28V机载用电设备供电特性测试平台的控制系统设计杨鸣强;陈乾宏;张超【摘要】为实现对机载用电设备进行自动、高效的供电特性测试,需为测试平台设计适合的控制系统.兼顾RTCA-DO-160E、GJB181-1986、GJB181A-2003 3种供电标准,针对28 V低压直流供电的机载设备,开发了一套直流供电特性自动测试平台的控制系统.该控制系统基于LabVIEW软件,以PCIe-6353板卡输出信号控制主电路电压的产生与波形参数,以PCI-5114实现了输出波形的实时监测与参数分析；模块化的程序设计方式使系统具有良好的人机界面和可扩展性；结合测试平台在输出信号、人机界面、数据管理、信号测量等方面的控制需求,给出了控制系统各部分的软件设计方法和部分程序.通过试验平台运行结果可说明控制系统使测试平台能自动、高效完成3种供电标准的测试项目.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2013(021)003【总页数】4页(P623-625,637)【关键词】供电特性测试;LabVIEW;控制系统;人机界面【作者】杨鸣强;陈乾宏;张超【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京 210016;南京航空航天大学自动化学院,南京 210016;南京航空航天大学自动化学院,南京 210016【正文语种】中文【中图分类】TM9320 引言飞机实际供电环境复杂，存在电压浪涌、供电中断以及电压尖峰等情况。
为了保证机载用电设备在实际供电环境下能安全运行，各国制定了相应的飞机供电特性标准，明确机载用电设备的供电条件，RTCA－DO－160E［1］、GJB181－1986［2］、GJB181A－2003［3］是必须满足的供电标准。
由于存在多个供电标准，不同供电标准要求的测试项目较多，且具体测试项目对供电的幅值及时间要求非常严格，如何准确、高效率的完成供电特性的测试成为机载用电设备研制中亟待解决的实际问题。
显然，传统人工测试方法无法满足高效测试的需要，开发自动或半自动测试平台是解决上述问题的有效手段［4］。
测试平台通常由主电路与控制系统两部分组成。
主电路用于生成各种输出电压波形，控制系统用于实现调整输出电压波形参数、实时监测与控制测试过程、人机对话等功能，因而是实现测试平台高效、自动运转的关键。
就已知的信息，在市场上测试平台中仅正鸿航科的产品可经串口与上位机通讯，人机界面不是很友好，功能可扩展性不强。
同时，测试平台只是在液晶屏上给出波形信息，不便于测试波形的保存和记录，影响了产品的测试效率。
因此，在兼顾控制生成输出电压的同时，如何设计友好的人机界面，更好地实现测试波形的监测与记录，以及提高测试平台功能可扩展性是控制系统设计需要解决的问题。
论文首先对3种标准进行总结、归纳，结合硬件，对控制系统进行需求分析；进而介绍LabVIEW软件的特点及选取其为系统软件的原因；结合平台需求，给出了在各模块中Lab－VIEW实现自动控制测试的方法和程序；最后，论文给出测试平台的运行情况，说明了控制系统可实现供电测试平台高效、自动运行。
1 控制系统软硬件选取1.1 测试平台硬件实现及控制需求通过概括、总结3个航空供电标准中有关28V低压直流供电特性的内容，可以发现：（1）3个标准均要求提供3类波形进行输入特性测试：宽范围、高动态的输出电压，特定频率和幅值要求的脉动电压以及严格波形要求的尖峰电压。
（2）3个常用的标准，尤其是DO－160E，规定用电设备需要测试的项目繁多，测试程序复杂。
每个测试项目中，对负载端电压的波形要求严格，不光要求静态电压值准确，还对波形的上升、下降率以及维持时间有严格要求，有时还要求重复多次。
由于3个标准在测试内容上存在共性，可以共用波形发生的硬件单元来满足不同标准和不同产品测试的需要，即高动态宽范围直流输出电压发生模块、脉动电压发生模块以及尖峰电压发生模块。
结合上述系统硬件构成，可以得到测试平台对控制系统的需求为：①为直流电压发生模块与脉动电压发生模块提供快速、宽范围的小信号基准，为尖峰电压发生模块提供驱动信号。
②提供数字信号，控制测试项目转换与电路内部继电器开关。
③提供良好的人机界面，方便测试过程控制、数据管理及波形监测与保存。
1.2 控制系统组成控制系统如图1所示，由LabVIEW软件、DAQ板卡PCIe－6353与虚拟示波器板卡PCI－5114组成。
图1 控制系统框图LabVIEW作为目前被广泛应用于航空电源测试平台的软件，不仅具有虚拟仪器界面友好、易于扩充移植、自动化程度高的优点，同时其采用面向对象、图形化的编程语言，程序编制相对方便；程序自带丰富的函数库，便于数据采集、数据分析、数据显示和数据存储，故选用LabVIEW作为系统软件［5－6］。
在本系统中，虚拟仪器硬件接口——数据采集（Data Acquisition，DAQ）多功能卡需通过一定数额的模拟、数字、计数器信号输出，实现测试平台的硬件模块切换与控制不同测试波形输出。
通过对系统中模拟、数字、计数器信号数量统计，选取PCIe－6353作为平台的信号生成板卡。
为实现对输出测试信号的有效观测，平台配置了一块高速虚拟示波器板卡PCI－5114，其能提供最高250MS/s的实时采样率，125M带宽，相较于DAQ板卡，能提供更高的采样速度，及功能强大的波形测量与频谱分析等功能。
2 控制系统软件需求控制系统软件需求如图2所示。
软件需求结构主要分为两部分：控制应用功能区和数据管理功能区。
控制应用功能区中通过良好的人机界面，用户可操作控件控制测试项目开始结束，监测测试过程；选定测试项目并开始测试后，程序驱动DAQ板卡有序向测试平台硬件提供各模拟、数字信号，实现测试过程自动化；测试过程中，程序通过调用Ni－Scope函数驱动示波器板卡，实时对输出信号进行监测，分析并保存当前波形数据。
数据管理功能区通过调用数据库函数与报表函数，实现对测试数据的储存，查询，生成word 表格，从而进行数据管理。
图2 软件需求框图由于本系统测试项目繁多，软件程序较大，需尽量实现特定功能程序的模块化，进而方便模块灵活调动，增强程序可读性及功能可扩展性。
3 系统软件程序设计由第1、2节可知，控制系统软件驱动PCI板卡控制测试平台硬件部分（直流电压输出模块、脉动电压发生模块、尖峰电压发生模块）生成电压波形；观测并保存电压波形；管理测试数据。
以下为各电压输出模块波形生成、波形观测、数据管理的软件设计方法与程序，并给出了人机界面的设计思路。
3.1 直流电压输出模块程序设计由于输出滤波器有大电容的影响，开关电源无法实现DO－160E中瞬时供电中断、浪涌电压测试等输出电压快速变化（大于28V/ms）的波形输出。
与开关电源相对应的线性电源具有输出电压低于输入电压、动态响应速度快、输出纹波较小等优点。
故直流电压发生模块最终采用前级开关电源后级线性电源的方案。
因此，直流电压输出模块电源程序需分别实现对开关电源与线性电源的实时控制。
以DO－160E中AB类3次过压浪涌为例。
当点击按钮开始该项目测试时，程序进行一个包含两层顺序结构的for循环，通过定义for循环的次数进而确定浪涌信号的个数。
顺序结构的第一层为两个任意信号发生器通过LabVIEW自带的DAQ助手驱动DAQ板卡输出开关电源与MOSFET的电压基准，并通过波形图显示基准波形，其中DAQ助手的应用，使得程序员无需编制相对复杂的DAQ程序，而只需根据不同测试项目调整DAQ助手中的某些参数即可。
第二层中包含了一个定时结构，通过定义定时结构的循环周期确定浪涌电压之间的时间间隔。
定时循环内置的1kHz定时源提供了最小1ms的循环周期，通过外接定时源可以将频率提高到1MHz。
3.2 脉动电压发生模块程序设计脉动电压发生模块通过SPWM逆变器产生幅值和频率随时间变化的交流电压。
本模块程序需根据不同标准所规定的脉动值精确控制正弦基准，进而控制输出电压的幅值和频率。
以DO－160E中RZ设备纹波电压测试为例，如图3所示。
正弦波发生程序外层为定时循环，用于控制当前正弦波的作用时间。
定时循环每执行一次，移位寄存器加2，通过公式节点选择当前正弦波基准的幅值，并经DAQ写入函数控制板卡输出基准，进而控制SPWM逆变器输出电压。
3.3 尖峰电压发生模块程序设计尖峰电压发生模块通过全桥电路结合LC谐振实现。
本模块程序需为全桥电路提供驱动信号。
图3 DO－160ERZ设备纹波电压基准生成程序以DO－160E中尖峰电压测试为例。
程序通过DAQ任务实现，定义DAQ任务的数字输出类型，脉冲宽度、周期、采样率，结合While循环函数实现驱动信号输出。
3.4 数据管理程序设计数据管理程序实现3项功能：数据存储、数据查询、导出报表，通过LabVIEW中的数据库工具包实现。
数据存入或读取只需调用“打开数据库”，“数据写入（列表）”，“关闭数据库”函数，向特定数据库、表单中写入或读取数据即可。
图4 示波器程序导出报表由报表函数实现。
程序执行流程为建立word报表，表格数据导入，格式设置，关闭报表。
3.5 示波器程序设计示波器程序用于驱动示波器板卡实现输出波形观测分析。
图4为部分示波器程序。
示波器主体程序由Ni－Scope中函数实现，其为NI公司提供的一个API函数和DAQ驱动程序库。
图示各函数分别为信号采集初始化，触发、滤波参数设定，波形显示，频谱分析显示，波形参数计算。
通过本虚拟示波器可实现波形显示、测量、存储、回放，波形参数报表生成等功能。
3.6 人机界面设计本测试平台测试项目众多，人机界面的设计必须保证操作界面简洁、可操作性高，后台程序可读性、可扩展性强。
主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程图DO－160E操作界面如图6所示。
标准及数据查询通过事件结构进行选择，各标准下层测试类别通过选项卡进行分类，底层子测试项目由事件结构连接。
通过以上分类，用户可方便地找到欲测试项目，进行相关试验。
为保证程序的可读性与可扩展性，操作界面采用子面板技术，即在一个VI前面板中动态调用并显示另一个VI 前面板内容，并进行相应操作，其前提是对各具有特定功能的程序进行模块化。
由此可保证后期程序维护时，只需对相应子VI进行修改便能实现整个系统相应功能的更改。
4 测试平台试验结果以DO－160E中AB类3次过压浪涌为例。
点击过压浪涌按钮后，在操作界面上将通过波形图表显示输出基准波形，同时从示波器中可依次观测到3个浪涌电压波形，电压变化率大于28V/ms，符合标准要求。
由此可知，测试控制系统具有快速的电压变化率，同时人机界面友好，能方便、自动执行测试过程。
数据管理界面通过选择相应的测试设备、编号及标准，调用数据库中数据即可方便地查看以往测试设备的试验情况，点击“导出报表”即可生成word报表，进行打印。
