试标准的软件，就显得极为重要。 还有，随着计算机计算速度的大幅提高，计算机总线结构也在不断的发展 进步，以达到更高的传输速度。早先开发的飞机供电参数测试系统所采用的e i s a 总线，也逐渐淘汰。新一代飞机供电参数测试系统的硬件环境将基于p c i 总线， 以提高数据传输速度，解决测试系统的瓶颈问题，从而提高数据采集速度，来 适应当前的需要。 1 1 2 测试系统研究的意义 第一、开发基于? c i 总线口列的数据采集卡一方面可以充分利用p c i 总线的高 速来解决高速数据采集中的速度难题，另一方面也是技术发展的要求。 随着无线电电子的发展及其广泛应用，特别是高速数据采集系统的出现，对 数据采集卡的采集速度及传输速度提出了愈来愈高的要求。i s a 总线是一种8 位 或1 6 位的非同步数据总线，时钟频率8 m h z ，数据传输率在8 位时为1 m b s ，1 6 位时为2 m b s 。受i s a 总线传输率的限制，传统的基于i s a 总线的数据采集卡 明显不能适用于高速数据采集系统。与此对应，p c i 总线是一种同步的独立于c ? u 的3 2 位或6 4 位局部总线，时钟频率为3 3 m h z ，数据传输率高达1 3 2 2 6 4 m g s ， p c i 总线支持无限读写突发方式，可在一瞬间传输大量数据。开发基于p c i 总线 的数据采集卡就是充分利用p c i 总线传输率高的特点来实现数据的高速传输。 由于p c i 总线具有高性能和低成本的特点，代替i s a 等总线成了微机总线的 主流技术。并且大部分新型p c 主板上已不再提供e i s a i s a 接口，所以开发基于 p c i 总线的产品已成为一种必然趋势。 作为软件方面，配合p c i 板卡的设计，开发驱动程序就成为软件设计的一部 分重要工作，用来检测板卡设计功能以及更好的使用板卡功能，作为应用软件和 硬件结合的重要部分。 第二，开发一套可不断扩展的数据处理类库，以便降低软件升级难度和针对 不同测试标准的软件。 使用c + + 作为开发工具的主要经济动机是容易使用以类库形式存在的代码， 用以缩短开发周期，减少代码重写量。创建程序的最快方法是使用已经写好的代 码类库。c + + 的主要目标是让程序员能更容易地使用库，这是通过将库转换为 新数据类型( 类) 来完成的。引入一个库，就是向该语言增加一个新类型。 作为一个优秀软件的开发，应该在初期设计的过程就耍考虑软件的可维护 第2 页 西北l 业大学硕士学位论文 - 胜，可升级，代码重用性。所以，开发一套类库，囊括所有摹本的数据处理功能， 会为以后的工作带来很大方便。 第三，自主开发数据采集卡，可使整个系统降低成本，也可以使得系统成 为真正的客户定制。 1 2 文章的结构安排 本文共分以下七章： 第一章绪论部分，简要说明此项研究工作的课题来源、相关背景和研究意义， 并在此基础上介绍论文涉及到的工作： 第二章飞机供电参数测试系统概述，主要对飞机供电系统的作用组成及测 试要求作一简介，另外对测试系统设计方案也做了简单介绍； 第三章测试系统的软件设计，主要介绍测试系统的软件设计中，用软件工 程的方法进行软件开发所涉及到的流程： 第四章飞机供电参数测试系统中的数据处理，主要介绍测试系统中采样数 据的处理和计算方法； 第五章p c i 数据采集卡的驱动开发，介绍t w i n 2 0 0 0 t ，p c i 数据采集卡的驱 动开发技术； 第六章测试系统实施中的问题分析，介绍了在测试系统实测中遇到的一些实 际问题和解决方法； 第七章结束语，对本论文所做工作做出了总结，并对测试系统发展方向进 行展望。 第3 页 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机供电参数测试系统概述 2 1 飞机供电系统简介 2 1 1 飞机供电系统简介 飞机供电系统m 1 是现代飞机的一个重要组成部分，该系统和用电设备组成 了飞机的电气系统。供电系统指的是电能的产生、控制、变换和输配的一整套 装置所组成的个完整系统，它的作用是向飞机上所有用电设备( 如飞行控制 系统、各种电子设备武器控制、照明、防冰设备、生活设施与环境控制系统等) 连续地提供满足规定技术性能的电能，为用电设备的正常工作提供条件，以保 证飞机的安全飞行和完成运输或作战任务。 2 1 2 飞机供电系统组成 飞机供电系统可分为电源系统( 又称发电系统) 和配电系统两大部分。电 源系统按其用途可以分为主电源、二次电源和应急电源，有时还包括辅助电源。 主电源由航空发动机传动的发电机和电源调节设备等组成，主电源是飞机 上全部用电设备的主要能源。二次电源是将主电源电能变换为另一种形式或规 格电能的装置，用以满足不同用电设备的需要，是飞机电源系统的重要组成部 分。应急电源是一个独立电源系统，飞行中当主电源发生故障时，航空蓄电池 或应急发电机即成为应急电源，向飞机上的重要用电设备供电。当航空发动机 不工作时( 如地面检修维护时) ，这时由地面电源车供电或靠辅助电源供电。 航空蓄电池，或由一种小型机载发动机、发电机和液压泵等构成的辅助动力装 雹是飞机上常用的辅助电源。 配电系统由电网、配电装置和电网保护装置等组成，它的作用是将电源所 产生的电能传输和分配到飞机上各用电设备上去。配电方式一般可分为集中式、 分散式和混合式配电系统。配电系统通常是电源系统重量的好几倍，因而减轻 配电系统的重量很重要。 飞机上采用的电源系统的类型随着飞机类型及其性能、任务要求以及用电 设备的不同而有所不同。目前国内外正在使用的飞机电源系统是多种多样的， 有低压直流电源系统，恒速恒频交流电源系统，变速恒频交流电源系统，混合 电源系统，变频交流电源系统以及高压直流电源系统等。 第4 页 西北工业大学硕士学位论文 在低压直流电源系统中，有变流机静止变流器、直流升压机和直流变换嚣， 它将低压直流电变换成交流电或高压直流电。低压直流电源系统的主电源是由 直流发电机、电压调节器、反流割断器和过压保护器等组成，额定电压是2 8 5 v ， 由变流机或静止变漉器把低压直流电变换为交流电作为二次电源，常用蓄电池 作为应急电源。 在交流电源系统中，有变压器和变压整流器，它是将一种交流电变换成另 一种电压的交流电或直流电。 恒速恒频交流电源系统的主电源是由恒速传动装置和交流发电机及其励磁 调节、控制保护装置等组成的4 0 0 h z 、1 1 5 2 0 0 v 三相交流电源系统。交流发电机 的容量有2 0 、3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 等千伏安。由变压整流器把交流电变换为直流 电作为二次电源。飞机蓄电池或应急交流发电机作为应急电源。有的飞机上还 装有辅助动力装置作为辅助电源。 变速恒频交流电源系统的主电源是由发动机直接传动的无刷交流发电机和 变频器组成的4 0 0 h z _ _ 2 相交流电源系统。二次电源、应急电源和辅助电源与恒速 恒频交流电源系统基本相同。这种系统是将发电机变频交流电功率通过变频器 变换成频率恒定的交流电功率。变频器是一种电子变换装置，现在用它来代替 恒速恒频交流电源系统中结构复杂、成本高和维护困难的恒速传动装置。目前 变频器的变换方式主要有两种形式：交一直一交型变速恒频电源系统和交一交型变 速恒频电源系统。 混和电源系统( 或称复合电源系统) 指的是由变频交流电源和恒频交流电 源组成的电源系统，也可以是由变频交流电源或( 和) 恒频交流电源与低压直 流电源组成的电源系统。从目前飞机装置的情况来看，采用这种混合电源系统 的新飞机是不多的。 交流供电不易实现不中断供电，且重量较大、效率较低、不适应机电传动 装置和全电飞机的应用。减轻供电系统重量的方法是提高系统工作电压，或是 改变供电体制。从飞机供电系统的发展来看，2 7 0 伏高压直流电恒频交流电变 频交流电的混合电源系统由于具有可靠性高效率高、易实现不中断供电、适应 全电飞机发展要求等优点，将成为可供选择的先进飞机电源系统之一。 2 2 飞机供电系统性能参数测试要求 根据m i l s t d 一7 0 4 c ( 飞机供电特性及对用电设备的要求的测试标准) 和 h b 6 4 4 8 9 0 ( 飞机供电系统性能参数的数字式测试方法) 两个标准的有关规定， 进行飞机供电系统性能参数的测试。使用单通道采样频率最高为2 m h z 的信号采一 第5 页 西北i 业大学硕士学位论文 集卡。 为适应供电性能参数多通道同时测量和单通道的高速测量以及不同参数的 测量要求，测试设各应具有以下四种基本采样方式： ) 三路通道同时采样。为了保证交流三相电压同时进行采样，信号采样频率不 低于l o o z h z 。可测量交流稳态电压、电流、相移、三相电压不平衡、直流 瞬态电压，电流等参数。 b ) 单路通道高速采样。为了采集高速变化的信号，采样频率不低于1 m h z ，可测 量直流稳态电压脉动等参数。 c ) 瞬态多路通道同时采样。为了保证多通道信号同时进行采样，采样通道不能 少于1 2 路，信号采样频率不低于3 0 k h z 。可测交流电压、电流；直流电压、 电流等参数。 d ) 稳态多路通道顺次采样。为了计算稳态多通道信号的有效值采用多路通道轮 流采集信号的方式。 2 3 飞机供电参数测试系统设计方案概况 飞机供电参数测试系统的设计方案是，基于工控计算机平台上的，硬件采用 p h gi np c d a q 的数据采集卡，软件采用v i s u a lc 十+ ，c + + b u i l d e r 设计虚拟仪 器的软件面板。如下图2 - 1 。 2 3 1 飞机供电参数测试系统的硬件设计 a ) 飞机供电参数测试系统，采用基于工控计算机的平台。它可以有效的提供可 靠的电气连接，大功率的供电电源，以及连续工作能力。它提高了抗干扰性， 和防尘，防震性能。 b ) 飞机供电参数测试系统，是一个较小的系统。综合经济因素和技术因素。采 用p l u gi np c d a q ，可以节省较多的成本。 c ) 飞机供电参数测试系统，要求的精度很高，要求测试时采样频率很高，以得 到更多的数据用于数据分析。因此要求提高数据从外设传输到内存的速度。 采用基于p c i 总线的数据采集卡。这就使它在总线传输上具有优势 ( 1 3 2 m b y t e s ) 。 d ) 采用p l u gi np c d 桶的另一个优势就是它的零部件和软件可以从支持p c 机的 上千供应商那里得到。 第6 页 西北i 业大学硕士学位论文 图2 - 1 飞机供电参数测试系统的总体设计结构框图 e ) 由于p l u gi np c o a q 尺寸小，它提供了可以作为便携式，台式和机柜式安装 的通用平台。 f ) 现在主流计算机c p u 已经发展到p e n t i u mi v ，内存已有2 5 6 m 以上。e i s a 总线 日渐没落，p c i 总线结构已经成为主流。其总线吞吐率高、硬件的价格较低。 因此飞机供电参数测试系统的硬件，确定基于工控计算机平台上的，采用 p l u g i np cd a q 数据采集卡的虚拟仪器设计方案。 2 3 2 飞机供电参数测试系统的软件设计 应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必须的软件工具。应用软件开发环境的 选择，可因程序员的喜好不同而不同。但是最终都要求开发出，用户界面友好， 功能强大的图形化仪器前置面板( 软件面板) 。目前，较流行的虚拟仪器软件开 发环境大致有两类： a ) 文本式的编程语言，如c ，l a b w i n d o w s c v i ，v i s u a lc + + ，c + + b u i l d e r 等： b ) 图形化的编程语言，代表性的有h p v e e ，l a b v i e w 等。 不同的软件开发环境有着不同的特点。图形化的编程软件一般价格较昂贵， 开发成本高。而文本式编程语言灵活性较好，考虑到我们所面向的用户要求比较 多，为了方便用户灵活的添加功能。因此，飞机供电参数测试系统的软件开发环 境采用文本式的编程语言v i s u a lc + + c + + b u i l d e r 编写软件面板。 第7 页 辱 辱一 詈一 寸黪壤餍 西北工业大学硕士学位论支 第三章测试系统的软件设计 在虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 在自动化测试中的广泛应用，引发了 测试科学的一场革命。所谓虚拟仪器就是指通过应用程序将通用计算机与功能化 模块结合起来，用户可以利用计算机强大的图形环境和完善的在线帮助功能，建 立图文界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示，改 变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格， 且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器强调“软件就是仪器”， 在虚拟仪器系统中，应用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别 是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生与测量特征的解析，使仪器中一些 硬件从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器 测试系统的软件主要分为：仪器面板控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软 件和通用i 0 接口软件，飞机供电参数测试系统也是也是一个虚拟仪器系统，所 以软件设计成为这个系统开发的关键所在。 3 1 软件设计 飞机供电参数测试系统的软件，它要求实现普通仪器的全部功能以及一些在 普通仪器上无法实现的功能。它可代替传统的测量仪器，如示波器，逻辑分析仪， 信号发生器，频谱分析仪等虚拟仪器。不但功能多样、测量准确，而且界面友好、 操作简易，与其它设备集成方便灵活。 3 1 i 需求分析 飞机供电参数测试系统的软件部分完成人机对话界面和系统软硬件的结合。 他实现电气负荷加、卸载，自动同步控制，测试数据的采集、存储、调度，数据 分析计算，测试结果的显示、测试结果与标准要求的极限曲线的对照、打印测试 数据报表等。 该系统能根据m i l s t d 一7 0 4 c 和h b 6 4 4 8 9 0 的要求对飞机供电系统的各项 性能参数进行全面的测试，也可用于测试供电系统中某些部件的性能( 如发电 机的三相对称性等) 。其具体功能模块如图3 1 第8 页 西北i 业大学硕士学位论文 图3 1 功能模块框图 3 1 1 1 稳态性能参数的测试 a ) 三相稳态电压、电流、频率、任意两相间的相位差、相间不平衡、功率、功 率因数等。 b ) 电压波形参数：单次谐波含量、总谐波含量、波峰系数、偏离系数等。 c ) 频率、频率调制量、频率调制频谱、频率漂移量、频率漂移率。 第9 页 西北工业大学硕士学位论文 d ) 直流电压、直流电流、直流电压脉动量、直流电压脉动频谱。 3 1 1 2 瞬态性能参数的测试 a ) 交、直流电压测量加、卸载过程中的电压浪涌。 b ) 交、直流过压或欠压参数分析。 c ) 在测量加、卸载过程中电压浪涌的同时，测量瞬态频率。 d ) 交流过频或欠频参数分析。 3 1 1 3 多路通道信号的测试 a ) 多通道同时采集，最多可采集1 2 路通道信号。 b ) 全部通道顺序采集信号。 测试结束后，打印各个试验的测试结果、测试结果与测试标准要求的极限曲 线的对照结果、测试数据报表等。 3 1 2 软件建模 模型，就是对现实世界的简化。飞机供电参数测试系统软件测试的信号作为 我们研究的对象，对它建立数学模型。 飞机供电参数测试系统的软件设计，运用面向对象的c 十+ 的计算机语言，设 计一整套数据处理类库。该类库可为数字信号完成各种处理和显示，如几何平 均，算术平均，频谱分析，傅立叶变换，i i r 数字滤波，f i r 数字滤波，以及数 字信号的显示，放大，缩小等等。如图3 2 ： 第10 页 西北i 业大学硕士学位论文 垂妻婪 薹蓁蓁蓁蓁霎萋蓁 鬻+ i 雪薮凌 妻- 蒸器 j 鎏 冀器 盎 州i 一 一一 鬻蓁 霎霎萋|鬟蓁蓁蓁蓁萋萋蓁蠢垂耋萋萋 u 。七小瓣豳 愚搂瓣戮氢蠢鬈譬 ：骝g s 甚窖垲曝中等暑g g 蛊圣譬 裁姆躲骣骧冲审妲熹黧蛰跫替釜蛰 i 莲赫辐翔要帮茹摹蒌照匝皿砸盈 一 酃蔡酱骂 鼎 制鼎 糕 。蠢羹 震 图3 2 数据处理类库框图 我设计了一整套窗口界面处理类库。该类库为各个测试模块提供简捷及方便 的人机对话窗口，如图3 3 ： 第1l 页 西北工业大学项士学位论文 图3 - 3 窗口界面处理类库框图 第12 页 西北i 业大学硕士学位论文 3 1 3 程序编写 在软件设计中，程序编写也是重要的一环。要想编写出高质量c + + c 代码， 并不容易。软件开发人员要想对正确性、健壮性、可靠性、效率、易用性、可读 性( 可理解性) 、可扩展性、可复用性、兼容性、可移植性【4 ”等质量属性都了如 指掌是非常困难的，更不用说在实践中运用自如了。“高质量”可不是干活小心 点就能实现的! 要经过长期的学习，和练习才能达到此水平。虽然我为飞机供电 参数测试系统的程序编写了近两万多行代码，但是离编写出高质量c + + c 代码的 水平还太远，也正在不断地努力学习。 3 1 4 程序测试 飞机供电参数测试系统的软件，经过了一定的“白盒”测试，以及一段时间 的“黑盒”测试。 其中“白盒”测试是指开发人员测试源程序的逻辑结构以及实现细节( “白 盒”是指看得见程序的内部结构) 。雨“黑盒”测试是指由独立测试人员按照规 格说明来测试程序是否符合要求( “黑盒”是指看不见程序的内部结构) 。比如在 测试一个模块时，“自盒”铡试方法要对模块的所有代码进行单步跟踪测试。而 “黑盒”测试方法只需测试模块的接口是否符合要求，它关心程序的外部表现而 不是内部的实现细节。 3 2 软件简介 飞机供电参数测试系统的软件。如图3 - 4 图3 - 4 进入界面 第13 页 而北工豫太擎士学位论史 3 2 1 飞桃供电参数测试系统软件的功能模块 根据需求，整个软件由1 4 个测试模块组成：分别介绍如图3 - 5 所示 圈3 - 5 主界西 a ) 交流稳恣电压参数分析 交流稳态电压参数分析。是以1 0 0 k h z 的栗榉频率采集番相电压瞬时值 ( 连续1 s ) ，然席根摆采样值计算：各相电压有效值、备相电流有效值、三 相电压乎均值、三相电压不平衡量、相秽、波峰系数、 费波含量、偏离系数。 测量稳态情况下电匿频谱，并填充至m i l - s t d - 7 0 4 c 要求的强制曲线国( 圈 见本文4 3 4 1 节) 中以检验参数是否合格，打印输出测试结果。 b ) 交流瓣态演溪参数分析 交流瞬态浪涌参数分析，是自动完成突加载、突卸载的控制，并以1 0 0 k h z 扮采样频率采集括电压嗣相电流的瓣时傻( 连续1 5 s ) ，测量该过程中电藤的 变化情况；计算并绘制过压浪涌曲线( 卸载时) 、欠压浪涌曲线( 加载h 寸) 和瞬态频率益线，并填充至m i l s t d - 7 0 4 c 要隶的陵翱弗线盈( 鹜踅本文4 。5 1 节) 中以检验参数是否含格，打印输出测试结果。 c ) 交流过燕或欠压参数挣攒 交流过压或欠压参数分析，髭自动完成加载、卸载的控制，并以1 0 0 k h z 的采样频率采集姻电压帮相电漉的瞬时缝( 连续1 5 s ) ，鞭鬟该过艘中电蕊遥 道的过臌和欠压褒化：计算并绘制过压( 卸载时) 、欠压( 加载时) 变化曲 线，并璞充至m 王l ，s t d 7 0 4 c 要求的限制篮线躅( 圈见本文4 6 节) 中以梭验 参数是否合格，打印输出测试结果。 d ) 交流过频或欠频参数分据 交流过频或灾频参数分析，燕自动完成提升、下调工作频率的控制，并 以1 0 0 k h z 的采样频率采袋相电压和相电流的瞬时值( 连续1 5 s ) ；测量竣过 第14 页 西北工业夫学硕士学位论文 程中电压频率的过频和欠频变化；计算并绘制过频和欠频变化曲线，并填充 至m i l s t d 7 0 4 c 要求的限制曲线图( 图见本文4 7 节) 中以检验参数是否合 格，打印输出测试结果。 e ) 交流稳态频率参数分析 交流稳态频率参数分析，是以1 0 0 k h z 的采样频率采集交流电压的瞬时值 ( 连续6 0 s ) ，测量交流电压的稳态频率、频率调制量和频谱特性；计算并绘 制频率变化频谱并填充至m i l s t d 7 0 4 c 要求的限制曲线图( 图见本文4 4 1 节) 中以检验参数是否合格，打印输出测试结果。 f ) 交流稳态频率漂移参数分析 交流稳态频率漂移参数分析，是每间隔1 秒钟，以1 0 0 h z 的采样频率采 集交流电压的瞬时值，测量和计算一小时稳态频率漂移量和最大频率漂移 率，打印输出测试结果。 g ) 直流稳态电压参数分析 直流稳态电压参数分析，是以1 m h z 的采样频率采集直流电压的瞬时值 ( 连续1 s ) ，计算直流电压平均值、最大脉动幅值和直流电压脉动频谱：计 算并绘制频谱填充至m i l - s t d 一7 0 4 c 要求的限制曲线图( 图见本文4 8 2 节) 中以检验参数是否合格，打印输出测试结果。 h ) 直流瞬态参数分析 直流瞬态参数分析，是自动完成加载、卸载的控制， 1 0 0 k h z 的采样频 率采集直流电压和电流的瞬时值( 连续1 5 s ) ，计算并绘制瞬态过程中电压的 变化曲线，填充至m i l s t d 7 0 4 c 要求的限制曲线图( 图见本文4 9 节) 中以 检验参数是否合格，打印输出测试结果。 i ) 直流过压或欠压参数分析 直流过压或欠压参数分析，是自动完成加载、卸载的控制，以1 0 0 k h z 的采样频率采集直流电压和电流的瞬时值( 连续1 5 s ) ，计算并绘制该过程中 电压通道的过压和欠压变化曲线，并填充至m i l s t d 7 0 4 c 要求的限制曲线 图( 图见本文4 ，1 0 节) 中以检验参数是否合格，打印输出测试结果。 j ) 电池充放电参数分析 电池充放电参数分析，是在电池充放电过程中，每间隔1 秒钟，以1 0 0 k h z 的采样频率采集电压和电流的瞬时值( 连续2 h o u r ) ，测量该过程中电压的最 大及最小值，并打印输出测试结果 k ) 直流三通道触发分析 直流三通道触发分析，以10 0 k h z 的采样频率采集三个直流电压和电流通 道的瞬时值，自动抓取当其中通道信号跨越门限时，三个通道信号变化的 过程( 连续1 s ) ，并打印输出测试结果。 第15 页 西北工业夫擘硕士孳位论文 l ) 交流功率因数分析 交流功率因数分析，是以1 0 0 k h z 的采样频率采集二个交流电压和电流通 道的瞬时值( 连续1 s ) ，计算交流功率因数，并打印输出结果。 m ) 瞬态多通道信号分析 瞬态多通道信号分析，是以3 3 k h z 的采样频率，最多同时采集十二个通 道的电压或电流的瞬时值( 连续5 s ) ，并打印输出结果。 n ) 稳态多通道信号分析 稳态多通道信号分析，是以1 0 0 k h z 的采样频率轮流采集六十四个电压 和电流通道的瞬时值( 连续0 。5 s ) ，计算六十四个电压和电流通道有效值，并 打印输出结果。 3 2 2 飞机供电参数测试系统软件的人机对话窗口 以交流稳态电压参数分析为例。它提供了观察采样信号的窗口，以及分析采 样信号的标尺工具等等。其他的测试模块界面基本如此( 除了瞬态多通道信号分 析和稳态多通道信号分析这两模块) 。 交流稳态电压参数分析测试模块界面如下图3 - 6 ： 图3 - 6 交流稳态电压参数分析 交流瞬态电压参数分析测试模块界面如下图3 7 第16 页 西北i 业大学硕士学位论文 图3 7 交流瞬态电压参数分析 瞬态多通道信号分析如下图3 - 8 ： 图3 - 8 瞬态多通道信号分析 稳态多通道信号分析如下图3 9 ： 第17 页 西北i 业大学硕士学位论文 图3 - 9 稳态多通道信号分析 3 3 软件设计中的不足 图3 一1 0 软件开发流程图 本次飞机供电参数测试系统的软件的设计，总的来说是完成了测试任务的， 然而由于人力和物力的不足也留下了不少的缺憾，如图形的绘制速度较慢，刻度 设置不太合理，提供的图形编辑的手段还不够多等等不一而足。如上图，软件的 开发是一个循环往返的迭代过程。只有不断的找出不足，不断的完善，才能开发 出一个成功的软件。 第l8 页 西北工业太学硕士学位论文 第四章软件设计中的数据处理 4 1 飞机供电参数测试系统的测试标准 本系统采用的测试标准是美国军用标准m i l s t d 一7 0 4 c 。该美军标准共有从 m i l s t d - 7 0 4 到7 0 4 e 六个版本。1 9 5 9 年l o n 颁布了m i l s t d 一7 0 4 ，其后1 9 6 6 年8 月 颁布了m i l s t d 一7 0 4 a ；而后1 9 7 5 年1 1 月颁布了m i l - s t d 一7 0 4 b ；接着1 9 7 7 年1 2 月颁 布了m i l - s t d - 7 0 4 c ；还有1 9 8 0 年9 月颁布了m i l s t d 一7 0 4 d ：现今最新的版本是1 9 9 1 年5 月的颁布m i l - s t d 一7 0 4 e 。早在1 9 9 3 年，西工大电气技术教研室就已经设计开 发了一套飞机供电参数测试系统，采用的测试标准是m i l - s t d 一7 0 4 a 。 美国军用标准m i l s t d - 7 0 4 c 规定了机载设备端的供电特性和机载设备对这 些电源的应用要求f 4 6 j 。它用于增进飞机供电系统与机载用电设备之间的协调， 即限定了飞机供电特性在规定的范围之内，同时也限定了机载用电设备对这些 电源的应用要求。 美国军用测试标准经过数十年的发展，已经非常成熟和完备。通过使用他们 的测试标准可以充分验证飞机供电系统的供电性能品质。 4 2 飞机供电参数测试系统采样数据的基本处理 4 2 1 信号的采样 抽样定理( s a m p l i n gt h e o r y ) ：若连续信号x ( r ) 是有限带宽的，其频谱的最 高频率为：_ ，x c x ( t ) 抽样时，若保证抽样频率 丘2 正( 或q ，2 q 。，t 丌q 。) 那么，可由x r ) 恢复出x ( f ) ，即x ( n l ) 保留了x ( f ) 的全部信息。 该定理给我们指出了对信号抽样时所必须遵守的基本原则。在实际对工( ，) 作抽样时，首先要了解x ( o 的最高截止频率互，以确定应选取的抽样频率工。 若工( f ) 不是有限带宽的，在抽样前应对x ( ，) 作模拟滤波，以去掉f f 的高频成 分。 第19 页 西北工业大学硕士学位论文 根据中华人民菇和国航天工业部航空工业标准h b6 4 4 8 - - 9 0 的飞机供电系统 性能参数的数字式测试方法。对于采集高速变化的电信号，采样频率不低于 8 0 k h z 。 本次飞机供电参数测试系统采用l o o k h z 的采样频率，高于8 0 k h z ，采集得 到各个通道的电压、电流瞬时值f 其中测试直流脉动电压参数时，数据采集频率 采用1 m h z s 的速率) 。 4 2 2 快速傅立叶变换( f f t ) 算法简介 对n 点序列x ( n ) ，其直接离散频谱分析( d f t ) 变换对定义为： fz ( 七) = z ( h ) 芦 旧= 专篓硼 k = o ，1 ，n - 1 ，陈= e ； n = o ，1 ， ，n 一1 ； 显然，求出n 点x ( k ) 需要2 次复数乘法，n ( n 一1 ) 次复数加法。 f f t 算法有很多种形式，但基本上可以分为两大类，即按时间抽取法 ( d e c i m a t i o n - i n t i m e ，简称d i t ) 和按频率抽取法( d e c i m a t i o n i n f r e q u e n c y ， 简称d i f ) 。按时间抽取f f t 算法是把输入序列按其顺序是偶数还是奇数来分解 为越来越短的序列，按频率抽取f f t 算法是把输出序列x ( 也是n 点序列) 按其顺序的偶、奇来分解为越来越短的序列。在这里我们采用了按频率抽取 ( d i f ) 基2f f t 算法来进行频谱分析，下面介绍该算法的原理。 设有限长序列长度n 是2 的整数幂次方，即n = 2 “( m 为正整数) ，在把 输出序列x ( k ) 按k 的奇偶分组之前，先把输入序列x ( n ) 按n 的顺序分成前后两半， 甚口 n 一1 ；一i n - i z ( 七) = x ( 珂) 时= 艺工( 盯) 时+ x ( 疗) 啼 1 0n 4 0 ； ：釜i ( 吣+ 孵 ；枷+ 韵h ：釜k ( 哟+ ( 一1 ) t x 。+ 譬) ( 4 - 1 ) 其中：g 一7 等，所以崂：1 ，噼：( 一1 ) t 。 当k 为偶数时，令k = 2 r ( r = 0 ，1 ，了n 一1 ) ，则 第20 页 番北工业夫学硕士学位论文 即归蔓晰州肘了n 澎。2 m ：蔓剐 当k 为奇数时，令k = 2 r + 1 ( r = 0 1 ，4 - 1 ) ，则 其中 x l ( ”) = x ( n ) + x ( n + 芋) x 2 ( 1 1 ) = 【x ( n ) 一x ( n + t n ，”n ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) 式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 中的x ( 2 r ) 和x ( 2 r + 1 ) 分别为x l ( 甩) 和x 2 ( 甩) 的孚点d f t ，因此一个 n 点序列的d f t 可以将序列按前后分解成两部分，然后按式( 4 4 ) 和式( 4 5 ) 组成 两个n 2 点序列墨( 行) 和x 2 ( 月) ，分别计算n 2 点序列的d f t 即x ( z r ) 和x ( 2 r + d ， 它们分别对应于原序列n 点d f t 输出的偶数部分和奇数部分。 由于n = 2 村，n 2 仍然是个偶数，因此仍然可按上述分解法继续分解，直 到最后剩下全部是两点的d f t ，两点的d f t 同样可用个蝶形运算来表示。这 种分解法，由于每次都是按输出序列x ( k ) 在频域上的顺序是属于偶数还是奇数 分为两组，故称之为频率抽取( d i f ) 基2 f f t 算法。圈4 1 表示了一个n = 8 的完 整的频率抽取法的f f t 结构。 x ( o ) x ( 4 ) x ( 2 ) x ( 6 ) x ( 1 ) x ( 5 ) x ( 3 ) x ( 7 ) 圈4 - 1 频率抽墩法f f t 信号流图( n = 8 ) 由频率抽取法f f t 信号流图可见，当n = 2 ”时，共有m 级蝶形，每级都由 第21 页 吁 x 兰乞 = h k 一： +h “ 一 )研 l 卜 篁乙 = d r q x 西北工业大学硕士学位论文 n ，2 个蝶形运算组成，每个蝶形有一次复乘、二次复加，因而每级运算都需n ，! 次复乘和n 次复加，这样m 级运算总共需要 复乘数 m f = m = t i o i t 复加数 a ，= w ；l o g - , 由于计算机上乘法运算所需的时间要比加法运算所需时间多得多，而e f t 算法 能使n 点d n 一的乘法计算量由v 2 次降为告l o 鐾睾次，大大节约了运算所需的时 间，尤其是当点数n 越大时，f f t 的优点就更突出了。 4 2 3 采样数据的插值( 抛物线插值法) 在工程实践中确定一个函数f ( x ) 通常是很复杂的，甚至很难找到它的表达 式，有时通过实验观察或数值计算所得到的只是一些离散的( 互不相同的) 点x ， ( i = 0 ，1 ，n ) 上的函数值y ，= s ( x ，) ( i = 0 ，l ，n ) ，我们可以将它列成数据表 格如表4 - 1 所示： _ r x 0 x 2x h y = 坟x ) y 0 y ly 2y n 表4 一ly ，= f ( x ，) 函数表 以上这种用数据表格形式给出的函数通常称为列表函数，其中点，置，j 。 称为结点。如何根据函数f ( x ) 已有的数据表格来计算f ( x ) 在一些新的点x 处的 函数值，就是插值法所要解决的问题。因此，所谓“插值”，就是在所给定的函 数表中间再插入一些所需要的新的函数值。其基本思想是：首先设法根据已有的 函数值来构造一个简单函数y ( x ) 作为f ( x ) 的近似表达式，然后再计算y ( x ) 的