CN105334471B - 一种便携式飞机供电品质测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式飞机供电品质测试系统，包括主机、鳄鱼夹、电流传感器、外设以及配套电缆；主机包括PC104计算机、多通道同步采集卡、电压调理电路板、显示器、开关电源、电流检定接口、电压检定接口、电流输入接口、电压输入接口、固态硬盘、风扇。本发明的优点在于可靠性高，能够克服飞机外场温度变化剧烈、震动性强的不利环境因素；既能实现供电品质在线检测，又可实现波形记录，兼有传统仪器和波形记录仪的双重功能，且波形数据回放可直接在本机完成，无需将数据导出使用，使用方便。

Description

一种便携式飞机供电品质测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种飞机供电品质测试系统及方法。

背景技术

飞机电源系统是飞机重要的平台系统，负责向全机用电设备提供符合要求的交直流电能，为了保证供电和用电设备的协调统一，在飞机设计中必需严格按照GJB181A飞机供电特性的要求限制飞机供电和用电设备。随着使用时间的增长，飞机的供电特性会发生变化，为了能够及时发现这一隐患，就需要对飞机供电特性进行检测。由于国军标规定的供电参数很多，传统的仪器仪表无法实现，必需利用计算机测控方式来实现。为满足测试要求，需采取对供电波形进行记录，然后再对获得的波形进行分析，得到供电特性的分析结论。基于此要求，严格按照供电特性进行测试的方式大多在修理厂、实验室离位进行，很少有在飞机原位使用的供电特性原位测试仪。

目前，在原位开展飞机供电品质测试，常规的方法是利用波形记录器记录供电波形，然后将波形记录器记录的波形数据下载到笔记本或台式计算机中，再利用计算机进行数据分析，得到飞机供电品质特性参数。高速波形记录器成本较高，且波形记录器都是通用化设计，并未针对飞机供电特点进行设计，另一方面，还需要配合计算机使用，工作效率低。手持式供电品质测试仪一般针对工频50Hz交流电进行测试，无法满足飞机中频400Hz交流电的要求，并且，即便是达到了400Hz交流电的测试技术要求，相关的供电品质参数也并未按照国军标进行计算，使用灵活性受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：提供一种便携式飞机供电品质测试系统及方法，可以实现飞机供电品质原位在线检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式飞机供电品质测试系统，其特征在于：包括主机、鳄鱼夹、电流传感器、外设以及配套电缆；主机包括PC104计算机、多通道同步采集卡、电压调理电路板、显示器、开关电源、电流检定接口、电压检定接口、电流输入接口、电压输入接口、固态硬盘、风扇；PC104计算机通过PC/104-Plus接口与多通道同步采集卡连接，通过VGA接口与显示器连接；PC104计算机通过SATA接口与固态硬盘连接；多通道同步采集卡通过电流检定接口采集电流检定信号；多通道同步采集卡依次通过电压调理电路板和电压检定接口采集电压检定信号；多通道同步采集卡依次通过电压调理电路板、电压输入接口、鳄鱼夹采集被测电压；多通道同步采集卡依次通过电流输入接口、电流传感器采集被测电流；外设通过USB接口与PC104计算机进行连接和数据交互；开关电源分别给PC104计算机、固态硬盘、显示器、风扇和电流输入接口提供所需的电源。

作为本发明的改进，所述的主机的机箱采用铝合金机箱；所述机箱的内腔安装一个L型铝板，L型铝板的底部固定在机箱底部，L型铝板左侧安装有电压调理电路板，L型铝板右侧依次安装固态硬盘、多通道同步采集卡、PC104计算机、风扇。

作为本发明的进一步改进，将多通道同步采集卡置于底部，PC104计算机位于顶部的方式；L型铝板右侧从底部到顶部依次安装固态硬盘、多通道同步采集卡、PC104计算机、风扇；将风扇单独用固定螺杆固定在L型铝板上，并在固定螺杆与L型铝板连接处增加塑料垫片减弱风扇振动对铝板的影响。

作为本发明的更进一步改进，在PC104计算机和风扇之间加装铜散热器。

作为本发明的又进一步改进，PC104计算机采用的是ADLINK的CM 745单板计算机，CPU为Intel ATOM D525，2G RAM，板载4G NAND，固态硬盘128G；所述的多通道同步采集卡使用的是北京中泰公司的ZTIC PL2346B同步采样卡。

一种用便携式飞机供电品质测试系统进行长时间波形记录和存储的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：被测设备编号、记录文件列表、存储次数及被测参数变量初始化；

步骤二：获取多通道同步采集卡信息；

步骤三：设定采集速率的1/2作为采集中断信号；

步骤四：选择采集卡单通道采集频率：50kHz、100kHz或200kHz；

步骤五：设定AD采集范围为±5V；

步骤六：设定多通道同步采集卡的前10路工作；

步骤七：启动采集卡采集；

步骤八：当单通道的采集数据数量达到采集频率值的1/2时，进行数据存储，否则返回步骤七。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)硬件结构体积小，环境适应性好，满足飞机外场使用要求；且通过合理的布局，系统的维护性好，扩展性强，设计方案具有很强的可移植性；

(2)软件部分能实现长时高速波形记录功能，波形文件数据完整，记录时间可达60分钟，整个过程中计算机无死机现象，满足了使用要求；

(3)一机多能，既能实现供电品质在线检测，又可实现波形记录，兼有传统仪器和波形记录仪的双重功能，且波形数据回放可直接在本机完成，无需将数据导出使用，使用方便；

(4)本发明内部采用的器件绝大多数均为市场成熟产品，设计方案的可行性好，可靠性高，能够克服飞机外场温度变化剧烈、震动性强的不利环境因素；

(5)通过合理的内部布局设计，保证了系统整体体积小，散热好，能够避免结构紧凑带来散热差，功能单一等缺陷；

(6)采用通用计算机测控平台，本发明的扩展性强，可根据实际使用需求，修改完善测试软件，提高本发明的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的便携式飞机供电品质测试系统硬件组成结构框图；

图2是本发明的L型铝板外形示意图；

图3是本发明的L型铝板上主要设备的分布图；

图4是本发明的核心部分在L型铝板上的堆叠结构；

图5是本发明的电压调理电路板的交流电压调理电路图；

图6是本发明的电压调理电路板的直流电压调理电路图；

图7是本发明的一种利用便携式飞机供电品质测试系统进行长时间波形记录和存储的方法流程图；

图8是本发明的波形数据文件分割及存储数据流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明的便携式飞机供电品质测试系统硬件组成结构框图。图1中，虚线框所示部分为主机1，主机1是整个系统的核心部分，除主机1外，还有鳄鱼夹2(即电压探头)、电流传感器3(即电流探头)、外设4和配套电缆(配套电缆属现有技术，图中未显示)。主机系统采用PC104总线架构。PC104是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，其尺寸结构小，仅为96×90mm，连接方式采用堆栈式连接，连接可靠，驱动功率小，这些特性充分适应该测试设备便携性的需求。采用PC104架构，可采用通用PC的软件平台，系统的拓展性好，并且能够充分利用现有计算机测控技术的优势，加速产品设计速度，并且后期的升级维护也非常方便。

如图1所示，主机1包括PC104计算机11、多通道同步采集卡12、电压调理电路板13、显示器14、开关电源15、电流检定接口16、电压检定接口17、电流输入接口18、电压输入接口19、固态硬盘110、风扇111；PC104计算机11通过PC/104-Plus接口与多通道同步采集卡12连接；PC104计算机11通过VGA接口与显示器14连接；PC104计算机11通过SATA接口与固态硬盘110连接；多通道同步采集卡12通过电流检定接口16采集电流检定信号；多通道同步采集卡12依次通过电压调理电路板13和电压检定接口17采集电压检定信号；多通道同步采集卡12依次通过电压调理电路板13、电压输入接口19、鳄鱼夹2采集被测电压；多通道同步采集卡12依次通过电流输入接口18、鳄鱼夹2、电流传感器3采集被测电流；外设4通过USB接口与PC104计算机11进行连接和数据交互；开关电源15分别给PC104计算机11、固态硬盘110、显示器14、风扇111和电流输入接口18提供所需的电源；外设4包括键盘、鼠标等常用输入装置。

为了保证本发明的便携性，主机1的机箱采用铝合金机箱；为了将所有设备合理安置在机箱内部，机箱的内腔安装一个L型铝板。图2是本发明的L型铝板的外形示意图，L型铝板的底部固定在机箱底部，如图3所示，L型铝板左侧安装有电压调理电路板13，L型铝板右侧依次安装固态硬盘110、多通道同步采集卡12、PC104计算机11、风扇111。

为了更好的散热，将多通道同步采集卡置于底部，PC104计算机位于顶部的方式。堆叠结构见图4所示，L型铝板右侧从底部到顶部依次安装固态硬盘110、多通道同步采集卡12、PC104计算机11、风扇111；将风扇单独用固定螺杆固定在L型铝板上，并在固定螺杆与L型铝板连接处增加塑料垫片减弱风扇振动对铝板的影响。

为了更好的散热，在PC104计算机11和风扇111之间加装铜散热器；

本发明的硬件系统中，PC104计算机采用的是ADLINK的CM 745单板计算机，CPU为Intel ATOM D525，2G RAM，板载4G NAND，固态硬盘128G。多通道同步采集卡(12)使用的是北京中泰公司的ZTIC PL2346B同步采样卡，该卡的采集速率为450K，采样精度16bit，18路差分同步采样。之所以采用该配置，主要有以下原因：①Windows平台、LabVIEW测试软件、高速数据采样分析及记录都对计算机平台提出了较高要求，而这又与本设计的便携性存在矛盾，必须选择低耗高能产品，ADLINK的CM 745单板机采用的Intel ATOM D525，其性能经过实际使用的测试，能够满足需求，在系统工作过程中，平均功率大约在20W左右，很好的满足了测试需求；②供电品质测试对测试的精度及准确度较高，根据GJB181标准的规定，采集系统必须具备同步采样、单通道采样率不低于200k、测试分辨率不低于12bit的要求，而PL2346B同步采样卡的性能指标满足了设计要求，同时差分输入也进一步提高了测试精度，该测试系统在进行准确度检定时，测试精度都达到了0.5％以内；③内存与硬盘的选择上，由于Windows运行时的内存开销大、数据采样过程中，也需要开辟与采集数据数量相匹配的内存空间，运行过程中，内存消耗超过1G，因此，计算机内存不能低于2G，同时，采集存储数据量较大，200k采样率，10通道同时采集，每分钟产生的数据文件高达1G，因此，对存储设备的速度及容量都要求较高，为了保证系统可靠，选用了128G的固态硬盘作为存储设备。

由于固态硬盘通电工作时热量较大，将其安装在L型铝板的表面，目的是提高固态硬盘的散热条件，保证固态硬盘在高速持续记录工作过程中的散热。

多通道同步采集卡与PC104计算机之间利用PC/104-Plus接口进行连接，一般情况下，PC104计算机一般安装在底部，其上安装多通道同步采集卡等设备，但是，由于供电品质记录对PC104计算机的性能要求较高，在检测系统中CPU采用Intel Atom D525，该CPU必需进行被动或主动散热。

在传统的安装方式下，PC104计算机一般安装在多通道同步采集卡的底部，这样，一方面会导致散热器体积受限制，另一方面CPU产生的大量热量会直接传至多通道同步采集卡上，而温度一高，就会导致多通道同步采集卡的AD芯片受到影响，影响本发明的测试精度。并且，多通道同步采集卡安装在PC104计算机上部，多通道同步采集卡的体积将会受到限制。

采取将多通道同步采集卡置于底部，PC104计算机位于顶部的方式，一方面可以选择较大板型的采集卡，采集卡的性能有保证；另一方面，计算机位于上方，可以安装相对厚的散热片，CPU的散热条件改善，与此同时，CPU工作中产生的大量热量也不会影响到位于底部的采集板卡。另外，除了采用被动散热方式外，考虑到机箱内部容积小，虽检测系统能稳定工作，但长时工作时，CPU散热器表面温度维持在50℃～60℃，为了进一步改善工作环境，保证飞机外场恶劣环境使用，在其顶部安装有散热风扇，进行主动散热。在通常的设计中，散热风扇直接安装在散热器上，与散热器、计算机等组成一体。由于风扇和CPU板部分合成一体，风扇工作中振动大，将导致计算机接口的连接不可靠，不利于系统的稳定工作。为了解决该问题，本发明将风扇单独用固定螺杆固定在L型铝板上，并在螺杆与铝板连接处增加塑料垫片减弱风扇振动对铝板的影响。采用风扇主动散热后，CPU散热器表面温度下降约10℃，环境适应性大大增强。本发明内部采用的器件绝大多数均为市场成熟产品，设计方案的可行性好，可靠性高，能够克服飞机外场温度变化剧烈、震动性强的不利环境因素；本发明通过合理的内部布局设计，保证了系统整体体积小，散热好，能够避免结构紧凑带来散热差，功能单一等缺陷。

本发明中电压调理电路板(13)的作用是将交流0～200V有效值的交流电压以及直流0～80V的直流电压信号转换成﹣5V～﹢5V的弱信号，供多通道同步采集卡(12)采集，其交流电路结构见图5所示，直流电路结构见图6所示。该调理板采取无源设计，并带有过压保护功能。采用无源设计，可降低本发明的供电需求，避免供电电源波动对测量的影响，由于无源设计，无法隔离，为避免高电压引入，设计了过压保护电路。电路中电阻均选择2W电阻，精度等级1级，实际测试结果证明采用该方法的优势有：①无需双电源供电，成本低；②受温度影响小，电压变化的线性度好；③电路结构简单、功能完善、体积小、抗震好。整体设计适应本发明便携性及外场使用环境要求。调理电路的±5V电压输出连接到多通道同步采集卡(12)的AD+和AD-端子上，用于信号采集。为了避免被测信号与本发明不共地，造成测量数据的不准确，所有外部被测信号的负端全部与多通道同步采集卡(12)的AGND端子相接。

本发明硬件结构特点如下：①体积小，环境适应性好，满足飞机外场使用要求；②通过合理的布局，系统的维护性好，扩展性强，设计方案具有很强的可移植性。

本发明可实现飞机供电品质的在线检测与记录等多种功能。测试系统采用220V/50Hz单相交流供电，经过其内部的开关电源15将电压变为直流5V、+12V、-12V，其中PC104计算机、固态硬盘采用+5V、+12V供电，电流传感器采用±12V供电，显示器及风扇采用+12V供电。被测信号分别经鳄鱼夹2(电压探头)、电流传感器3(电流探头)引入，电压调理电路板将输入的0～200V交流有效值电压或0～80V直流电压转换至±5V电压，电流传感器利用霍尔元件的磁效应，直接将套在传感器内的电流转换为±5V电压，电压及电流的转换信号同时送入多通道同步采集卡中进行离散化采样，PC104计算机通过PC/104-Plus的计算机总线，控制采集卡的工作模式，当采集卡采集的数据量达到采集频率值的1/2时，采集卡将该组数据批量送至PC104计算机，在计算机的软件平台上对获取的数据进行分析处理，得到被测飞机供电系统的供电品质参数。电压检定接口、电流检定接口及其匹配信号用于对测试系统的准确性进行检定，通过在检定接口上接入标准的测试信号，电压检定接口接入与被测交直流电压相等的电压信号，电流检定接口接入±5V的电压信号，观察输入信号与检测出的数值大小，对系统的准确度进行检定。

对本发明软件要求最高的就是波形记录功能。在LabVIEW中，由计算机系统采样得到的数值需要占用4个字节，每秒钟软件系统最大的记录量为18×450×4＝32400KB≈32MB。一分钟的数据量约为32×60＝1920MB，约为2G。这样，该系统最长记录时间为60分钟。为了能够将多通道的供电波形数据实现不间断记录，必需保证系统能够以不低于每秒30M左右的速度持续进行数据记录。30M左右的持续数据记录要求，对低功耗的PC104计算机平台而言，已快接近该系统的硬盘读写速度极限值。在实际系统中，计算机不仅需要参与数据存储控制，还需要参与AD采样以及Windows系统等工作控制，因此，可用计算资源是非常有限的。因此，要实现波形数据的长时间记录，必需保证系统能够快速完成采集的缓存数据到硬盘数据的转存。通用的方法有：一、直接将每次采集到的数据存入硬盘。该方法就是AD每采集一段时间的数据，直接将这些数据存入硬盘文件中，该方法的缺陷就是记录时间较长时，产生的数据文件过多，对后期数据的管理及使用分析造成了不便。二、采取固定数据文件大小的方式。该方法将每次AD转换得到的缓存数据存入到某一固定文件中，当数据文件达到最大值时，停止将数据存入该文件，将数据文件存入下一个数据文件中。但是，由于系统的采集通道数和采集速率均为可变值，因此，采取固定文件大小的方式，会存在存储的数据量时间不固定，数据不连续的问题，后期管理及使用也不方便。

为了解决以上问题，本发明的软件部分设计一种基于时间序列的数据分块存储方法。在该方法中，利用每次AD采集读数时的中断信号作为控制信号。具体的软件流程见图7所示。

一种便携式飞机供电品质测试系统进行长时间波形记录和存储的方法，其特征在于包括如

下步骤：

步骤一：被测设备编号、记录文件列表、存储次数及被测参数变量初始化；

步骤二：获取多通道同步采集卡信息；

步骤三：设定采集速率的1/2作为采集中断信号；

步骤四：选择采集卡单通道采集频率：50kHz、100kHz或200kHz；

步骤五：设定AD采集范围为±5V；

步骤六：设定多通道同步采集卡的前10路工作；

步骤七：启动采集卡采集；

步骤八：当单通道的采集数据数量达到采集频率值的1/2时，进行数据存储，否则返回步骤七。

在板卡工作中，每0.5s即可得到一大批数据，这些数据都暂存在Windows系统的内存中，如不及时处理的话，很快就会造成内存溢出，系统无响应或者死机，因此，必需快速将这些数据存入到硬盘中去。在Windows系统中，由于文件的存储过程必需经历建立/打开文件，读取/写入文件，关闭文件这三个步骤，因此，如果持续将文件写入一个文件，就会导致文件体积超大，文件体积过大，文件的打开、关闭的操作就会变得非常慢，因此，必需将文件分块进行处理。该检测系统以一分钟为标准，进行文件分割，既保证文件数量较少，也利于后期文件的分析使用。由于利用缓冲区半满作为中断信号，因此，每一次数据即为0.5S的数据量，存储60次，即1分钟的数据量，后续采集的数据存入下一分钟的数据块中。这样，以最长60分钟计算，得到的数据文件为60个，每一个文件对应1分钟。波形数据文件分割及存储的软件工作流程如图8所示。通过以上软件流程的优化设计，本发明实现了长时高速波形记录功能，波形文件数据完整，记录时间可达60分钟，整个过程中计算机无死机现象，满足了使用要求。本发明软件部分能实现长时高速波形记录功能，波形文件数据完整，记录时间可达60分钟，整个过程中计算机无死机现象，满足了使用要求。

本发明一机多能，既能实现供电品质在线检测，又可实现波形记录，兼有传统仪器和波形记录仪的双重功能，且波形数据回放可直接在本机完成，无需将数据导出使用，使用方便。显然，上文所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换获得其他实施例，这些实施例也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种便携式飞机供电品质测试系统进行长时间波形记录和存储的方法，其特征在于，一种便携式飞机供电品质测试系统包括主机(1)、鳄鱼夹(2)、电流传感器(3)、外设(4)以及配套电缆；

主机(1)包括PC104计算机(11)、多通道同步采集卡(12)、电压调理电路板(13)、显示器(14)、开关电源(15)、电流检定接口(16)、电压检定接口(17)、电流输入接口(18)、电压输入接口(19)、固态硬盘(110)、风扇(111)；

PC104计算机(11)通过PC/104-Plus接口与多通道同步采集卡(12)连接；

PC104计算机(11)通过VGA接口与显示器(14)连接；PC104计算机(11)通过SATA接口与固态硬盘(110)连接；所述的PC104计算机(11)采用的是ADLINK的CM745单板计算机，CPU为Intel ATOMD525，2G RAM，板载4G NAND，固态硬盘128G；所述的多通道同步采集卡(12)使用的是北京中泰公司的ZTIC PL2346B同步采样卡；

多通道同步采集卡(12)通过电流检定接口(16)采集电流检定信号；

多通道同步采集卡(12)依次通过电压调理电路板(13)和电压检定接口(17)采集电压检定信号；

多通道同步采集卡(12)依次通过电压调理电路板(13)、电压输入接口(19)、鳄鱼夹(2)采集被测电压；

多通道同步采集卡(12)依次通过电流输入接口(18)、电流传感器(3)采集被测电流；

外设(4)通过USB接口与PC104计算机(11)进行连接和数据交互；

开关电源(15)分别给PC104计算机(11)、固态硬盘(110)、显示器(14)、风扇(111)和电流输入接口(18)提供所需的电源；

所述方法包括如下步骤：

步骤一：被测设备编号、记录文件列表、存储次数及被测参数变量初始化；

步骤二：获取多通道同步采集卡信息；

步骤三：设定采集速率的1/2作为采集中断信号；

步骤四：选择采集卡单通道采集频率：50kHz、100kHz或200kHz；

步骤五：设定AD采集范围为±5V；

步骤六：设定多通道同步采集卡的前10路工作；

步骤七：启动采集卡采集；

步骤八：当单通道的采集数据数量达到采集频率值的1/2时，进行数据存储，否则返回步骤七。