文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)04-0058-04
機(jī)載航空蓄電池廣泛裝配于現(xiàn)有的通用機(jī)型,是飛機(jī)適航的必備設(shè)備,為飛機(jī)啟動、照明、通信、導(dǎo)航及隨航應(yīng)急提供電源,保障飛機(jī)的安全飛行。
航空蓄電池的性能高于一般蓄電池,機(jī)載后隨航運(yùn)行,地面適航維修組按CMM手冊規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)對其按時(shí)檢測。但是,在飛機(jī)起飛后的整個(gè)在空過程中,機(jī)電設(shè)備負(fù)荷不斷變化,電池的溫度、電流等參數(shù)也在變化,為了防止其在飛行過程中出現(xiàn)故障,同時(shí)為例行維護(hù)提供參考,很有必要監(jiān)測并記錄其運(yùn)行參數(shù),提供飛行安全保障。
1 系統(tǒng)分析
1.1 工作原理
航空蓄電池運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)主要是對蓄電池執(zhí)行測溫、測流、測壓及檢測電解液狀態(tài)等操作,自動按格式記錄測量數(shù)據(jù),并根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行決策與響應(yīng)。
系統(tǒng)的工作主要包括測量、控制、決策等三部分內(nèi)容。測量部分具體負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換,量化蓄電池的運(yùn)行狀態(tài);控制部分主要是在測量部分檢測到蓄電池狀態(tài)異常時(shí),控制聲、光電路給出預(yù)警信號,緊急情況下可以通過動作開關(guān)關(guān)閉電源;決策部分即中央處理單元部分,負(fù)責(zé)根據(jù)分析采樣數(shù)據(jù)或外界請求,依據(jù)決策條件做出判斷,從而控制系統(tǒng)其余各部分的運(yùn)行狀態(tài)[1]。
1.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為兩大部分:核心控制單元及CPLD擴(kuò)展控制單元,組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
從功能上分析,硬件系統(tǒng)包括MCU控制器、A/D采樣模塊、時(shí)鐘系統(tǒng)、存儲單元、鍵盤、通信接口、CPLD擴(kuò)展電路以及電源模塊。核心部分是MCU控制器,由其控制其他功能單元的運(yùn)行。
CPLD擴(kuò)展電路通過“三線”連接MCU控制器,負(fù)責(zé)控制狀態(tài)指示燈、液晶屏及動作開關(guān)[2]。
1.3 軟件處理流程
系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行自檢與初始化。航空蓄電池的安裝與使用都有嚴(yán)格的要求與限制,系統(tǒng)要求提供履歷追溯功能。因此,系統(tǒng)上電后,讀取并校驗(yàn)授權(quán)碼、電池編號、傳感器ID是否與系統(tǒng)的設(shè)置值一致,如果匹配,則初始化板載指示燈為正常狀態(tài),同時(shí),連接(RS232/485)航空儀表盤的顯示系統(tǒng)。
然后,映射EEPROM到內(nèi)存空間。EEPROM的時(shí)鐘線速率低,每次存取的數(shù)據(jù)量比較大,會占用過多的CPU時(shí)鐘周期,影響其他部件的工作。RAM時(shí)鐘線的速率高,將EEPROM映射到獨(dú)立開辟的內(nèi)存空間,可以快速地存取測量數(shù)據(jù),等到CPU空閑時(shí)將數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM中,方便優(yōu)化程序流程。
最后,開始循環(huán)檢測并記錄電池的累計(jì)機(jī)載時(shí)間(U. Time)、溫度、電流、電壓、電解液等參數(shù)數(shù)據(jù)。若是檢測到飛機(jī)點(diǎn)火啟動,則開始記錄蓄電池累計(jì)的運(yùn)行時(shí)間(W. Time),并且在飛機(jī)運(yùn)行時(shí),每5 min檢測一遍運(yùn)行參數(shù);若是檢測到飛機(jī)停機(jī),停止記錄電池的運(yùn)行時(shí)間,并且在飛機(jī)停飛后,每30 min檢測一遍運(yùn)行參數(shù)。
上位機(jī)通過中斷請求接收監(jiān)測系統(tǒng)傳送的蓄電池運(yùn)行數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)在儀表盤中以圖形方式顯示。
相關(guān)的異常由對應(yīng)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及程序流程圖如圖2所示。
2 具體設(shè)計(jì)
具體的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)需要考慮航空設(shè)備對環(huán)境、制備規(guī)格及實(shí)時(shí)響應(yīng)條件的要求,這里主要給出系統(tǒng)關(guān)鍵的硬件電路與特殊的軟件測算的處理方法。
2.1 硬件電路
2.1.1 核心控制電路
核心控制器采用STC12C5A16AD微控制器,內(nèi)置8路高速A/D通道,可以滿足系統(tǒng)對模擬信號的采樣要求,如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng),外擴(kuò)CPLD控制電路,負(fù)責(zé)LCD的圖形界面顯示、LED指示燈組顯示、蜂鳴器警報(bào)聲及繼電器模塊的開關(guān)動作,這樣縮短了MCU主程序中控制部分的代碼量,經(jīng)測試,系統(tǒng)正常的一次參數(shù)巡檢僅耗時(shí)166 ms。
為了記錄運(yùn)行時(shí)間及存儲運(yùn)行參數(shù),系統(tǒng)中分別外擴(kuò)了時(shí)鐘芯片DS1302及EEPROM存儲芯片AT24C1024。
2.1.2 電源電路
這里不能使用常用的雙極型線性穩(wěn)壓芯片,這類芯片使用過程中散熱效果差,并且飛機(jī)上有專用的輔熱設(shè)備,長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)際電路中采用了開關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2596s,如圖4所示,最大承載1.5 A的電流,還可以通過外加三極管擴(kuò)流,可以滿足系統(tǒng)要求。
2.1.3 電壓檢測電路
電壓檢測電路如圖5所示。Ra為傳感器輸入電阻、Rb為線路電阻、Rc為傳感器輸出電阻。需要測量蓄電池電壓時(shí),由控制器發(fā)送信號給CPLD,由CPLD控制繼電器切換電路到電源端,將蓄電池模擬電壓Vi輸入到電壓傳感器,輸出信號Vo經(jīng)濾波電路送主控制器的A/D接口進(jìn)行采樣。
電壓傳感器的比例系數(shù)K=0.104 1,線性化指標(biāo)小于±0.8%,參考電壓為標(biāo)準(zhǔn)參考電壓芯片提供的+2.5 V電壓。
2.1.4 電流檢測電路
這里使用霍爾傳感器檢測蓄電池電流,如圖6所示。線圈采用線繞線圈,其磁導(dǎo)率與匝數(shù)的常量可以通過變阻器調(diào)定。其數(shù)值量化及補(bǔ)償在后面“軟件測算”部分介紹。
這里采用PTC熱敏電阻測溫, 測溫電路需要+14 V~+16 V電源供電,測溫電路功耗比較低,因此使用雙極型線性穩(wěn)壓電源,輸出電壓Vout通過變阻器線性可調(diào)。
為了改善PTC熱敏電阻的線性化,需要使用補(bǔ)償電阻與熱敏電阻構(gòu)建線性網(wǎng)絡(luò),從而對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化補(bǔ)償,圖8中的RT部分即是熱敏電阻線性化模塊。RT檢測到的信號經(jīng)反饋回路,輸出電壓即對應(yīng)了RT的阻值,直接測量或經(jīng)過放大電路后測量該點(diǎn)電壓,可換算出測溫?cái)?shù)值。
補(bǔ)償算法在后面“軟件測算”部分介紹。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)編碼格式設(shè)計(jì)、CPLD時(shí)序信號測試、霍爾傳感器電流測算、熱敏電阻的線性化與測算[3]。
2.2.1 編碼格式
系統(tǒng)的授權(quán)碼、電池編號及傳感器ID存放在主控制器內(nèi)部的ROM中。實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)存放在外部的EEPROM芯片AT24C1024中,占10 B,編碼格式如圖9所示。
2.2.3 電流及熱敏電阻線性化測算
(1)電流值的測算
使用霍爾元件與磁線圈構(gòu)成的霍爾電流檢測電路,檢測信號為輸出的電壓信號,因此,需要建立待測電流與測量電壓值間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
磁線圈中電流與磁場的關(guān)系式為:
實(shí)測多點(diǎn)溫度對應(yīng)的電壓值,使用擬合直線K=CT+D逼近最佳值,其中K=Vout/Vmax,Vmax是測量的最大輸出值。這是一個(gè)多變量無約束問題,采用共軛梯度法求得以下結(jié)果:
在0℃~100℃溫度范圍內(nèi),補(bǔ)償電阻RS=1.545 7 kΩ,C=0.878 291×10-2,D=0.143 13。這樣,在程序設(shè)計(jì)時(shí)通過測量的電壓值Vout來計(jì)算對應(yīng)的電阻即可。
3 系統(tǒng)測試
系統(tǒng)板載的LCD液晶屏及儀表盤中的WinCE .NET系統(tǒng)都提供參數(shù)顯示界面[4]。
首先,設(shè)置系統(tǒng)為在空飛行狀態(tài),觀察LCD顯示的蓄電池實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù),如圖11所示。屏幕上依次顯示實(shí)時(shí)測量到的電壓、電流、實(shí)溫、運(yùn)行時(shí)間、機(jī)載時(shí)間、開機(jī)次數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、通信狀態(tài)、充電狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)信息。從觀察結(jié)果看,參數(shù)采集模塊工作正常。通過鍵盤可以選擇觀察上一屏或下一屏的顯示信息。
然后,觀察操縱室儀表盤中同步顯示的測量信息。測量項(xiàng)目通過“操作選項(xiàng)”下拉框選擇,每一頁都提供實(shí)溫、機(jī)載時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間的數(shù)值顯示。
本文研究設(shè)計(jì)的航空蓄電池運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是一種維修預(yù)警系統(tǒng)[5],它可以主動向維修人員提示各種信息,能快速、準(zhǔn)確地顯示電池的相關(guān)資料,幫助航空公司更迅速、準(zhǔn)確地更換有問題的部件,便于及時(shí)有效地開展維護(hù),節(jié)省大量查詢維護(hù)日志的時(shí)間與人力,從而降低飛機(jī)維修錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。
參考文獻(xiàn)
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