基于虛擬儀器的航電測試系統(tǒng)研究(通訊)
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基于虛擬儀器的航電測試系統(tǒng)研究(通訊)
段容宜a， 王海斌b
（中國民航飛行學(xué)院，a．航空工程學(xué)院，b．飛機(jī)修理廠，四川廣漢618307）
摘要：研究了我國航電測試系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題，討論了虛擬儀器在航電測試系統(tǒng)的開發(fā)上的優(yōu)勢以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)思想。以CPIB儀器為依托完成硬件方面的設(shè)計(jì)；在軟件方面，利用直接和間接調(diào)用方法實(shí)現(xiàn)對測試儀器的控制。
關(guān)鍵詞：航電測試系統(tǒng)；虛擬儀器；維修平臺；系統(tǒng)設(shè)計(jì)
中圖分類號：V443 文章編號：1671 -637X(2016)05 -0080 -04
0 引言
航電系統(tǒng)又稱為“綜合航空電子系統(tǒng)”，是現(xiàn)代飛機(jī)的一個重要組成部分，其性能高低直接影響到飛機(jī)的整體性能。綜合航電系統(tǒng)功能先進(jìn)、可靠性高，但系統(tǒng)相對較為復(fù)雜，特別是綜合化的設(shè)計(jì)思想，使得航電系統(tǒng)深度維修的很多新技術(shù)問題仍待解決。
本文應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)，使測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各種測試儀器的自動控制，從而為整個測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動測試奠定基礎(chǔ)，并應(yīng)用數(shù)據(jù)庫引擎以及故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能測試信息存儲以及故障定位、診斷等功能。結(jié)合綜合航電測試系統(tǒng)的研制過程，詳細(xì)闡述其系統(tǒng)組成構(gòu)架、工作原理、軟硬件關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用結(jié)果。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
航電測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
航電測試系統(tǒng)主要分為硬件平臺和軟件平臺兩部分。其中，硬件平臺為系統(tǒng)測試提供了物理資源。從綜合航電系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，根據(jù)所有功能子部件的測試需求、測試資源性能和接口類型，確定所需測試資源，并對連接系統(tǒng)功能的適配系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)的物理資源共享，這樣既可以降低硬件成本投入，又可以簡化硬件平臺搭建工作，有利于測試系統(tǒng)排故，提高測試的準(zhǔn)確性和可靠性。
測試系統(tǒng)以高性能的工控機(jī)為中心，控制各類測試儀器、設(shè)備來完成硬件平臺的搭建。軟件平臺的功能是為測試提供開發(fā)、調(diào)試及運(yùn)行環(huán)境，該測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)在Windows XP操作系統(tǒng)下，以NI Lab VIEW201 1為集成開發(fā)環(huán)境。
測試系統(tǒng)完成功能包括：能夠?qū)φ麄�航電系統(tǒng)及各功能子部件進(jìn)行功能、性能檢測，對測試結(jié)果進(jìn)行自動判別、故障診斷，并進(jìn)一步將故障定位到電路板級。
工作原理：系統(tǒng)自檢通過后，利用適配系統(tǒng)，完成測試平臺硬件資源與被測系統(tǒng)匹配連接。通過測試程序?qū)ο嚓P(guān)測試儀器進(jìn)行調(diào)用，為被測系統(tǒng)提供激勵。系統(tǒng)對輸出響應(yīng)進(jìn)行評估，完成性能測試和故障診斷。對于測試數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶需求進(jìn)行存儲、查詢和打印。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1硬件平臺
硬件平臺由控制模塊和資源模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
控制模塊包括測控計(jì)算機(jī)及外設(shè)，測控計(jì)算機(jī)采用研華工控機(jī)，內(nèi)置各類控制板卡，完成整個測試系統(tǒng)軟硬件資源控制。資源模塊包括系統(tǒng)測試所需的物理資源，分為(GPIB總線儀器和適配模塊。其中，GPIB總線儀器采用分立式結(jié)構(gòu)，其獨(dú)立儀器的選用均為目前市場上同類儀器中精度最高的，包括通導(dǎo)綜合測試儀、頻譜分析儀、程控電源、峰值功率計(jì)和數(shù)字板卡等；適配模塊由主控計(jì)算機(jī)通過串行總線進(jìn)行控制，其功能是將資源模塊與被測系統(tǒng)進(jìn)行匹配連接．主要由控制、轉(zhuǎn)換、電源、識別和調(diào)理電路組成。被測航電系統(tǒng)的功能子部件多達(dá)十幾部，各子部件測試在資源需求方面存在著重復(fù)性，此類測試資源包括測試儀器、測試線路和供電模塊。在適配模塊中設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換和電源電路，實(shí)現(xiàn)了同一資源被分配到多個節(jié)點(diǎn)，在很大程度上節(jié)約了測試資源和硬件線路連接。在信號匹配方面，考慮到被測系統(tǒng)個別功能子部件所需激勵信號存在特殊性，與通用測試源無法直接供給，因此，在適配模塊中設(shè)計(jì)了調(diào)理電路，將通用測試源輸出信號進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換處理，以滿足系統(tǒng)測試需求。此外，在適配模塊中，還設(shè)計(jì)有控制和識別電路，分別完成測試儀器、被測子部件的供電控制和狀態(tài)監(jiān)測。
2.2軟件平臺
2.2.1 系統(tǒng)軟件框架
在Lab VIEW集成開發(fā)環(huán)境下，將測試系統(tǒng)進(jìn)行層次化、模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件平臺包括底層驅(qū)動與應(yīng)用層測試兩部分。驅(qū)動部分對硬件資源進(jìn)行管理，為上層程序運(yùn)行提供支持；應(yīng)用層測試部分完成操作人員與測試平臺的信息交互，由相對獨(dú)立且具有單一功能的模塊組成，這樣保證了軟件系統(tǒng)的持續(xù)增長性與靈活性，其框架如圖3所示。
2.2.2軟件功能模塊
下面對各層及內(nèi)部模塊組成做進(jìn)一步闡釋。
1)底層驅(qū)動部分。
①運(yùn)行環(huán)境：利用Lab VIEW集成開發(fā)環(huán)境提供的界面庫，可以較容易地設(shè)計(jì)出符合工程要求且美觀的操作界面；利用Lab VIEW提供的豐富函數(shù)庫進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的獲取和分析處理。在Lab VIEW集成開發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)了對整機(jī)航電系統(tǒng)傳輸?shù)纳锨�飛行參數(shù)處理和模擬顯示。
②設(shè)備驅(qū)動模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)GPIB總線儀器驅(qū)動程序的編寫，完成主控機(jī)與測試儀器間的數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對儀器的程控。
GPIB總線儀器驅(qū)動程序離不開VISA庫的支持，VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)(Virtual Instrument SoftwareArchitecture)的縮寫，是一個標(biāo)準(zhǔn)I/O接口函數(shù)，其運(yùn)行獨(dú)立于OS、軟件運(yùn)行環(huán)境及總線協(xié)議。
利用VISA設(shè)計(jì)開發(fā)GPIB總線儀器驅(qū)動程序時，考慮到其通信方式是建立在寄存器基礎(chǔ)上的，因此選用的庫函數(shù)均基于寄存器操作。GPIB總線儀器驅(qū)動程序開發(fā)流程如圖4所示。
首先使GPIB卡進(jìn)入初始狀態(tài)，在地址寄存器中寫入本機(jī)地址；然后在尋址寄存器中設(shè)置尋址方式；接著打開中斷寄存器，使得中斷情況出現(xiàn)時，完成中斷請求；最后設(shè)置方式寄存器，完成讀、寫工作方式的配置。
③數(shù)據(jù)庫模塊：本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)，為故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供知識庫支持。此外，通過對數(shù)據(jù)庫操作，將被測系統(tǒng)的相關(guān)信息、測試數(shù)據(jù)以及測試結(jié)論進(jìn)行存儲及相關(guān)處理。
2)應(yīng)用層測試部分，該部分包括如下5個功能模塊。
①平臺自檢模塊：完成對維修測試平臺的所有物理資源（總線儀器、適配系統(tǒng)）的檢測，對測試平臺的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。
②模式選擇模塊：完成各功能子部件的獨(dú)立測試模式和綜合航電系統(tǒng)測試模式的選擇，軟件測試平臺即可完成各功能子部件單獨(dú)測試，也可在航電系統(tǒng)交聯(lián)情況下進(jìn)行綜合測試。
③性能測試模塊：該模塊是系統(tǒng)軟件平臺的核心部分，系統(tǒng)通過主控機(jī)控制信號發(fā)生器、數(shù)字信號板卡，分別為被測系統(tǒng)提供模擬、數(shù)字信號激勵，并對系統(tǒng)輸出信息進(jìn)行處理。系統(tǒng)在測試程序中實(shí)現(xiàn)了性能參數(shù)指標(biāo)函數(shù)曲線描繪，并利用該曲線算法對輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，輸出判斷結(jié)果及誤差，從而完成性能測試。
綜合航電系統(tǒng)的傳輸信號包括串口數(shù)據(jù)( RS232/RS422/RS485)、CAN總線、ARINC429和Ethernet等4種數(shù)據(jù)格式。每種數(shù)據(jù)格式都包含了幾十甚至上百種飛機(jī)參數(shù)，在性能測試過程中要對每種數(shù)據(jù)格式所含的飛行參數(shù)進(jìn)行讀取、分析和判斷。雖然綜合航電系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)格式較多，包含參數(shù)量較大，但在實(shí)現(xiàn)性能測試時，對其處理過程基本一致。
以ARINC429總線協(xié)議一種參數(shù)測試（空速）為例，對其程序執(zhí)行過程進(jìn)行說明，如圖5所示。
該參數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)包括總線配置和數(shù)據(jù)處理2個模塊，總線配置實(shí)現(xiàn)了通道選擇、傳輸速度、數(shù)據(jù)格式和奇偶校驗(yàn)設(shè)置，再調(diào)用open函數(shù)模塊打開相應(yīng)通道；數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的寫入和讀取，對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，將數(shù)據(jù)判定算法利用程序語言進(jìn)行描述，并將判斷結(jié)果進(jìn)行存儲和顯示處理。
④故障診斷模塊：采用基于專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)完成該模塊功能，其總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。
專家系統(tǒng)主要包括故障知識學(xué)習(xí)和故障診斷兩部分。其中：故障知識學(xué)習(xí)包括知識管理、獲取、驗(yàn)證和知識庫等功能模塊；故障診斷則包括推理機(jī)、診斷結(jié)果、解釋模塊、診斷流程和人機(jī)界面等功能模塊。
在設(shè)計(jì)故障診斷專家系統(tǒng)時，最重要是完成知識庫構(gòu)建和推理機(jī)的設(shè)計(jì)。知識庫的設(shè)計(jì)優(yōu)劣程度直接決定專家系統(tǒng)性能，根據(jù)綜合航電系統(tǒng)故障知識的特點(diǎn)，且考慮到最大程度減少知識冗余，將知識庫構(gòu)建為現(xiàn)象庫、原因庫和規(guī)則庫3類，分別用于存儲被測系統(tǒng)的故障規(guī)則、現(xiàn)象和原因的知識表達(dá)式和獲取方法。
在推理機(jī)設(shè)計(jì)方面，針對故障診斷流程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將故障樹技術(shù)引入診斷流程圖中，并將診斷流程轉(zhuǎn)化成故障診斷二叉樹，存儲轉(zhuǎn)換方法、步驟和規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了基于二叉樹的故障推理機(jī)。
⑤在線幫助：為用戶使用和培訓(xùn)提供便利。
2.2.3 測試平臺界面
利用虛擬儀器Lab VIEW提供大量的圖形控件，能夠設(shè)計(jì)出滿足工程需求的測試界面，且其人機(jī)界面較為友好。圖7所示為系統(tǒng)主測試界面，能夠?qū)⑿阅軈?shù)測試情況實(shí)時地顯示在各類模擬儀表上。
3 實(shí)測結(jié)果
利用該測試系統(tǒng)對6部綜合航電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際工程測試，將不同被測系統(tǒng)的同一參數(shù)進(jìn)行提取比較，驗(yàn)證測試系統(tǒng)的誤差精度。考慮篇幅原因，本文僅列舉了部分主要參數(shù)，其實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。
根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，被測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差均在性能指標(biāo)范圍內(nèi)，測試精度滿足測試需求。
4結(jié)束語
本文從系統(tǒng)構(gòu)成的角度，討論了航電測試系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)研發(fā)了綜合航電系統(tǒng)維修測試平臺。該平臺不僅能夠?qū)C合航電系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能測試，而且還內(nèi)嵌故障診斷專家系統(tǒng)，能夠?qū)⒕C合航電系統(tǒng)的故障定位到電路板級。
維修人員利用此維修測試平臺，結(jié)合目前掌握的相關(guān)維修資料，可實(shí)現(xiàn)部件級修理。該系統(tǒng)改變了當(dāng)今國內(nèi)航電測試系統(tǒng)完全依靠進(jìn)口的局面，解決了國外品牌整機(jī)價格昂貴、維修周期長、使用成本高且為硬件定制式、后續(xù)擴(kuò)展性能極差等問題，經(jīng)過實(shí)踐證明，該航電測試系統(tǒng)在檢驗(yàn)、效率以及可靠性等方面都取得了滿意的效果。
