基于SOPC的飛機(jī)電能質(zhì)量檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段富寬　王曉　陳晶　張麗雯　趙斐斐

摘 要：隨著科技的迅速發(fā)展與國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)的逐步建立，電能質(zhì)量的好壞與否得到了人們的廣泛關(guān)注，尤其是在航空運(yùn)輸日益發(fā)達(dá)的今天，飛機(jī)的電能質(zhì)量情況更是影響到了此產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中飛機(jī)電源系統(tǒng)由主電源、應(yīng)急電源和二次電源組成，有時(shí)還包括輔助電源。主電源由航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的發(fā)電機(jī)、電源控制保護(hù)設(shè)備等構(gòu)成，在飛行中供電。飛行中主電源發(fā)生故障時(shí)，蓄電池或應(yīng)急發(fā)電機(jī)即成為應(yīng)急電源。為保障飛機(jī)的安全飛行，避免在飛行過(guò)程中因電力系統(tǒng)的故障發(fā)生意外，因此需要對(duì)飛機(jī)的電力系統(tǒng)進(jìn)行不定時(shí)的監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)使用的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是單片機(jī)結(jié)構(gòu)，此類(lèi)設(shè)備的性能單一，通用性和拓展性差，開(kāi)發(fā)和維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，已不能滿足市場(chǎng)的需求。文章采用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，利用Quartus II 在FPGA（Field-Programmable Gate Array）上嵌入一個(gè)Nios II的軟核CPU（Central Processing Unit），因?yàn)槠涠嗑€程流水式數(shù)據(jù)處理方式，可以大大的提高數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度和精度。運(yùn)用SOPC Builder，根據(jù)所要想實(shí)現(xiàn)的功能手動(dòng)構(gòu)建各個(gè)控制模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的檢測(cè)功能。通過(guò)配置FPGA內(nèi)嵌的Avalon總線使各個(gè)模塊直接與內(nèi)核連接，來(lái)保證數(shù)據(jù)傳遞的速度。再利用FFT（Fast Fourier Transformation）模塊對(duì)電網(wǎng)中的信號(hào)進(jìn)行采樣，包括信號(hào)的大小，相位，頻率等信息，以此來(lái)更好地對(duì)飛機(jī)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為飛機(jī)電網(wǎng)提供保障。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)電源系統(tǒng)；SOPC；電能質(zhì)量；監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：V242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）21-0037-03

Abstract： With the rapid development of science and technology and the gradual establishment of the domestic electricity market， the quality of power has been widely concerned， especially in the increasingly developed air transport today. The power quality of the aircraft is affecting the development of this industry. The aircraft power system is composed of main power， emergency power and secondary power， sometimes including auxiliary power. The main power supply is composed of generators driven by aero-engines， power control and protection equipment， etc.， and it is supplied with power in flight. When the main power source fails in flight， the accumulator or emergency generator becomes the emergency power supply. In order to ensure the safety of aircraft flight and avoid accidents due to power system failure in the flight process， it is necessary to monitor the aircraft power system from time to time. At present， the power quality monitoring equipment used in China is mainly single-chip microcomputer structure. The performance of this kind of equipment can be single， versatility and expansibility is poor， the development and maintenance will be complex， and can not meet the needs of the market. This paper uses SOPC technology to design power quality detection system， uses Quartus II to embed a soft core CPU （Central Processing Unit） of Nios II in FPGA （Field-Programmable Gate Array）， because of its multithread pipeline data processing mode， it can greatly improve the speed and precision of data operation. Each control module is constructed manually according to the function to be realized by using SOPC Builder to realize the detection function of the system. By configuring the Avalon bus embedded in FPGA， each module is directly connected to the kernel to ensure the speed of data transfer. Then the FFT （Fast Fourier Transformation） module is used to sample the signals in the power grid， including the signal size， phase， frequency and other information， in order to better monitor the aircraft power quality and provide support for the aircraft power grid.

Keywords： aircraft power supply system； SOPC； power quality； monitoring

1 概述

隨著電氣自動(dòng)化在機(jī)載用電設(shè)備中的運(yùn)用越發(fā)廣泛，直接導(dǎo)致了飛機(jī)上用電設(shè)備的大規(guī)模普及，設(shè)備數(shù)量急劇增加。那么機(jī)載用電設(shè)備是否能安全的運(yùn)行，極大程度上決定了飛機(jī)的適航性。既然電氣設(shè)備成了為了飛機(jī)上不可忽略的重要組成部分，那么機(jī)載配電系統(tǒng)就成為飛機(jī)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的首要發(fā)展項(xiàng)目。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本項(xiàng)目中采用SOPC技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，在一塊FPGA片上運(yùn)用Nios構(gòu)建一個(gè)軟核，在這個(gè)核心上面集成電能檢測(cè)所需要的各個(gè)模塊。

在這些集成模塊中，時(shí)鐘模塊可以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)；AD模塊主要用于被檢測(cè)電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制；SDRAM控制模塊用于控制外接存儲(chǔ)模塊；USB Blaster模塊用于總線與芯片之間的開(kāi)發(fā)調(diào)試；UART模塊主要用于RS232串口通訊工作；FFT用于采集電網(wǎng)中的交流信號(hào)，包括信號(hào)的波形，頻率等信息；以上所有模塊在內(nèi)部的所有通訊都是通過(guò)Avalon總線來(lái)完成數(shù)據(jù)之間的傳輸。這種傳輸形式既靈活，又支持不同類(lèi)型的模塊進(jìn)行無(wú)障礙交流，數(shù)據(jù)傳輸量也足夠大，可以實(shí)現(xiàn)模塊間的最佳傳遞。

系統(tǒng)的整體框圖如圖所示。

通過(guò)電壓電流傳感器采集電網(wǎng)中的電能信號(hào)，將采集到電網(wǎng)的模擬信號(hào)信號(hào)通過(guò)基于SOPC的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)所控制的AD模塊，以數(shù)字信號(hào)的形式輸出，最后將得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理在LCD屏幕上顯示出來(lái)。電壓電流檢測(cè)模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊統(tǒng)稱為前端處理模塊，LCD1602為輸出結(jié)果的液晶顯示屏。

其中SOPC平臺(tái)的綜合開(kāi)發(fā)就是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，整個(gè)硬件設(shè)計(jì)圍繞SOPC展開(kāi)。該綜合平臺(tái)的功能包括：（1）控制AD進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；（2）數(shù)據(jù)接收，接收前端處理模塊返回的信號(hào)；（3）數(shù)據(jù)處理，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到預(yù)留的空間；（5）數(shù)據(jù)輸出，將數(shù)據(jù)輸送到LCD屏并且正常顯示；（6）完成其它拓展功能。

3 參數(shù)計(jì)算

3.1 電壓偏差

供配電系統(tǒng)改變運(yùn)行方式和負(fù)荷緩慢地變化會(huì)使供配電系統(tǒng)各點(diǎn)的電壓也隨之變化，這時(shí)各點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差△U稱為電壓偏差，如式（1）。

3.2 頻率誤差

供電頻率偏差是電能質(zhì)量的基本指標(biāo)之一，是電力系統(tǒng)能夠安全并且穩(wěn)定運(yùn)行的至關(guān)重要因素之一。它的定義為電網(wǎng)的實(shí)際頻率對(duì)于額定頻率的偏離程度，計(jì)算公式為：

△f=f-fs

其中，△f為頻率偏差，f為實(shí)際頻率，fs為額定頻率50Hz。

電網(wǎng)供電頻率通過(guò)周期的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用方法為測(cè)量正弦穩(wěn)態(tài)交流的單相電壓信號(hào)在一定的時(shí)間間隔（一般為1秒）內(nèi)的周期數(shù)。對(duì)周期測(cè)量一般采用的方法較多，大多是采用硬件檢測(cè)輸入波形的過(guò)零點(diǎn)，并控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。此法編程較簡(jiǎn)單，但受到一些干擾時(shí)，如諧波過(guò)多或噪聲，就會(huì)使得誤差較大。另一種方法是先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，得到基波后測(cè)量它過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻來(lái)求對(duì)應(yīng)的周期，再求周期的倒數(shù)便可得到電網(wǎng)的頻率。要得到相對(duì)精確的頻率，只要相應(yīng)的提高采集速率即可。還有FFT方法，此方法不受諧波分量的影響，但對(duì)截?cái)嘈盘?hào)的周期延拓有可能會(huì)引入頻譜的擴(kuò)散效應(yīng)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電力系統(tǒng)正常允許偏差值為±0.2Hz

3.3 三相不平衡度

三相平衡是指三相相量的大小、頻率相同、相位相差120度，然而，由于負(fù)荷不同，每項(xiàng)阻抗值也不盡相同，還有調(diào)諧不好等都會(huì)導(dǎo)致三相不平衡。電力系統(tǒng)的三相不平衡時(shí)電能狀況的主要指標(biāo)之一，一般情況下超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的2%，就會(huì)影響到供電的可靠。

4.1 頻率的標(biāo)定與測(cè)量

飛機(jī)電網(wǎng)的頻率一般為400HZ，因此在實(shí)驗(yàn)中取399.4HZ-400.7HZ。

由于本次設(shè)計(jì)選用的ADS8364采樣頻率為250KHZ則對(duì)于電網(wǎng)額定頻率400HZ的單個(gè)信號(hào)周期其采樣點(diǎn)數(shù)為250KHZ/400HZ=625，其最大允許誤差為400HZ/625=0.64HZ，可見(jiàn)測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期，達(dá)到精度要求。

4.2 電壓的標(biāo)定與測(cè)量

飛機(jī)電網(wǎng)中電壓一般為115V，因此實(shí)驗(yàn)中采取標(biāo)準(zhǔn)值為114。

由于本次設(shè)計(jì)選用的ADS8364為16位其采樣精度為115V/2^16=0.00175V，而在進(jìn)行電壓有效值計(jì)算時(shí)采用分組平均并歸算的數(shù)據(jù)，因此精度有所降低，其最大允許誤差為115V/2^16*39=0.068V，可見(jiàn)測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期，達(dá)到精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于SOPC技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它克服了過(guò)去在單片機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺陷。該系統(tǒng)具有集成度高，開(kāi)發(fā)周期較短，設(shè)計(jì)工程成本第等優(yōu)點(diǎn)，且具有可重構(gòu)性。使得系統(tǒng)具有更大的靈活性和更好的可拓展性，并且運(yùn)算速度較傳統(tǒng)的系統(tǒng)更快速，為飛行運(yùn)輸?shù)奶峁┝诉M(jìn)一步的保障。

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