高原型航空地面電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

季嘉偉，趙徐成，孫國文

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高原型航空地面電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

季嘉偉，趙徐成，孫國文

（空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇 徐州 221000）

為了采集航空地面電源在高原環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，給出了一種基于S3C2440的高原型地面電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)通過應(yīng)用S3C2440處理器控制多路模擬開關(guān)，利用分時(shí)復(fù)用技術(shù)將地面電源多路傳感器數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡。將所獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中。為了方便用戶與系統(tǒng)之間的交互，還提供了生成報(bào)表、存檔、打印輸出等功能。系統(tǒng)分析軟件能夠直觀地觀察特征參數(shù)的詳細(xì)情況，通過編程實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)，運(yùn)行曲線顯示、數(shù)據(jù)表格顯示。

數(shù)據(jù)采集；地面電源；多路模擬開關(guān)；系統(tǒng)分析軟件

高原環(huán)境的特殊性影響著航空地面電源的保障效率，所以要對其高原型航空地面電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、處理[1-2]。地面電源供電性能的好壞，直接影響高原環(huán)境下飛機(jī)保障的效率[3]。為分析地面電源的供電特性，維持其良好的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電源車的特征參數(shù)顯得十分必要。這就需要對地面電源供電過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)[4]。

地面電源的特征采集信號(hào)有16路之多，所以需要多通道的數(shù)據(jù)采集卡。文中提出一種基于S3C2440技術(shù)的模擬量、數(shù)字量采集與處理系統(tǒng)，ARM芯片處理器S3C2440工作頻率高且自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊[5]，使得對特征參數(shù)的檢測更簡易且精準(zhǔn)。解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行效率不高，軟件編程復(fù)雜的問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步采集及存儲(chǔ)和通道可選擇控制等功能[6-7]。

1 高原環(huán)境對地面電源的影響分析

高原地區(qū)環(huán)境惡劣，航空地面電源作為一臺(tái)重要的四站保障裝備，為飛機(jī)提供地面起動(dòng)電源和地面通電檢查電源。由于其提供電源質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到戰(zhàn)機(jī)的戰(zhàn)斗力的優(yōu)劣，因此要對電源車在高原地區(qū)的實(shí)際工作性能進(jìn)行采集和分析。高原環(huán)境主要對航空電源車具有以下兩方面影響。

1）動(dòng)力系統(tǒng)的影響。高原環(huán)境對高原型航空電源車的動(dòng)力影響特別巨大。高海拔導(dǎo)致的氣壓低、空氣稀薄使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量減少、氧氣含量減少、燃油不能充分燃燒，導(dǎo)致功率輸出嚴(yán)重下降，最明顯的就是在動(dòng)力上的表現(xiàn)。高原地形多變，爬坡路段較多，對動(dòng)力的要求要更加嚴(yán)苛，然而面對動(dòng)力下降的現(xiàn)實(shí)，使電源保障不容樂觀。大半年的低溫期使得發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)候無法起動(dòng)，更是不容忽視的問題。

2）電氣系統(tǒng)的影響。高原的低溫，強(qiáng)紫外線輻射會(huì)降低電氣系統(tǒng)的絕緣性能。首先強(qiáng)輻射條件下，塑料材質(zhì)的材料在柔韌性和抗疲勞性上大打折扣，變得容易龜裂，材質(zhì)本身會(huì)變脆，容易粉化。一旦導(dǎo)線裸露在外，很容易出現(xiàn)短路，從而造成嚴(yán)重事故。干燥的環(huán)境下靜電容易產(chǎn)生，在靜電環(huán)境下裝備的電氣特性會(huì)受到影響，難以達(dá)到保障所要求的目標(biāo)。

隨著高原戰(zhàn)略地位的提升，對保障裝備的性能要求也更加苛刻，同時(shí)對航空電源車日常保障的供電標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。這就要求時(shí)刻掌握高原型航空電源車的性能參數(shù)，來分析其性能指標(biāo)是否合格。

2 方案選擇

結(jié)合地面電源運(yùn)行的特征和實(shí)際情況選取能反映地面電源運(yùn)行狀態(tài)的特征信號(hào)：A，B，C相交流電壓，A，B，C相交流電流，兩組變壓整流器兩端直流電壓，兩組變壓整流器輸出直流電流，三組蓄電池電壓，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，交流電頻率，運(yùn)行機(jī)械聲，溫濕度。見表1。

系統(tǒng)分為四大部分：傳感器信號(hào)輸入、模擬多路開關(guān)、S3C2440處理器以及存儲(chǔ)卡。方案具體是：首先，通過各類傳感器檢測電源車工作過程中的10類實(shí)時(shí)特征參數(shù)的模擬量信號(hào)，并輸入調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為ARM芯片處理器S3C2440能夠接收的0~3.3 V的電壓信號(hào)；然后輸入兩片多路開關(guān)，并在ARM芯片處理器S3C2440控制下分時(shí)選通一路信號(hào)，控制信號(hào)依次通過ARM芯片處理器S3C2440的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；最后將所獲得的數(shù)據(jù)以預(yù)定格式存儲(chǔ)到可移動(dòng)大容量存儲(chǔ)設(shè)備中[8]。另外，機(jī)械聲的信號(hào)采集由于ARM嵌入式主板提供的資源有MIC，可以直接用來進(jìn)行聲音的采集，并且S3C2440內(nèi)置I2S總線接口具有強(qiáng)大音頻解碼芯片TDA1314。音頻輸出部分是一個(gè)國際上通用的3.5 mm的輸出接口，能夠外界耳機(jī)、音箱等設(shè)備。該設(shè)計(jì)的檢測方法流程如圖1所示。

表1 地面電源所需采集的特征信號(hào)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

交流電壓輸出的相電壓波動(dòng)范圍為70～180 V，提取到的電壓需要經(jīng)過電壓變送器200:48的變換。通過計(jì)算可得，通過電壓變送器的電壓在16.8~43.2 V之間變化。通過一個(gè)LM258和R20、R21、二極管組成一個(gè)半波有源整流電路。因?yàn)檫\(yùn)算放大器的特點(diǎn)有開環(huán)增益高，輸入阻抗高，對于消除二極管的非線性影響，提高電路的穩(wěn)定性上起到很大的作用。再經(jīng)過C21進(jìn)行濾波，在J2-1端就輸出了直流電壓，其大小可通過調(diào)節(jié)電位器RP3來調(diào)節(jié)，直到電壓在0~3.3 V之間。其電路如圖2所示。

圖2 交流電壓信號(hào)調(diào)理電路

交流電流信號(hào)調(diào)理電路，如圖3所示。三相交流電流的變化范圍是0～200 A，經(jīng)過互感器1:2000的變換后大小變?yōu)?～0.1 A，流經(jīng)R31和R32后轉(zhuǎn)換為0～24 V的電壓信號(hào)。RP6與R31，R32并聯(lián)，所以電位器兩端電壓變化范圍也是0～24 V，轉(zhuǎn)換為交流電壓后的電路與上節(jié)相同。

圖3 交流電流信號(hào)調(diào)理電路

蓄電池端電壓輸出信號(hào)的變化范圍為20～32 V，直流輸出的電壓信號(hào)變化范圍為10～45 V。由于這些信號(hào)直接取自被測量系統(tǒng)，所以在前置信號(hào)處理時(shí)要將信號(hào)采集和信號(hào)處理隔離開來，即電氣隔離。該設(shè)計(jì)采用A2412S-2W進(jìn)行電氣隔離，A2412S-2W的1號(hào)和2號(hào)管腳為輸入電壓的正極和負(fù)極，此時(shí)1腳和2腳之間存在一個(gè)電壓差，假設(shè)該電壓差為，再和5腳進(jìn)行參考，則4號(hào)管腳輸出為－/2，6號(hào)管腳輸出+U/2。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入段的電壓線性變化時(shí)，4號(hào)和6號(hào)輸出端的電壓也近似線性變化，因此使用這一器件對輸入信號(hào)進(jìn)行電氣隔離是可行的。為削減前端不變的電壓部分和濾除雜波，并聯(lián)入相應(yīng)的阻容回路到電路中，在輸出端使用一個(gè)可調(diào)節(jié)電阻大小的電位器對加在電位器兩端的電壓進(jìn)行分壓，其輸出端即為滑動(dòng)端。輸出電壓和蓄電池端電壓均可使用此電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，只是輸出端的電位器調(diào)節(jié)的位置不同而已，其電路如圖4所示。

圖4 直流電壓信號(hào)調(diào)理電路

直流電流的檢測是通過分流器兩端電壓間接得來的。其輸出為1.25~75 mV，只要采集此電壓信號(hào)，再經(jīng)過前端信號(hào)處理電路，調(diào)理到處理器S3C2440可承受的電壓信號(hào)，供其采集即可。從分流器兩端輸出的電壓信號(hào)很小，為毫伏級(jí)，因此若想達(dá)到模擬量輸入處理器S3C2440的電壓要求，需要使用放大器對信號(hào)進(jìn)行放大，通過篩選選擇了LM258應(yīng)用到系統(tǒng)中。由于輸入電流信號(hào)很小，需要對輸入的小電壓值進(jìn)行多倍的放大，這一放大倍數(shù)已經(jīng)超出LM258的處理能力，因此要進(jìn)行兩級(jí)放大。又因?yàn)殡妷盒盘?hào)是直接從分流器上取得，所以要與處理器S3C2440之間進(jìn)行電氣隔離，隔離器件依然選用A2412S-2W。當(dāng)A2412S-2W輸出3.3 V左右的電壓時(shí)，需要大約放大44倍左右，考慮到電阻阻值的設(shè)定，且為了方便計(jì)算，將放大倍數(shù)定為40倍，這樣對第一級(jí)進(jìn)行4倍運(yùn)放，對第二級(jí)進(jìn)行10倍運(yùn)放。在A2412S-2W的輸入端就得到了電壓變化范圍為0.05～3 V的電壓。A2412-2W的1腳和2腳之間的電壓與6腳和4腳電壓相等。在該設(shè)計(jì)中，A2412S-2W除了對電壓有放大作用外，還對電路之間進(jìn)行了電氣隔離。其電路如圖5所示。

圖5 直流電流信號(hào)處理電路

2.2 多路開關(guān)的選擇

多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是用在多路數(shù)據(jù)采集中，實(shí)現(xiàn)多通道采集的器件。多路開關(guān)受ARM芯片處理器的控制，分時(shí)選通一路特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。由于需要檢測的特征參數(shù)有10類之多，為此，選用了Maxim公司的16選1數(shù)據(jù)選擇器MAX306。MAX306有多種封裝，考慮到高原環(huán)境溫度和便于焊接，選用了MAX306EWI。

在特征參數(shù)信號(hào)進(jìn)入主控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要先通過兩片多路開關(guān)進(jìn)行片選。通過多路開關(guān)MAX1的特征參數(shù)信號(hào)有：A，B，C相交流電壓，A，B，C相交流電流，兩組變壓整流器兩端直流電壓，三組蓄電池電壓，兩組變壓整流器輸出直流電流，機(jī)罩內(nèi)空氣溫度和相對濕度共15路。通過多路開關(guān)MAX2的特征參數(shù)信號(hào)有：6路柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，10路發(fā)電頻率，共16路。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器為微處理器芯片上集成的A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)數(shù)據(jù)接口，擁有8個(gè)通道，10 位CMOS的ADC。其轉(zhuǎn)換模擬輸入信號(hào)到10 位的數(shù)字編碼，最高轉(zhuǎn)換速率能達(dá)到500 KSPS，且具有低功耗的特點(diǎn)。供電電壓為3.3 V，輸入模擬電壓范圍為0～3.3 V。

2.4 存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)

選擇了32 GB的SD卡作為存儲(chǔ)器件。SD卡的技術(shù)成熟，存儲(chǔ)速度快，體積小，而且通用性強(qiáng)，大部分設(shè)備都有SD卡的預(yù)留插槽。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿或者系統(tǒng)需要內(nèi)存更大點(diǎn)的存儲(chǔ)卡，更換起來相對容易。SD卡工作只需要一種電源供電，供電范圍比較寬，在2.0～3.6 V之間都滿足SD卡的工作電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采集控制程序是特征參數(shù)采集的中心，是伴隨系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自行啟動(dòng)的。當(dāng)傳感器的電信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理成相應(yīng)的直流電壓，信號(hào)范圍為0～3.3 V。微控制器S3C2440控制MAX306路數(shù)的選通，有序地選擇不同的信號(hào)ADC，并存儲(chǔ)在ADCDATA0寄存器中。ADCDATA0中的數(shù)據(jù)最后以文件的形式進(jìn)行保存[9]。在采集程序執(zhí)行過程中，為了使數(shù)據(jù)采集同步性高實(shí)時(shí)性好，同時(shí)準(zhǔn)確性高，吸收了多任務(wù)的思想，通過多線程的方案來控制整個(gè)采集過程[10]。由于數(shù)據(jù)緩存區(qū)容量有限，與數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)矛盾，所以將緩存的數(shù)據(jù)分時(shí)間段導(dǎo)出，然后進(jìn)行保存。其采集控制流程如圖6所示。

圖6 采集程序設(shè)計(jì)流程

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

通過對采集設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將獲得的特征參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)保障數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)[11]，得到曲線圖，如圖4所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

通過數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)，能夠清楚地看到各個(gè)參數(shù)的特征狀態(tài)。想要了解數(shù)據(jù)更詳細(xì)的信息，只需要單擊進(jìn)入測試數(shù)據(jù)曲線[12]和數(shù)據(jù)報(bào)表界面，能得到電壓的最大值和最小值、正常參數(shù)走向和特征參數(shù)包絡(luò)線等詳細(xì)信息。

5 結(jié)語

應(yīng)用S3C2440處理器來控制多路開關(guān)陣列，完成了多數(shù)據(jù)通道的合并。對系統(tǒng)進(jìn)行集成化，小型化設(shè)計(jì)。把信號(hào)調(diào)理電路、多路開關(guān)、ARM芯片處理器、存儲(chǔ)卡等集成在一塊印刷電路板上，這樣只需要將存儲(chǔ)卡插在這個(gè)集成的電路板上，便可存儲(chǔ)所檢測的特征參數(shù)。該方案解決了多種數(shù)據(jù)信號(hào)的高速采集問題，提高了高原型航空地面電源數(shù)據(jù)采集的速度和精度。

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Design of Data Acquisition System for Plateau Ground Power Supply

JI Jia-wei, ZHAO Xu-cheng, SUN Guo-wen

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

To acquire operating state data of ground power supply for aviation in plateau environment, this paper gave a design scheme of data acquisition system for plateau ground power supply of hardware and software based on S3C2440. The system processes data with S3C2440 to control multi-channel analog switches and time division multiplex access to transmit data of multi-channel sensors of ground power supply into data acquisition card. Acquired data can be stored on portable storage device. To facilitate the interaction between user and system, it also provides many functions, such as report generation, archiving, print output, etc. System analysis software can make the details of the characteristic parameters be observed directly by reproducing the data of the experimental results, displaying the running curves and showing data tables.

data acquisition; ground power; multi-channel analog switches; system analysis software

10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.015

TJ01；TP274

A

1672-9242(2017)11-0076-05

2017-07-09；

2017-08-27

季嘉偉（1993—），男，江蘇江陰人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇账恼颈Ｕ吓c信息化。