航空線纜故障單端定位方法設(shè)計與實現(xiàn)

吳冬 王宇鵬

摘要：航空線纜作為飛機能量供給及信息傳輸?shù)闹匾浇?，其可靠性對飛機安全具有舉足輕重的作用。因此，文章針對現(xiàn)有航空線纜故障檢測能力與定位精度存在的問題，基于時域反射原理開發(fā)了一種適用于航空線纜布線環(huán)境下的單端故障定位系統(tǒng)。從驗證結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測出故障位置，實現(xiàn)航空線纜故障的單端高精度定位。

關(guān)鍵詞：時域反射法;單端檢測;故障定位;航空線纜;飛機安全

中圖分類號：TN913.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0029-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

隨著科學(xué)技術(shù)和交通運輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展，飛機已成為現(xiàn)代社會最主要的交通運輸工具。飛機上裝配的線纜作為飛機的神經(jīng)系統(tǒng)，其可靠性與飛行安全密切相關(guān)[1]。航空線纜數(shù)量多、種類雜，航空線纜使用過程中斷路、短路等故障隨著飛行時間的增加逐漸凸顯，給飛機飛行帶來極大的安全隱患[2]，因此，針對數(shù)量龐大、種類繁雜的線束線纜診斷需求，需準(zhǔn)確高效的故障檢測與定位方法，提升線束線纜的故障檢測能力與速度。

迄今為止，對于線纜故障診斷方法的主要分為局部放電法、介質(zhì)損耗測量法及反射法[3-5]等。但局部放電法所需電壓較高，不適合低壓供電及信號線纜的檢測，且檢測過程中對線纜有一定的損害;介質(zhì)損耗測量法只能判斷線纜整體絕緣狀態(tài)，無法進行故障精準(zhǔn)定位;此外，由于飛機線纜布線空間狹窄并高度復(fù)雜，線纜的雙端在實際環(huán)境中難以尋找，局部放電法、介質(zhì)損耗測量法等雙端檢測法不符合航空線纜的實際應(yīng)用環(huán)境。綜合考慮飛機線纜的布線環(huán)境及應(yīng)用需求，本文擬基于時域反射方法進行相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，該方法基于雷達(dá)原理，通過發(fā)送一個低壓高頻信號至待測電纜中，當(dāng)檢測信號傳輸至由故障（開路和短路等） 引起的阻抗不匹配點時，會產(chǎn)生反射信號，在收集端采集遇故障點反射的反射信號，通過入射信號和反射信號之間的延遲時間來實現(xiàn)故障定位[6]。

本文的結(jié)構(gòu)如下：第一部分詳細(xì)介紹了線纜故障定位算法的設(shè)計;第二部分介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的總體設(shè)計，包括系統(tǒng)的硬件及配套軟件設(shè)計;第三部分是展示了原型系統(tǒng)驗證結(jié)果;在文章的最后一部分給出了本文的結(jié)論。

1 線纜故障定位算法設(shè)計

航空線纜故障定位基于傳統(tǒng)時域反射技術(shù)實現(xiàn)，其中入射信號與反射信號之間延遲時間的分辨率及準(zhǔn)確性與定位精度密切相關(guān)。在時域反射原理的基礎(chǔ)上利用滑動相關(guān)算法以降低噪聲干擾對延遲時間計算的誤差，從而提高延遲時間計算的準(zhǔn)確性。

1.1 TDR原理概述

本系統(tǒng)采用時域反射TDR（Time domain reflectometry） 技術(shù)，即時域反射技術(shù)。時域反射技術(shù)通過向線纜注入高頻的檢測信號，根據(jù)傳輸線基本理論，當(dāng)檢測信號遇到故障（開路和短路等） 引起的阻抗不匹配點時，會產(chǎn)生反射信號[7]。通過其入射信號與反射信號間的時間間隔與線纜長度成正比的原理，確定線纜故障點的距離。

[l=v·Δt2] （1）

式中，[l]為測試點到線纜故障點間的距離，[v]為信號在線纜中的傳播速度，[Δt]為入射信號與反射信號之間的延遲時間。

根據(jù)行波在線纜上傳播的電磁解釋[8]可知，在頻率很高時，波速度[v]趨近于一恒定的常數(shù)，可以近似表示為：

[v=1L0C0=cμεr] （2）

式中，[L0]為傳輸線單位長度上的電感;[C0]為傳輸線單位長度上的電容;[c]為光在真空中的傳播速度;[μ]為線纜芯線周圍介質(zhì)的高頻相對磁導(dǎo)率;[εr]為線纜芯線周圍介質(zhì)的高頻相對介電常數(shù)。

由此可見，高頻時線纜中的波速度可認(rèn)為只與線纜的絕緣介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，對于不同材料制成的線纜，如果其絕緣介質(zhì)相同，其波速度[v]是不變的[9]。

因此，計算出延遲時間[Δt]并將入射信號的波速度[v]帶入到公式1就可以計算出故障距離[l]。

1.2 線纜定位算法設(shè)計

根據(jù)TDR原理公式（1） ，在信號波速確定的情況下，入射信號和反射信號的延遲時間[Δt]和故障距離成正比，利用滑動相關(guān)算法計算延遲時間[Δt]，該方法誤差較小并具有一定的抗干擾性。

根據(jù)相關(guān)值理論，如圖1所示，首先將用于故障檢測的入射激勵信號截取，隨后將截取信號從故障信號（包含入射信號和反射信號） 的起始位置依次后移做相關(guān)運算，當(dāng)截取信號與入射信號有重合時，相關(guān)值會變大。當(dāng)截取信號的起點超過入射信號的終點[N2]（[N為采樣點個數(shù)]） ，此時相關(guān)值會變小并趨于平穩(wěn)。根據(jù)傳輸線基本理論，反射信號是入射信號的衰落信號，所以在截取的信號與反射信號有重合時，相關(guān)值也會變大，當(dāng)截取的信號與反射信號完全重合時，會出現(xiàn)相關(guān)峰值。

本算法以入射信號的終點[N2]作為相關(guān)值計算的起點，截取的信號與反射信號的相關(guān)峰值對應(yīng)點作為終點，起點與終點之間平移的采樣間隔為[y]，也就是入射信號的終點[N2]到反射信號的起點為[N3]之間的距離為[y]，所以，反射信號的起點為：

[N3=N2+y] （3）

根據(jù)入射信號的起點[N1]與反射信號的起點[N3]，兩起點之間采樣間隔為：

[GAP=N3-N1] （4）

[fosc]為信號周期，所以入射信號與反射信號的延遲時間為：

[Δt=GAP*fosc] （5）

然后利用公式（1） 就可以計算出故障距離[l]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

航空線纜故障單端定位系統(tǒng)主要利用信號收發(fā)裝置用于故障檢測入射激勵信號的發(fā)射及反射信號的接收，然后通過專用數(shù)據(jù)接口將波形數(shù)據(jù)傳入到配套軟件之中，通過本文中算法對波形數(shù)據(jù)進行處理與分析，利用軟件界面顯示出故障位置、相關(guān)性等信息，實現(xiàn)線纜故障的單端精準(zhǔn)定位。圖2展示了系統(tǒng)總體示意圖。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

故障定位系統(tǒng)硬件主要由信號發(fā)生模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)通信總線、存儲器以及電源等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)通電后，PL（Processing System） 端的信號發(fā)生模塊將產(chǎn)生的故障檢測激勵波形數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） 打入到待測線纜，檢測波形遇到故障點發(fā)生發(fā)射后，信號采集模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 將回波信號采集，并通過內(nèi)部高速數(shù)據(jù)總線將故障數(shù)據(jù)傳入到PS端的DDR緩存中，然后利用UART協(xié)議將故障數(shù)據(jù)傳入到上位機，上位機的配套軟件處理與分析故障信息，給出檢測結(jié)果，實現(xiàn)故障定位。

（1） 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊利用DMA技術(shù)向DAC寫入TDR檢測信號數(shù)據(jù)，DMA主接口使用64位的AXI接口，對系統(tǒng)內(nèi)存及PL外設(shè)間的數(shù)據(jù)交互進行處理[10]。由于其內(nèi)部具有獨立的DMA控制器用于對內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸或與外部的數(shù)據(jù)交互進行控制，因此，可在免CPU控制下進行數(shù)據(jù)傳輸[11]。DMA控制器的基本工作流程如圖4。

（2） 信號采集模塊

故障檢測激勵信號在遇到故障點反射后，經(jīng)過高速濾波器，濾除干擾信號，高速ADC用于采集故障波形數(shù)據(jù)（包含入射信號和反射信號） [12]，由于需要將ADC采集的數(shù)字檢測信號數(shù)據(jù)通過DMA技術(shù)傳輸?shù)絇L端，和信號發(fā)生模塊類似，需要添加FIFO進行跨時鐘數(shù)據(jù)處理，以解決ADC時鐘與AXI Stream時鐘頻率不匹配的問題[13]。

（3） PL和PS互聯(lián)技術(shù)

ARM處理器與FPGA之間的高速通信和數(shù)據(jù)交互主要依靠AXI總線協(xié)議，其主要對主次設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸方法進行描述，其處于PS端的ARM上，可以直接用AXI接口連接。對于邏輯編程端來說，其在實現(xiàn)邏輯語句的時候需要用到AXI協(xié)議[14]。Xilinx在Vivado開發(fā)環(huán)境里提供AXI_DMA的IP實現(xiàn)了對應(yīng)的接口，AXI_DMA為內(nèi)存與AXI Stream外設(shè)之間提供高帶寬的直接內(nèi)存訪問，其可選的Scatter/Gather功能可將CPU從數(shù)據(jù)搬移任務(wù)中解放出來。AXI_DMA實現(xiàn)從PL端AXI Stream到PS端AXI_HP之間的高速傳輸通道[15]。圖5為PL端與PS端互聯(lián)技術(shù)的原理框圖。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖6為配套軟件設(shè)計流程圖，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計通過Matlab平臺仿真實現(xiàn)，設(shè)計了配套軟件界面、線纜故障定位算法。配套軟件可靈活修改通用參數(shù)、檢測波形、線纜類型等，選擇參數(shù)后將信息輸入到線纜故障定位算法，定位算法將接收到的故障波形及計算出的故障位置傳回到軟件界面，實現(xiàn)對參數(shù)、故障波形、故障位置的直觀顯示，并且由于平臺的靈活性，可以根據(jù)實際需求，后期對算法以及一些功能的升級。

3 系統(tǒng)測試

在完成系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，利用原型系統(tǒng)對硬件與配套軟件算法進行測試，從而驗證系統(tǒng)的整體性能。

3.1 測試環(huán)境及配置

表1為此系統(tǒng)測試的基本參數(shù)：

3.2 系統(tǒng)整體性能驗證

表2為此系統(tǒng)對不同長度線纜故障的測試結(jié)果：

通過使用不同長度線纜進行測試，可以看出此系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定，誤差較小。引起誤差主要有兩方面，分別是受硬件采樣頻率、噪聲干擾導(dǎo)致的延遲時間誤差和信號傳輸過程中波速存在衰減現(xiàn)象導(dǎo)致的信號波速誤差。后續(xù)可以提高硬件的采樣頻率及設(shè)計降噪算法以減小延遲時間誤差，并采用對波速進行校準(zhǔn)的方法減小信號波速誤差。

4 結(jié)論

本文開發(fā)了一種適用于航空線纜應(yīng)用環(huán)境下的高精度便攜故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在時域反射原理的基礎(chǔ)上，利用滑動相關(guān)定位算法降低了噪聲干擾對定位精度的計算誤差，解決了數(shù)量龐大、種類繁雜的航空線纜故障診斷難題。從原型系統(tǒng)驗證結(jié)果可看出，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、復(fù)雜度較低，故障定位誤差與線纜長度相關(guān)性較小，系統(tǒng)的魯本性較強。因此，該系統(tǒng)對于消除航空線纜故障隱患、保障航空器的安全運行具有極為重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張珍，曾衛(wèi)東.航空電纜檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].硅谷，2012，5（4）：32.

[2] 王發(fā)麟，李志農(nóng)，王娜.飛機整機線纜自動化集成檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2021，64（4）：38-49.

[3] 楊琪.一種XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測技術(shù)[J].設(shè)備管理與維修，2020（18）：116-118.

[4] 龔林發(fā)，林瑞全，葉永市.一種基于改進相關(guān)函數(shù)法的介質(zhì)損耗測量方法[J].電氣技術(shù)，2020，21（3）：108-112，116.

[5] 尹振東，王莉，陳洪圳，等.增廣時頻域反射法在電纜復(fù)合故障檢測中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報，2020，40（23）：7760-7773.

[6] 劉紅，周國忠.線纜故障檢測方法[J].計算機測量與控制，2020，28（12）：41-47.

[7] 宋建輝.基于時域反射原理的電纜測長若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[8] 高闖.基于TDR/SSTDR電纜故障診斷方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2019.

[9] 宋建輝，袁峰，丁振良.時域反射電纜測長中的波速特性[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，43（4）：58-62.

[10] Ahmed M A，Aljumah A，Ahmad M G.Design and implementation of a direct memory access controller for embedded applications[J].International Journal of Technology，2019，10（2）：309.

[11] 張美迪，馬勝，雷元武.基于AXI協(xié)議的DMA接口的設(shè)計與驗證[A].第二十一屆計算機工程與工藝年會暨第七屆微處理器技術(shù)論壇論文集[C].中國計算機學(xué)會，2017：10.

[12] 王培章，晉軍.現(xiàn)代微波與天線測量技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2018.

[13] 胡仁杰，韓力，莊建軍.電工電子實驗教學(xué)建設(shè)成果集萃[M].南京：東南大學(xué)出版社，2019.

[14] 林振鈺，張志杰，劉佳琪.基于ZYNQ的高清圖像顯示及檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2021，29（2）：30-34，39.

[15] 喬雪原.基于ZYNQ的便攜式顯控終端設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船電子對抗，2021，44（2）：109-114.

【通聯(lián)編輯：梁書】