ADS8O3與DSP構成的供電診斷系統(tǒng)

引 言
    飛機供電系統(tǒng)是個需要高可靠性的復雜系統(tǒng)，其工作環(huán)境非常惡劣，強震動，變負載，且電源品質要求非常高。某型飛機采用單臺發(fā)電機電源系統(tǒng)，集中配電方式，開式供電網(wǎng)。l臺12kW直流起動發(fā)電機、2臺鋅銀蓄電池和地面電源插座均直接向電源艙匯流條供電，電源艙匯流條上接有大容量用電設備。目前，供電系統(tǒng)只靠發(fā)電機故障信號燈指示故障，缺乏實時的機載故障檢測和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，不利于實時掌握供電情況和及時進行地面檢查。

1 供電系統(tǒng)構成
    機載供電系統(tǒng)由以下幾部分組成：①發(fā)電機、②發(fā)電機激磁繞組、③反流割斷器、④炭片式電壓調節(jié)器、⑤穩(wěn)定變壓器、⑥發(fā)電機電門、⑦航空蓄電池、⑧用電設備。其原理圖如圖1。

2 機載供電系統(tǒng)使用現(xiàn)狀
    飛機用電設備要求供電系統(tǒng)提供高質量的電能，以保證正常而充分地發(fā)揮設備的性能，完成預定的任務；同時要保證不因供電質量低劣而損壞用電設備。這就要求供電脈動電壓嚴格控制在一定范圍之內，防止對無線電設備及其它電子設備的傳導和輻射干擾。飛機起飛過程中，用電設備相繼工作，此時供電系統(tǒng)負載變化很大，導致電壓脈動。
    目前，機載供電系統(tǒng)僅靠故障指示燈指示故障，當匯流條電壓低于24V時，故障燈點亮。但此時留給駕駛員進行特情處理的時間已經(jīng)很少，且不能準確定位故障部件，給飛行安全帶來極大的威脅。如果能在飛行中特別是在起飛過程中實時監(jiān)控供電系統(tǒng)各關鍵部件的電壓狀況，當各采樣點脈動值超出允許值時，就及時報告故障信息，同時在飛參記錄系統(tǒng)中把這些情況記錄下來，就能為飛行員進行特情處理贏得時間，也可以為故障預測及快速排除故障提供寶貴的信息。

3 故障樹分析
    此系統(tǒng)的典型故障有：供電電壓超過穩(wěn)態(tài)電壓極限、電壓不穩(wěn)定和發(fā)電機不供電等。前兩種故障可根據(jù)匯流條電壓判斷，故障原因較明顯，由電源故障指示燈可以判斷，不需詳加分析。而引起發(fā)電機不供電故障的因素較多，如反流割斷器不工作，反流割斷器控制電路有故障(即發(fā)電機電門電路有故障)，發(fā)電機本身有故障，發(fā)電機激磁繞組電路斷路或炭片電壓調節(jié)器炭柱電路斷路等。如果把一個故障原因的電源系統(tǒng)劃為一個模式類，并且不細分反流割斷器不接通是由于它本身的故障造成的還是由于它的控制電路造成的，則該系統(tǒng)可劃為四個模式類s1，S2，和S3，So則表示正常供電模式類，如圖2所示。

    如果只要判斷電源系統(tǒng)是否供電，則只要檢測匯流條電壓。如果要進行故障定位，則應取得更多的信息，需增加檢測點F和B。發(fā)電機正常供電時，匯流條電壓在27V～29.5V。如發(fā)電機不能正常供電，僅由蓄電池向匯流條供電，其電壓降到24V左右。發(fā)電機正常發(fā)電時，電壓VF為27V～29.5V。如果電壓調節(jié)器正常，但發(fā)電機激磁繞組不正常，則發(fā)電機端應有剩磁電壓(通常大于O.5V)，激磁繞組端也應有電壓，即UF≠O，UR≠O；如果此時電壓調節(jié)器炭柱電路斷路，則激磁繞組上沒有電壓UB=O。在發(fā)電機有失磁、斷軸或電樞繞組斷路等故障時，發(fā)電機電壓UF必為零。由此可確定系統(tǒng)各點電壓正常取值范圍。

4 ADS8O3與TMS32OF2O6芯片簡介
    TI公司的16位定點DSP TMS32OF2O6，是一種低功耗器件，采用了改進的哈佛結構，有1條程序總線和3條數(shù)據(jù)總線，流水線操作，有高度并行32位算術邏輯單元、1 6×1 6位并行硬件乘法器、片內存儲器、片內外數(shù)據(jù)和高度專業(yè)化的指令集。F2O6的性能特點如下①指令周期為5Ons；②可尋址224K存儲空間一64K程序、數(shù)據(jù)和I／O空間以及32K的可擴展數(shù)據(jù)空間；③片內集成有4.5K的RAM和32K的Flash；④豐富的片內外設一同步串行口、異步串行口、鎖相環(huán)、軟件等待狀態(tài)發(fā)生器；⑤源碼向下兼容TMS32OC25、向上兼容TMS32OC5X；⑥強大的指令集—單周期乘／加、塊移動多條件轉移和調動、位倒序尋址。
    BB公司推出的ADS8O3芯片為12位、5MHz、并行高速A／D轉換器，具有高信噪比、低失真度、低功耗、輸入范圍變化靈活和輸入溢出報警等優(yōu)點。ADS8O3內部集成有寬帶線性采樣保持器，保證了奈奎斯特頻率下芯片的優(yōu)良性能[2]’。ADS8O3的內部結構包括采樣保持器12位并行模數(shù)轉換器、誤差修正邏輯、參考源和工作模式選擇等。ADS8O3的轉換時間為2OOns～100μs，采樣保持的數(shù)據(jù)在5個工作周期后轉換完成。時序如圖3所示。圖3中符號含義與取值如表1所列。

5 機載供電診斷系統(tǒng)電路設計
    為了實時監(jiān)控機載供電系統(tǒng)各關鍵部件的電壓脈動，由故障樹分析可知，可在匯流條、蓄電池正極、F點和B點取電壓采樣，經(jīng)高速模數(shù)轉換后送DSP進行實時處理。這樣一方面把采樣數(shù)據(jù)送飛參存儲器進行存儲：另一方面把各時刻采樣電壓脈動值與標準值進行比較。如果超過允許值則系統(tǒng)進行告警并指示故障部位。

    將ADS803與F206連接，形成一個高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為后續(xù)處理采集數(shù)據(jù)。參考ADS803的工作時序圖，ADS803的轉換周期可為200ns～100μs，因此可產(chǎn)生10kHz～5MHz的任一采樣頻率。F206的CLKOUTl輸出時鐘信號，經(jīng)分頻后接人ADS803的CLK，作為采樣時鐘。ADS803與F206配合的時序如圖4所示，CLKOUTl為DSP的工作時鐘，取為20MHz，ADS803的工作時鐘是由CLKOUTl經(jīng)過4分頻得來，為5MHz，它們的上升沿保持同步。對于每一個ADS803，每個時鐘里都有超前5個周期采樣的數(shù)據(jù)轉換完成，并保留有效。F206從存儲器中讀數(shù)據(jù)只需一個CLKOUT1周期，因此F206只需每隔4個CLKOUTl周期從同一個ADS803讀取數(shù)據(jù)，這樣即可充分利用ADS803的轉換速度，又可避免采樣數(shù)據(jù)重復。根據(jù)時序，F(xiàn)206可以在t12，讀匯流條處采樣數(shù)據(jù)，在t13讀蓄電池正極處采樣數(shù)據(jù)，在t14讀F點處采樣數(shù)據(jù)，在f15讀B點處采樣數(shù)據(jù)，在f16讀匯流條處采樣數(shù)據(jù)，如此循環(huán)往復。診斷系統(tǒng)的電路框圖如圖5所示。圖5中所示邏輯，BR接地有效，選擇外部全局數(shù)據(jù)空間。此電路中ADS803被映射到數(shù)據(jù)區(qū)，就可以使用讀數(shù)據(jù)得指令來讀A／D。該方法指令少，可以盡最大可能利用A／D的速度，減少因中斷方式響應中斷所需的時間(F206)從有外部中斷請求到讀取中斷向量至少需8個時鐘周期)，從而能進一步提高采樣速率。F206輪流讀取4個采樣點的電壓采樣數(shù)據(jù)，對所得數(shù)據(jù)進行分析，并把數(shù)據(jù)送飛參存儲器作為歷史數(shù)據(jù)保留。

結語
    本文用故障樹分析了機載供電診斷系統(tǒng)的特點，分析了ADS803的高速模數(shù)轉換特性和DSP TMS320F206的并行特性。把它們應用于機載供電系統(tǒng)故障診斷之中。選取合適的采樣點，經(jīng)過高速數(shù)據(jù)采集，可以通過飛參判讀軟件，實時精確地診斷出機載供電系統(tǒng)的故障。該系統(tǒng)可應用于某型飛機供電系統(tǒng)性能監(jiān)控和故障修復，經(jīng)改進后也可應用于其它型號飛機。