ADS8O3与DSP构成的供电诊断系统

引 言
    飞机供电系统是个需要高可靠性的复杂系统，其工作环境非常恶劣，强震动，变负载，且电源品质要求非常高。某型飞机采用单台发电机电源系统，集中配电方式，开式供电网。l台12kW直流起动发电机、2台锌银蓄电池和地面电源插座均直接向电源舱汇流条供电，电源舱汇流条上接有大容量用电设备。目前，供电系统只靠发电机故障信号灯指示故障，缺乏实时的机载故障检测和数据记录系统，不利于实时掌握供电情况和及时进行地面检查。

1 供电系统构成
    机载供电系统由以下几部分组成：①发电机、②发电机激磁绕组、③反流割断器、④炭片式电压调节器、⑤稳定变压器、⑥发电机电门、⑦航空蓄电池、⑧用电设备。其原理图如图1。

2 机载供电系统使用现状
    飞机用电设备要求供电系统提供高质量的电能，以保证正常而充分地发挥设备的性能，完成预定的任务；同时要保证不因供电质量低劣而损坏用电设备。这就要求供电脉动电压严格控制在一定范围之内，防止对无线电设备及其它电子设备的传导和辐射干扰。飞机起飞过程中，用电设备相继工作，此时供电系统负载变化很大，导致电压脉动。
    目前，机载供电系统仅靠故障指示灯指示故障，当汇流条电压低于24V时，故障灯点亮。但此时留给驾驶员进行特情处理的时间已经很少，且不能准确定位故障部件，给飞行安全带来极大的威胁。如果能在飞行中特别是在起飞过程中实时监控供电系统各关键部件的电压状况，当各采样点脉动值超出允许值时，就及时报告故障信息，同时在飞参记录系统中把这些情况记录下来，就能为飞行员进行特情处理赢得时间，也可以为故障预测及快速排除故障提供宝贵的信息。

3 故障树分析
    此系统的典型故障有：供电电压超过稳态电压极限、电压不稳定和发电机不供电等。前两种故障可根据汇流条电压判断，故障原因较明显，由电源故障指示灯可以判断，不需详加分析。而引起发电机不供电故障的因素较多，如反流割断器不工作，反流割断器控制电路有故障(即发电机电门电路有故障)，发电机本身有故障，发电机激磁绕组电路断路或炭片电压调节器炭柱电路断路等。如果把一个故障原因的电源系统划为一个模式类，并且不细分反流割断器不接通是由于它本身的故障造成的还是由于它的控制电路造成的，则该系统可划为四个模式类s1，S2，和S3，So则表示正常供电模式类，如图2所示。

    如果只要判断电源系统是否供电，则只要检测汇流条电压。如果要进行故障定位，则应取得更多的信息，需增加检测点F和B。发电机正常供电时，汇流条电压在27V～29.5V。如发电机不能正常供电，仅由蓄电池向汇流条供电，其电压降到24V左右。发电机正常发电时，电压VF为27V～29.5V。如果电压调节器正常，但发电机激磁绕组不正常，则发电机端应有剩磁电压(通常大于O.5V)，激磁绕组端也应有电压，即UF≠O，UR≠O；如果此时电压调节器炭柱电路断路，则激磁绕组上没有电压UB=O。在发电机有失磁、断轴或电枢绕组断路等故障时，发电机电压UF必为零。由此可确定系统各点电压正常取值范围。

4 ADS8O3与TMS32OF2O6芯片简介
    TI公司的16位定点DSP TMS32OF2O6，是一种低功耗器件，采用了改进的哈佛结构，有1条程序总线和3条数据总线，流水线操作，有高度并行32位算术逻辑单元、1 6×1 6位并行硬件乘法器、片内存储器、片内外数据和高度专业化的指令集。F2O6的性能特点如下①指令周期为5Ons；②可寻址224K存储空间一64K程序、数据和I／O空间以及32K的可扩展数据空间；③片内集成有4.5K的RAM和32K的Flash；④丰富的片内外设一同步串行口、异步串行口、锁相环、软件等待状态发生器；⑤源码向下兼容TMS32OC25、向上兼容TMS32OC5X；⑥强大的指令集—单周期乘／加、块移动多条件转移和调动、位倒序寻址。
    BB公司推出的ADS8O3芯片为12位、5MHz、并行高速A／D转换器，具有高信噪比、低失真度、低功耗、输入范围变化灵活和输入溢出报警等优点。ADS8O3内部集成有宽带线性采样保持器，保证了奈奎斯特频率下芯片的优良性能[2]’。ADS8O3的内部结构包括采样保持器12位并行模数转换器、误差修正逻辑、参考源和工作模式选择等。ADS8O3的转换时间为2OOns～100μs，采样保持的数据在5个工作周期后转换完成。时序如图3所示。图3中符号含义与取值如表1所列。

5 机载供电诊断系统电路设计
    为了实时监控机载供电系统各关键部件的电压脉动，由故障树分析可知，可在汇流条、蓄电池正极、F点和B点取电压采样，经高速模数转换后送DSP进行实时处理。这样一方面把采样数据送飞参存储器进行存储：另一方面把各时刻采样电压脉动值与标准值进行比较。如果超过允许值则系统进行告警并指示故障部位。

    将ADS803与F206连接，形成一个高速数据采集系统，为后续处理采集数据。参考ADS803的工作时序图，ADS803的转换周期可为200ns～100μs，因此可产生10kHz～5MHz的任一采样频率。F206的CLKOUTl输出时钟信号，经分频后接人ADS803的CLK，作为采样时钟。ADS803与F206配合的时序如图4所示，CLKOUTl为DSP的工作时钟，取为20MHz，ADS803的工作时钟是由CLKOUTl经过4分频得来，为5MHz，它们的上升沿保持同步。对于每一个ADS803，每个时钟里都有超前5个周期采样的数据转换完成，并保留有效。F206从存储器中读数据只需一个CLKOUT1周期，因此F206只需每隔4个CLKOUTl周期从同一个ADS803读取数据，这样即可充分利用ADS803的转换速度，又可避免采样数据重复。根据时序，F206可以在t12，读汇流条处采样数据，在t13读蓄电池正极处采样数据，在t14读F点处采样数据，在f15读B点处采样数据，在f16读汇流条处采样数据，如此循环往复。诊断系统的电路框图如图5所示。图5中所示逻辑，BR接地有效，选择外部全局数据空间。此电路中ADS803被映射到数据区，就可以使用读数据得指令来读A／D。该方法指令少，可以尽最大可能利用A／D的速度，减少因中断方式响应中断所需的时间(F206)从有外部中断请求到读取中断向量至少需8个时钟周期)，从而能进一步提高采样速率。F206轮流读取4个采样点的电压采样数据，对所得数据进行分析，并把数据送飞参存储器作为历史数据保留。

结语
    本文用故障树分析了机载供电诊断系统的特点，分析了ADS803的高速模数转换特性和DSP TMS320F206的并行特性。把它们应用于机载供电系统故障诊断之中。选取合适的采样点，经过高速数据采集，可以通过飞参判读软件，实时精确地诊断出机载供电系统的故障。该系统可应用于某型飞机供电系统性能监控和故障修复，经改进后也可应用于其它型号飞机。