（电力电子与电力传动专业论文）基于以太网的飞机电气参数测试系统设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s 仃a c t t 1 i ec o m b i i l a t i o no fn 咖o i | 【t e c h n o l o g y 锄dt e s tt b i 均l o g yo fb 1 船鹤r e l t si n t b ea p p e a m c eo fan e wt e s ts y s t e l 呜n e t ) l ，o r k c dt e s ts y g t 鼬t e s ti n f o r m a 蛀0 nc o u l d b eo b 切栅e db yn e t w o r k e dt e s ts y s t 锄c o n v e n i e m l y s oi tw mi m p r o v et h et c s t e m c i 锄c ye 、，i d 饥t l y ，d e c r e 够et h et 鹉tc o s te f f b c t i v e 愀a n ds h o f t e nt h et c s t 孤d m 龆鲫r e m e n tp e r i o d se 衄o l l s l y t e s ta n dm e a s 咖e n t 丽m 玳栅o r k e dt e s t s y s t 锄i s 缸i m p o r t 锄td e ve _ i o l i n gd i r e c 吐o no f m ea u t o m a t i c t e s ts y s t 唧 t 1 l i sp 印c rt a k e st e s ts y s t e mo f c e 疵n 蛐ea i l p l a n ef o rg r o 蚰d 麟p 翻m 钮t a l i 姐 嬲m eb a c k g 阳u n d ，锄a l y z e st l l en 酏w o r k e d 劬m eo f t c s ts y s t e mf o ra i r a m f tc l 洲c p o w 盯p a 艘e t s t i l d i e st h es y n 幽i l i z a t i o np r i n c i p l eo fd o u b l ec h e 瓯p x id a l a a c q u i s m o n 锄d1 0 a d c o n 缸o lm 甜l o d s ，i n t r o d u c 铭t l i em 幽dh o wt or c a l i z e c o n 缸o l h n gr 锄a t e l yv i a 剧蛔僦a c c o 池g t og j b l 8 l - 1 9 8 6a i l dg 琚1 8 l a 2 0 0 3 ， c a l 叫a t i o n a lm e i h o d so fp 瑚g t e f sa i m f o d u c e d 狃d 也es o 脚a r ed e s i g l l i n gi s 咖谢ml a b v m wp f o 芦a n l m i l l gt e c h n o l o 甜u s 啦h i e r a r c h y 锄dm o d u l e m e t l l o d ，t l l es y s t 锄a c c 彻p l i s h e dt e s te l 硎cp o w c rp 删c t e 瑙缸dd 印1 0 y i l l g l o a d ，a 1 1 d 删i z e dm o n i t o r 主n g 出es c e n ea n dc o n 仃o u i r 培t 1 1 e1 0 a dr e m o t e l y f i n a l l y ，c o i l s i d e r i n g 也en d wd e v e l o 啦g 删o ft c s t i n gt ec ：b i l o l o g y s o m et 龉t m e l h o d sm a t 讯1 lb ei m p r o v e do r 呻l c t e di sp r e s c n t e di i lt b i sp 印既 k e y w o r d ： e m e l l l e t ， a i r c m f t c l e c t r i c p o w 盯 p a 删 n e 6 p b 璐， s y n c h i d 妇矗。珥 l 曲e w1 a n g u a g e ，r 锄o t cc o n 幻l b 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结台学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位做储签名：毫笠兰迦 。1 年加) 日 指导教师签名：三：盛 砂7 年；月矽日 西北工业大学 学位论文原刨性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外本论文不包吉任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：童耸举 弘予如母 西北工业大学硕士学位论文第一章概述 1 1 引言 第一章概述 在国防科研试验中需要测试的信号种类和数量越来越多，如果将众多的被 测信号集中到单一舱室( 船舱或机舱) 统一进行采集，不仅测试系统硬件设计 十分复杂，而且在采集精度和实时性等方面也难以得到保证。测试系统采用网 络化结构，将测试设备靠近被测系统进行安装，除可有效减少被测信号传输电 缆数量和长度外，还可提高模拟信号采集精度，同时有利于减小单台测试设备 的体积和重量，便于在船舱和飞机上安装【o i 】。 本论文设计了一种用于某型飞机地面试验时的专用钡试系统。该测试系统 不仅可以完成现场数据的实时采集、处理、存储、回放等功能，而且能够实现 远程监测和控制。 1 2 自动测试系统的概述 测试是人们通过实验认识客观世界取得实验对象的定性或定量信息的一 种基本方法，实现这种方法的载体就是测试系统。测试系统是把被测参数自动 转换成具有可直接观测的指示值或等效信息的测试设备，是测量控制和分析实 验对象各种信息的全部软件和硬件的组合，其中关键部件是传感器。传感器是 由敏感元件直接感受被测量，并把被测量转变为可用电量( 电信号) 的一套完 整的测量装置。 随着计算机技术在各个领域的广泛应用，以计算机为中心的自动测试系 统( a r s ) ，采用数据采集和传感器相结合的方式，能最大限度地完成测试工 作的全过程。它既能实现对信号的检测，又能对所获信号进行分析处理得到有 用的信息。计算机测试系统一般由传感器、信号调理、数据采集和计算机数据 输出等几部分组成罔，如图1 1 所示。 ( 1 ) 传感器 传感器完成信号的获取，将被测参量转换成相应的可用电信号。被测参量 可以是各种非电气参量，如压力、温度、流量等；也可以是电气参量，如电压、 电流、电阻等。 西北工业大学硕士学位论文 第一章概述 ( 2 ) 信号调理 来自传感器的输出信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。因此，传感器后 面需配接信号调理电路，信号调理的基本作用有两个：其一是放大，将信号放 大到与数据采集板中的刖d 转换器相适配；其二是预滤波，抑制干扰噪声信 号的高频分量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆。通常信号调理电 路输出的是规范化的标准信号，例如牝0 i i 认电流信号、1 巧v 电压信号或其 他形式的信号。此外，根据需要还可以进行信号隔离与变换等。 图1 1 计算机铡试系统的基本组成 ( 3 ) 数据采集板 数据采集板主要功能有三个：其一是由衰减器和增益可控放大器迸行量程 自动变换；其二是由多路切换开关完成对多点、多通道信号的分时采样，将各 输入信号依次或随机地接到专用放大器或a 巾转换器上；其三是将信号的采 样由刖d 转换器转换为幅值离散化的数字量，或由v 佰转换器转换为脉冲频 率以适应计算机的接受。 ( 4 ) 计算机 计算机是系统的神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整 体，在软件引导下按预定的程序自动进行信号采集与储存，自动进行数据的运 算分析、处理以及记录测量结果。 ( 5 ) 数据输出 测试结果以适当形式输出、显示、打印等。 从测试系统输入的电信号来分类，可以分成时间( 频率) 测试系统和电压 ( 电流) 测试系统，本论文所设计的属于后者。电压( 电流) 测试系统一般由 传感器、信号调理、数据采集和计算机等几部分组成，被测的物理量由传感器 通过信号调理电路产生电压( 电流) ，再送往后面的a 仍转换器，a 仍把经过 调理放大的输入赢流电压转换成与其大小成正比的数码送到计算机存储并进 行处理。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章概述 1 3 自动测试系统的国内外研究现状 现代自动测试系统的研究工作大约始于1 9 5 6 年美国用于解决美国军用电 子设备( 如航空电子学和导弹系统等) 维护工作问题的s e t e 计划，其发展水 平在很大程度上代表了世界水平邮h 1 0 1 。美国自动测试系统的发展大致经过 了七个阶段： ( 1 ) 早期的自动测试系统 早期的自动测试系统常见的有数据采集系统、自动分析系统等。尽管它们 比较简单，但已经采用了计算机或其他逻辑以及定时电路进行控制，在测试性 能和设备功能等方面都比以前的仪器有较大的改善。然而，当时尚未解决系统 内各设备之间连接用的接口标准化问题。 ( 2 ) a 蚍c 自动测试系统 1 9 6 9 年，西欧各国从事核科学研究的一些组织在核电子学标准委员会( e s o n e ) 领导下，制定并公布计算机自动测量和控制仪器及接口系统规范即 c 舢讧a c ( c o m p u t 盯a u t o m 触e d m s 嘲e n t 勰dc 0 n 的i ) 。1 9 7 5 年以后，美国 电气和电子工程师学会( i e e e ) ，国际电工委员会( m c ) 等组织相继宣布 c a m a c 标准，并公布相应的标准文本。c a m c 系统的是一种模块化系统， 定义了并行分支总线和串行总线，用于将单机箱系统扩展为多机箱系统。因此， c a m c 标准接口系统的特点主要是标准化程度高、数据传递速率快和系统规 模大。但由于其造价昂贵，总线没有用于仪器和测试的专用触发线和相加线， 电磁屏蔽等考虑得并不充分，并且受到当时计算机发展水平的限制，指令传输 接近微妙量级，使系统的性能扩展和系统应用受到了限制，目前已基本被淘汰。 ( 3 ) g p m 自动测试系统 g p m ( g 锄e f a lp u r p o b t e 晌c e ，即m e e 4 8 8 ) 标准接口系统是美国h p 公司于1 9 7 2 年提出的一套标准接口总线系统( 最初定名为h p m ) ，经改进后 于1 9 7 5 年和1 9 7 7 年分别被美国电气与电子工程师学会( m e e ) 和国际电工 委员会( m c ) 所接受，正式颁布了标准文件。g p m 总线是一种并行方式的 外总线，系统内的仪器数目最多不能超过1 5 台，电缆总长度不超过2 0 米。凡 是符合g p i b 标准的电子测量设备，不论出自何厂，均可用此标准总线连接起 来，在控制器的作用下构成自动测试系统。但由于g p m 系统在p c 机出现的 初期问世，所以存在一定的局限性，如数据传输速率低，传输距离短，一个系 统最多不超过1 5 台仪器等等。 ( 4 ) p d d a q 仪器 西北工业大学硕士学位论文 第一章概述 p c d a q 仪器被称为微机插卡式仪器，也称为个人仪器( p e f s o n a l i n s t n ：吼e n t ) 。它以通用微型计算机为核心，把仪器功能部件做成插卡，插入微 型计算机的扩展槽中，配以一定的应用软件，共同完成测试仪器或仪器系统的 任务，与此同时保留了个人计算机的全部功能。这种插卡式的新型仪器，不但 能充分利用微型计算机的软、硬件资源，更好地发挥微型计算机的作用，大幅 度地降低仪器成本，提高经济效益，而且具有开发周期短、改进更新方便的优 点，在组成测试系统和网络方面也有很大潜力。但是，由于没有统一的标准， 各厂家的仪器、设备兼容性很差，用户在组建测试系统时很难选择多个厂家的 产品，严重影响了插卡式仪器的发展。 ( 5 ) v = ( i 总线自动测试系统 1 9 8 7 年，由c o l o f a d od a t as y s t e i n s ，h 钾l 毗- p a c k a r d ，r a c a l d a 越 h 咖肋e n t ，1 e k n i x 和w 打e t c k 等世界五家著名的仪器公司组成的联合体推 出了总线( n 总线，即e b 哪戗t e n s i o 璐f o r i n s 饥吼e n t a t i o n 的缩写) 规范，几经修改和完善，于1 9 9 2 年4 月被e e 接纳为m e b l l 5 5 1 9 9 2 标准。 v 总线是一种完全开放的模块化仪器系统的规范，集中了智能仪器、个人仪 器、和自动测试系统的很多特长，不仅性能全面优于m e e 4 s 8 总线系统，而 且使自动钡9 试系统体积大大缩小，测试速度大大提高，可满足目前自动测试系 统向标准化、自动化、智能化、模块化、便携式方向发展的要求。但是由于 v 总线造价比较高，其推广应用受到一定限制。 ( 6 ) p 总线自动测试系统 p ( p c i 麟t e n s i o m 矗) ri n f 航珊髓t a 6 0 n ，即p c i 总线在仪器领域的扩展) 总线是1 9 9 7 年美国n a t i o n a lh l s m 珊e n t ( n i ) 公司发布的一种高性能低价位的 开放性、模块化仪器总线。与【i 系统相比，p 测试系统的优势在于机箱 中模块体积更小，数据传输速度更高，价格较低( 介子p c d a q 仪器与v 系统之间) 。目前由于p 模块仪器系统卓越的性能和较低的价格，使得越来 越多的从事自动测试系统的工程技术人员开始关注p 的发展。尤其是某些 军用测试系统，要求具有较小的体积，如安装在装甲车和坦克车内的测试系统。 另外，由于p 测试系统的传输速度更高，在某些高频段的测试，已经采用 p 系统。 ( 7 ) 网络化仪器与测试 计算机技术、微电子技术和网络通信技术的飞速进步，使得虚拟仪器渐渐 地向网络化的方向发展，也为测试技术网络化提供了强大技术动力与物质支 持，并且很多测试任务也提出了远程测试的要求。以p c 机或工作站为基础， 4 西北工业大学硕士学位论文第一章概述 通过网络来构成实用的测试系统，将成为仪器与测试技术发展的一个重要方 向。使用网络化仪器，人们可以实现在任何地点、任意时间获取测量信息( 或 数据) ，这无疑能显著提高测量功效，有效降低监测、测控工作地人力和财力 地投入，缩短完成一些类型计量测试工作的周期。网络型测试系统组成结构图 如图1 2 所示。 图l - 2 网络型测试系统示意图 目前，国内对网络化仪器的研究正处于起步阶段。“网络就是仪器”的提 法也已出现，网络化仪器在测量和测控领域已有实际应用。如网络流量计已用 于检测流动物体的流量，这种仪器不仅能记录各个时段的流量，还能在流量过 大或过小时报警；应用于水文监测的网络传感器，能对江河到入海口的各个关 键测控点的水位、流量以及雨水量进行实时在线监测；网络电能表，已应用于 对异地用电信息的获取和检测；其他如网络化示波器、网络化逻辑分析仪等也 在应用中。 尽管多年来，我国在借鉴和吸收国外先进自动测试技术方面已经取得了一 定的成绩，但是与国际先进水平仍有很大差距。近年来，随着航空科技的迅猛 发展，先进的机载设备大幅度地增加，传统的现场测试已经无法解决飞机供电 参数众多、负载扰动大、现场环境恶劣而难以进行精确测试的闯题。主要存在 两点不足：一是不能共享硬件，造成资源浪费；二是不能实时监控现场测试， 不利于远程控制，降低了工作效率。因此，开发网络化测试系统势在必行，也 符合测试技术的发展趋势。 1 4 工业以太网 以太网( e l h 锄c t ) 网络是由x e x 、d i g i t a l 与h 1 _ t e l 三家公司开发出来的， 是目前世界上使用最普遍、最广泛的局域网，它遵守皿e e 8 0 2 3 协议。目前以 太网已经在局域网和m 锄e t 上取得了巨大的成功，据v d c ( 舭 d e v e l o p m e n tc 唧) 调查报告，如今已有约9 5 的网络节点具有e m 锄c t 接口。 5 西北工业大学硕士学位论文第一章概述 工业以太网在技术上与商用以太网( i 髓e 8 0 2 1 3 标准) 兼容，但在产品设计时， 在材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要，即在环境 适应性、可靠性、安全性和安装使用方面满足工业现场的需要刚。 与专门为工业控制而开发的现场总线相比较，工业以太网技术具有一系列 优点。具体表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件 资源丰富；易于与h l t 黜e t 连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝 连接：可持续发展的空间大。在过去的几年里，以太网标准有了许多进步，特 别是在确定性、速度和信息优先级方面。首先，以太网的通信速率一再提高， 从1 0 m b ，s 、1 0 0 m b ，s 到如今的l 0 0 0 m b s 、l o g b s ，在数据吞吐量相同的情况 下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，网络碰撞几率大大下降，提高了 网络的确定性。其次，交换技术的快速发展使得多个网上设备之间同时进行通 信时不会发生冲突。其做法是把网络用交换器分割成互不相连的几个网段，从 而大大降低冲突的可能性彬h 唧。这些进步给以太网在测试领域的应用提供了 技术支持。 1 5 论文研究的意义 在上述背景下，本文提出了一种基于以太网的飞机电气参数测试系统，既 可以实现高可靠、高精度的现场数据采集与处理，又便于实时地远程监测与控 制，很好地解决了飞机供电参数众多、负载扰动大、现场环境恶劣而难以在现 场进行精确测试的问题，使用户能够在办公室的计算机中通过网络监测现场的 情况，有如亲临现场的感觉。概括起来，有如下几点： ( 1 ) 本课题研究的是面向飞机供电系统的网络化分布式测试系统，符合测 试技术的发展方向，有助于提高测试技术的网络化水平。 ( 2 ) 网络化测试是当前国外研究的一个热点，但在国内很少有人研究，因 此本课题的研究有利于国内产品的国际化，提高产品在国际市场的竞争能力。 ( 3 ) 由于国内对网络化测试技术应用的很少，本课题的研究有利于推动国 内同行对网络化测试技术的关注。 1 6 论文的研究内容 本论文设计了一种基于以太网的飞机电气参数测试系统，主要完成了某型 飞机地面试验专用测试系统的研究、开发以及系统联调工作。论文以某型飞机 6 西北工业大学硕士学位论文第一章概述 地面试验测试系统为背景，分析了飞机电气参数测试系统的网络体系结构，研 究了测试系统软、硬件设计的理论与方法，并根据g j b l 8 1 a 2 0 0 3 对以往的参 数计算方法做了改进，同时完成了整个系统的测试软件编写。实践证明，该测 试系统设计合理，实现了系统预定的各项功能，工作稳定可靠，并交付使用， 效果良好。具体来讲，论文研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 系统结构及功能分析 介绍了系统的整体结构，并分析了各个组成部分的功能。 ( 2 ) 硬件设计 介绍了硬件设计方案，在此基础上提出了硬件设计思想及各模块的设计， 重点说明了双机箱同步原理。 ( 3 ) 软件需求分析 从系统的功能出发，运用结构化的软件分析方法，对系统软件需求进行了 详细分析。 ( 4 ) 数据处理方法研究 严格按照g j b l 8 1 1 9 8 6 和g j b l 8 l a - 2 0 0 3 的规定，对各电气参数的讦算方 法进行了详细的理论分析。 ( 5 ) 应用软件设计 在充分了解算法的基础上，编写了系统各模块相应的软件来完成系统的功 能，详细阐述了软件模块之间的通信。 7 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气参数测试系统总体设计 第二章飞机电气参数测试系统总体设计 2 1 飞机电气系统概述 2 1 1 飞机供电系统的作用和组成 飞机供电系统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、交换和输配的一整套装 置所组成的一个完整系统，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。 飞机供电系统可分为主电源、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 部用电设备的主要电源。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置是飞 机上常用的辅助电源叫。 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是多种多样的，有低 压电源系统，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。 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器， 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 3 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气参数测试系统总体设计 2 8 5 v ，由交流机或静止交流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 畚1 1 5 也o o 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 三相交流电源系统嘲。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 通过交频器交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 1 2 飞机供电系统的工作条件 飞机供电系统的工作条件大大地不同于地面工作条件飞行高度、速度、 机械过载及在空间的任意位置对供电系统的工作都有影响 捌。由于有着特殊 的工作条件，因此对系统提出了一系列的技术要求，它的一些共同的基本要 求为： ( 1 ) 要求供电系统工作可靠，这是非常重要的要求，直接关系到飞机的 9 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气参数测试系统总体设计 安全和战斗力的发挥； ( 2 ) 供电系统的重量和尺寸要小，这样可使飞机的有效载荷增加； ( 3 ) 供电系统工作可靠，要求不受周围介质条件的影响。因为飞机可能 处于不同的飞行高度、大气温度下，一般在5 5 到+ 6 0 之间变化，大气压力 可以从海平面的7 6 0 n m 皿g 变化到2 0 0 0 0 米高度的4 1 加n h g ，周围空气的相对 湿度在2 0 5 温度下可达到9 5 9 8 ； ( 4 ) 供电系统工作时要求不受空间位置、速度和加速度的影响。例如飞 机作机动飞行时，设备元件可以受到强度达l o g 长时间的加速度作用，飞机 翻转时，设备应能正常工作，有工作液体的设备( 蓄电池等) 液体不应溢出。 还有由于发动机工作时产生的振动以及飞机着陆时受到撞击，电气设备元件 应能承受1 0 9 以上的振动强度。 以上仅列出了一些基本要求，对整个供电系统及其设备元件来说是远远不 够的，对每一个系统或设备都有一个专门技术规范。这里引用的数据仅仅为了 说明飞机供电系统及飞机电气设备工作的特殊环境，其中一些要求对地面装置 来说，往往是没有意义的，然而对于航空设备来说，这些要求可能起到决定性 作用。 2 1 3 飞机电气参数测试要求简介 根据g j b l 8 1 8 6 ( 飞机供电特性及对用电设备的要求) 和c 1 8 1 a - 2 0 0 3 ( 飞机供电特性) 两个标准的有关规定，飞机供电系统性能参数测试包括的 测试内容如图2 1 所示。 目前，采用直流供电系统的飞机，绝大部分仍为低压直流供电系统，其 额定电压值为2 8 v ，也有少数飞机已经采用高压直流供电系统，其额定电压 值为2 7 0 v 。交流供电系统一般采用三相结构，飞机供电系统也不例外，通常 称为a ，b ，c 三相。三相之间对应物理量的相位相差1 2 0 。，其相序为a 相超 前b 相，b 相超前c 相。在某些混合供电系统中，其交流系统也可以采用单相 结构。 2 2 系统结构及功能分析 2 2 1 系统总体结构 飞机电气参数测试系统是用于测试飞机供电系统中交直流电压、电流、频 l o 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气参数测试系统总体设计 率等动、静态参数特性以及分析供电品质的综合测试系统。具有采集速率高、 数据量大、精度准确、通道数多、使用方便、直接套用供电标准限制蓝线、所 看即所得等特点，是飞机供电系统品质标定的特定手段。 厂一稳态电压 流 供 电 特 性 流 供 电 特 性 稳态电压参数 瞬态电压参数 频率参致 电流参数 稳态电压参数 瞬态电压参数 电流参数 电压楣位差 直流分量 波形分析( 包括畸变系数、畸变频谱和波峰系数等) 瞬态峰值分析 稳态频率 频率调制幅度 频率瞬变 稳态电流 瞬态电流 稳态电压 系数 频谱 电流 电流 图2 i 飞机供电系数各项性能参数 测试系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括上层管理计算机部分、工业 以太网部分、下层测试计算机部分【1 2 】。测试计算机部分包括两台p 1 0 4 2 机 箱( 分别是主机箱和从机箱) 及若干配套的信号调理与负载控制箱，主要完成 多通道数据实时高速同步采集、系统组态监控、向计算机外的执行元件传送加 卸载控制命令字等功能。工业以太网给管理计算机和测试计算机提供了通信保 证。管理计算机用于系统的运行状态及数据的管理，协调系统的运行，为用户 提供现场测试情况，实现统一的监控和数据管理。软件部分首先对采样数据作 预处理，然后进入相应的各程序模块进行采样数据的二次处理，主要功能有人 机对话界面，电气负载加、卸载自动同步控制，组态监控、测试数据采集、存 储、数据分析计算，测试结果的显示、打印、测试报表的生成等。 系统应用软件采用m 公司的图形化语言【庙v m w 7 1 开发环境编程，操 作界面漂亮、人机对话友好、使用方便，有在线帮助功能。软件设计有实时测 试、后期测试( 回放前期测试结果) 、品质分析、负载控制、组态监控等功能。 全部测试方法、精度满足g 船1 8 l 。8 6 和g j b l 8 1 a - 2 0 0 3 的要求。 飞 机 供 电 系 统 性 能 参 数 糍 试 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机电气参数测试系统总体设计 飞机电气参数测试系统的总体设计结构框图如图2 2 所示。 图2 2 飞机电气参数测试系统的总体设计结构框图 2 2 2 系统功能 测试系统用于飞机供电系统地面试验时各项电气特性参数的测试，共测试 2 1 7 路信号，模拟信号1 1 5 路，开关量信号1 0 2 路。根据被测参数的特性，只 采集被测点的电压和电流( 交流供电系统还包括频率) ，依照g j b l 8 1 1 9 8 6 和 g j b l 8 l a - 2 0 0 3 的规定进行数据处理计算得出其它参数。如根据g j b l 8 l a - 2 0 0 3 的要求，必须由采集的被测点数据计算得出：交流供电系统的稳态电压电湔 频率、电压频率调制幅度、电压相位差、畸变系数、波峰系数、直流分量等： 直流供电系统的稳态电压电流、畸变系数、畸变频谱图、脉动幅度等参数n 2 】。 其具体功能如下： ( 1 ) 交流稳态参数的测试 丸三相稳态电压、稳态频率、电压不平衡和电压相位差等的计算； b 电压波形参数：直流分量、波峰系数、偏离系数等； c 调制参数：电压调制量、频率调制量、以及电压调制包络线与频率调制 包络线分析计算； d 畸变参数：总谐波含量、畸变系数以及畸变频谱的分析计算； ( 2 ) 直流稳态参数的测试 直流稳态电压、直流电压脉动量、直流电压脉动频谱的分析计算。 ( 3 ) 瞬态参数的测试 交、直流电压浪涌及瞬态频率的分析计算。 ( 4 ) 负载控制 由管理计算机发送负载控制命令给两台测试计算机，测试计算机解析命令 后分别进行交、直流负载的自动分配。 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机电气参数测试系统总体设计 ( 5 ) 高速数据存储 在实时采集数据时，可以同时存储采集的数据。采样率和通道数由用户在 操作界面上选择，简单快捷。 ( 6 ) 远程监控 两台测试计算机同步实时采集数据或组态显示时，管理计算机可以远程实 时监控现场的测试情况。 ( 7 ) 测试结果报表打印 测试结束后，打印各个实验的测试结果、测试结果与标准要求的极限曲线 的对照结果、测试数据报表等。 2 2 3 系统设计特点 该系统是基于以太网的p 总线标准测量平台，除了具有传统的单机测 试技术特点外，还有远程监控功能，使远程用户不必亲临现场就可以了解现场 测试情况，提高了工作效率。采用了p 体系结构，与以往的g p m 、p c i 、 i 【i 相比，在精度、速度和可靠性方面都有很大提高。 ( 1 ) 基于p 总线的标准化测量平台 本系统采用p 体系结构，p 总线是一种专门面向测试领域开发的总线 技术，能够提供定时、同步和触发功能，比p c i 总线具有更高的性能和可靠 性，总线速度较v ) ( i 快很多，适合大容量数据交换，价格则便宜一半。数据 采集模块选用p 板卡，保证了测试数据的准确度和各通道之间的相位信息， 提高测试系统的可靠性。 ( 2 ) 系统测试结果直观，操作方便。用l a b v i e w 的控件c h a n 显示测试 曲线，使实验结果醒目直观；采用w n d 0 ，g 界面，鼠标、热键都可操作，并 有在线帮助，非计算机人员在不使用操作手册的情况下也能使用该系统；直接 生成实验报表，减轻人工劳动；而且有远程监控功能，使远程用户不必亲i i 缶现 场就可以了解现场测试情况，提高了工作效率。 ( 3 ) 系统将原始数据存储在数据文件中，便于事后观察和分析。 ( 4 ) 采用同一组原始数据来求各种参数，如稳态电压、相移、波形参数和 同一瞬态过程的电压、电流、频率等，以便分析各种参数的关联关系。 ( 5 ) 该系统的最高采样率为1 2 5 瑚z ，采样率随着采样通道的增多而降 低，可通过软件控制采样率，具有很强的适应性。 ( 6 ) 系统的功能和通道数可由用户根据需要选择，从功能和价格上充分满 足用户的要求。 西北工业大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台设计 3 1 总线设计方案 第三章系统硬件平台设计 在飞机供电参数测试系统中，实验数据的获取有着重要的意义。数据不仅是 分析处理系统性能参数的原始材料，而且也是检验算法有效性的重要依据。要实 现系统所要求的测试指标，必须保证测试系统在规定实验时间内有足够的传输速 率和存储容量，这就要求p 总线采集数据的速度和精度以及以太网的实时性 和同步性必须得到满足，以保证管理计算机能够远程实时监控。因此，在本系统 中，对系统硬件部分要求较为严格。 3 1 1 p 总线 p ( p c ie x t e 地i 蛆f i ) ri n s m 曲蹦b t i ) 是由美国n i 公司于1 9 9 7 年推出的 测控仪器总线标准。它将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适用于试 验、测量与数据采集场合的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体 协结构。p 总线规范是在p c i 规范的基础上发展而来的，具有p c i 的性能和特 点，其电气结构如图3 1 所示。 图3 1p 电气结构 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台设计 从图3 1 中可以看出，p 总线电气结构包括3 撕i t 数据传输能力以及分 别高达1 3 2 m b s ( 3 2 b i t ) 和2 6 4 m b ，s ( 6 4 b i t ) 的数据传输速度，另外还支持3 3 v 系统电压、p c i p c i 桥路扩展和即插即用。p 保持p c i 总线的所有优点， 还 增加了专门的系统参考时钟、触发总线、星型触发线和模块间的布局总线，以满 足高精度的定时、同步与数据通信的要求，这些总线位于p 总线背板。p 不仅在p c i 保持总线所有优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以提供比台 式p c i 计算机多的仪器插槲“】。其功能模块如下： ( 1 ) 参考时钟( 1 0 m h z c l k ) p 规范定义了一个低歪斜( 1 0 ws k 鲫) 的1 0 姗z 参考时钟。此参考时钟 位于背板上，信号延伸至每一个外设槽( p e 咖h e r a ls l o t ) ，如图3 1 所示。其特色 是由时钟源开始至每一个外设槽的布线长度都是等长的，因此每一个外设槽所接 受的时钟源都是同相位的，这对多个仪器模块的同步来说是一个很方便的时钟来 源。该参考时钟可用做同一测试或控制系统中的多卡( 或仪器) 同步信号。本测 试系统中的双机箱八块采集卡同步采集信号就是利用该参考时钟作为时钟源。 ( 2 ) 触发总线( p 惭g g 盱b l l s ) p 不仅将e c l 参考时钟改为t t l 参考时钟，而且只定义了8 根t t l 触发 总线，不再定义e c l 逻辑信号。不保留e c l 逻辑电平则不需要机箱提供额外的 电源种类，从而显著减少p 的整体成本。使用触发总线的方式可以是多种多 样的。例如，通过触发线可以同步几个不同p 模块上所谓同一种操作，或者 通过一个p 模块可以控制同一系统中其他模块上一系列动作的时间顺序。为 了准确地响应正在被监控的外部异步事件。可以将触发从一个模块传给另一个模 块。一个特定应用所需要传递的触发数量是随时间的数量与复杂程度而变化的。 ( 3 ) 星型触发( s t a r 强g g e r ) 外设槽2 号的左方局部总线在p 定义中实际上被作为另一种特殊的信号， 称为星型触发线。这1 3 条星型触发线被依序分别连接到其他外设槽上，且彼此 的走线长度都是相同的。也就是说，若在2 号外设槽上同一时间从这1 3 条星型 触发线送出触发信号，那么其他仪器模块都会在同一时间收到触发信号( 因为每 一条触发信号的延迟时间都相同) 。正是因为这一项特殊的触发功能只在外设槽 2 号上才有，因此外设槽2 号也称为星型触发控制器槽( s t a r 碱g g 四c o n a o l l 豇 s l o t ) 。 p 星型触发总线为p 用户提供了只有妊d 尺寸系统才能具有的超高 性能同步能力。星型触发总线是在紧邻系统槽的第一个仪器模块槽与其他6 个仪 器模块槽之间各配置了一根唯一确定的触发线而形成的。 p 星型触发系统具有两个独特的优点：一是保证系统中的每个模块有一根 西北工业大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台设计 唯一确定的触发线；二是每个模块槽中的单个触发点所具有的低时延连接性能， 保证了系统中每个模块间非常精确的触发关系。 ( 4 ) 局部总线( l o c a ib 璐) p 局部总线是每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总线。该局部总线 具有1 3 线数据宽度，可用于在模块之间传递信号，也可以进行高速边带通信而 不影响p c i 总线的带宽。局部总线信号的分布范围从高速t t l 信号到高达4 2 v 的模拟信号。 ( 5 ) p c i 性能 p 系统除了比p c i 系统多扩展槽这点差别之外，p 总线与台式p c i 规范 具有完全相同的p c i 性能。另外，利用p c l - p c i 桥技术扩展多台p 系统，可 以使扩展槽的数量理论上最多扩展至2 5 6 个。 3 1 2 以太网工作原理 以太网是广播型网络，一个节点发出的信号，被同段中其他节点同时接收， 接收节点通过信号地址鉴别，决定丢弃还是保存。为了便于网络中目标计算机的 寻址，以太网标准中采用的是m a c ( m a t 耐a la c c e s sc n n d l ，介质访问控制) 地址。m a c 地址是由i e e e 8 0 2 3 标准委员会分配给网卡厂商的，每块网卡都被 赋予全球唯一的m a c 地址【捌。以太网的帧是变长的，其长度从“字节到1 5 1 8 个字节不等。以太网采用的m a c 是c s m a c d ( c a r r i e d s 栅e m u l 缸d l e a c c 铭s 谢l h c o l l i s i d nd e t e c 缸，载波侦听多路存取，冲突检测) 方法，在此主要介绍c s m 刖c d 工作原理。 c s m a c d 工作原理与人际间交谈非常相似，其工作可以分成数据发送阶段 和数据接收阶段。 发送阶段主要分为以下七个步骤，工作流程如图3 2 所示。 图3 2c s m a c d 工作流程图 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章系统硬件平台设计 ( 1 ) 讲前先听：任何节点要向通信介质发送信息时，首先要侦听介质上是否 有载波( 载波有电压指示) ，如果有，则认为其他站点正在传送信息。 ( 2 ) 无声则讲：如果通信介质在一定时间段内( 称为帧间缝隙球g = 9 6 埘) 是安静的，即没有被其他站点占用，则可进行帧数据发送。 ( 3 ) 一等到有空就讲：如果侦听到其他节点正在传送信息，就一直侦听介质， 直到出现最小的刀附，该站马上开始发送数据帧。 ( 4 ) 边讲边昕：当两个站点在西g 到来后同时发送数据时，就会发生冲突， 双方的帧数据都受到损坏。所以，以太网在发送过程中要不断地侦听通信介质， 以检测冲突。 ( 5 ) 冲突则等待：如果某个站点在发送数据期间检测到冲突，则立即停止该 次发送，并向介质发送一个“阻塞”信号( 告知其他站点已经发生冲突，从而丢 弃那些可能一直在接收的受到损坏的帧数据) ，并等待一段随机时间。c s m c d 确定等待时问的算法是二迸制指数退避算法。 ( 6 ) 多路重传或夭折：在等待一段随机时间后( 称为后退) ，想发送的站点 再进行新的发送。如果重传多次后( 大于1 6 次) ，仍发生冲突，就放弃发送( 称 为夭折) 。 ( 7 ) 重复第一步。 接收阶段可以概括为以下四个步骤。 ( 1 ) 长度校验：接收站浏览介质上传输的每个帧，通过对其长度的判别，确 定它是否为冲突碎片。如果长度小于6 4 字节，则认为是碎片。 ( 2 ) 目的地址校验：如果接受到的帧不是冲突碎片的，则判别该帧地址字段 是否是本地地址。如果是，则进行第( 3 ) 步处理；如果不是，则返回第( 1 ) 步。 ( 3 ) 完整性校验：通过对下列指标的校验，判断帧是否发生畸变。 长度：如果帧长度大于1 5 1 8 个字节( 超长帧，可能由错误的l a n 驱动程序 造成) ，则认为发生畸变。 定界符：定界符必须是8 位的整数倍。 c r c 校验。 ( 4 ) 本地处理：通过上述校验的帧被认为是有效的；接收下来后，做本地处 理。 综合考虑飞机供电参数测试系统的测试要求、p 总线的众多优点以及以太 网的优势，我们测试系统的硬件设计方案选择为基于以太网的p 总线接口的 多通道高速数据采集系统结构。 1 7 西北工业大学硕士学位论文第三章系统硬件平台设计 3 2 模块设计 在该测试系统中，测试计算机通过以太网与局域网内其他计算机相连，可以 实现数