羅云林，任文杰

（中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的大氣數(shù)據(jù)信息直接影響航空器的飛行狀態(tài)。準(zhǔn)確有效地檢測(cè)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，能夠提高飛行控制系統(tǒng)的性能，保證飛行安全。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，給出硬件開(kāi)發(fā)及軟件實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，采用誤差修正的方法消除實(shí)際測(cè)量中的誤差，實(shí)現(xiàn)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試，提高測(cè)試精度。測(cè)試系統(tǒng)有自主保障功能，能夠可靠地保障測(cè)試系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)功能描述

大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)是證實(shí)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)及其部件是否滿足規(guī)定要求。測(cè)試系統(tǒng)以大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)為測(cè)試對(duì)象，通過(guò)控制器向大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)施加靜壓、總溫和攻角等模擬信號(hào)，利用大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的對(duì)外交聯(lián)接口，對(duì)其輸出的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)理、分析及處理；通過(guò)信息比較對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件故障的全面測(cè)試。

大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)具有以下功能：①在離位狀態(tài)下完成對(duì)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的性能測(cè)試、功能測(cè)試和定期維修性檢測(cè)；②系統(tǒng)的輸出精度檢查，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的輸出精度進(jìn)行檢查；③自動(dòng)測(cè)試功能，測(cè)試過(guò)程在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)完成，記錄存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)及故障顯示；④人工干預(yù)輔助測(cè)試，允許人工介入，對(duì)被測(cè)對(duì)象的關(guān)鍵信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)激勵(lì)或測(cè)試；⑤測(cè)試系統(tǒng)本身的自檢和自校功能。

2 大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用以PXI總線結(jié)構(gòu)主控機(jī)為測(cè)試控制器，自主定義的信號(hào)接口裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備與被測(cè)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的連接，配以信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸入輸出模塊、電源模塊等測(cè)試儀器資源構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework diagram of general structure of test system

測(cè)試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由工控機(jī)、測(cè)試部件大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、ARINC429總線驅(qū)動(dòng)卡、開(kāi)關(guān)模塊、控制邏輯模塊、離散量信號(hào)驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)、電源模塊構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of test system

2.2 硬件模塊

開(kāi)關(guān)模塊與測(cè)試儀器采用外部連接。本測(cè)試系統(tǒng)中采用的是矩陣多路開(kāi)關(guān)，根據(jù)UUT測(cè)試要求在適配器中配置儀器資源與開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的連接。

信號(hào)調(diào)理模塊將被測(cè)組件與工控機(jī)聯(lián)系起來(lái)，將調(diào)理好的大氣數(shù)據(jù)信號(hào)，送至主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。

可編程電阻卡，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)總溫測(cè)量范圍為-55～100℃，對(duì)應(yīng)的電阻范圍為396.1～691.6 Ω，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給出電阻值，采用了可編程電阻板卡輸出。

模擬量信號(hào)模塊，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的模擬量輸出參考電壓范圍是-20～20 V，需要測(cè)量AC模擬電壓，采用數(shù)值電壓表測(cè)試，為此采用24路SPDT繼電器板卡，由來(lái)自工控機(jī)PXI擴(kuò)展卡的數(shù)字量直接控制。

離散量信號(hào)測(cè)試模塊，對(duì)離散信號(hào)的輸入控制采用DB24RD/12繼電器板卡實(shí)現(xiàn)。

電源箱由交流電源和DVM模塊組成，為系統(tǒng)提供+5 V、+12 V、+15 V和+28 V四路直流電源。

壓力控制器，為大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)提供所需的靜壓和全壓，配置的壓力控制器的壓力精度高達(dá)0.02%，可以輸出全壓、靜壓、氣壓高度、速度、M及升降速率，高度可以給定到30000 m，馬赫數(shù)達(dá)到3，可以在主機(jī)控制下自動(dòng)改變輸出的動(dòng)、靜壓壓力，實(shí)現(xiàn)真正意義的自動(dòng)測(cè)試工作。

2.3 系統(tǒng)軟件

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的功能要求，軟件采用模塊化、分層次設(shè)計(jì)。

2.3.1 軟件模塊組成

測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分主要包括主控軟件模塊、硬件驅(qū)動(dòng)模塊、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)試模塊、指示儀表測(cè)試模塊等，軟件開(kāi)發(fā)采用虛擬儀器vs.net平臺(tái)。

對(duì)被測(cè)件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試項(xiàng)目由主控程序控制有序進(jìn)行；主控程序先命令基本硬件進(jìn)行BIT自檢，保證測(cè)試程序能順利加載到ADC中；ADC測(cè)試程序則用其認(rèn)同的機(jī)器語(yǔ)言完成具體的測(cè)試命令步驟。

2.3.2 大氣數(shù)據(jù)測(cè)試軟件模塊

大氣數(shù)據(jù)測(cè)試軟件模塊包括ARINC429輸入輸出模塊的測(cè)試、故障燈測(cè)試、輸入輸出離散量模塊的測(cè)試、BIT模塊測(cè)試等測(cè)試模塊。

就ARINC429輸入輸出模塊為例介紹，民用航空飛機(jī)上ARINC-429數(shù)據(jù)傳速為12～14.5 kb/s，屬低速發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸是以電脈沖形式發(fā)送的，一個(gè)電脈沖為1位，一個(gè)數(shù)字字（32位）之間分為5段，一個(gè)數(shù)字字傳輸一個(gè)參數(shù)。ARINC-429輸入通道27條，輸出通道11條。測(cè)試輸入通道需要測(cè)試通道的暢通性并測(cè)試通道截止電壓是否有效，測(cè)試通道的暢通性使用測(cè)試字（ 0AAAA892）16和（ 15555492）16，測(cè)試截止電壓采用衰減電壓±7.5 Vdc。

測(cè)試中用轉(zhuǎn)化ARINC串行字為并行字后比較的方法測(cè)試，按圖3規(guī)則將測(cè)試字（0AAAA892）16和（15555492）16分別轉(zhuǎn)化成并行字進(jìn)行比較，兩次轉(zhuǎn)化后的字 2是“ 1”、“ 0”相對(duì)的，兩個(gè)字 1中，ID 碼不一樣，其余不變。在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中，標(biāo)識(shí)、奇校驗(yàn)位及信號(hào)狀態(tài)矩陣位幾乎不變，ID碼變更不頻繁，且一般發(fā)生在高3位，而數(shù)據(jù)塊是隨機(jī)變化的。這樣就更科學(xué)的測(cè)試了通道的情況。

圖3 串并行字轉(zhuǎn)換Fig.3 Conversion of serial to parallel character

在輸出通道測(cè)試中要測(cè)試通道的暢通情況及輸出信號(hào)的波形特征，測(cè)試過(guò)程為：先由測(cè)試臺(tái)命令大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送測(cè)試字，然后檢查由ARINC輸出通道得到的數(shù)據(jù)，將它和期待值比較，得出結(jié)論。

2.4 系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)

對(duì)于大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差大小關(guān)系到系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度，從而關(guān)系到測(cè)試系統(tǒng)的整體性能。對(duì)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)各參量和電壓測(cè)試信號(hào)進(jìn)行誤差分析和誤差校準(zhǔn)研究，有效的消除自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)存在的誤差是至關(guān)重要的。

結(jié)合大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)各參量分析誤差，大氣壓力、開(kāi)關(guān)信號(hào)、總溫電阻的誤差皆是由系統(tǒng)硬件設(shè)備產(chǎn)生，定期檢查設(shè)定使之達(dá)到系統(tǒng)測(cè)量所需的精度。

電壓測(cè)試信號(hào)誤差，在大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)中數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的支路很多，如角度信號(hào)，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)輸入的攻角等信號(hào)是自整角機(jī)提供的同步信號(hào)，輸出信號(hào)如高度、空速、馬赫數(shù)以自整角機(jī)形式傳送到顯示儀表，同步角位置信號(hào)是由三線交流同步傳送，把三相同步交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。大氣數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)中電壓信號(hào)是由AD轉(zhuǎn)換采集來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)誤差修正方法消除電壓測(cè)試信號(hào)的誤差。

電壓采樣通道等效示意圖如圖4所示，R1為系統(tǒng)接線等效電阻，R2、R3為信號(hào)調(diào)理電路的分壓電阻，U1、U2為信號(hào)輸入端，AH、AL為AD采樣輸出端， 數(shù)據(jù)采集通道的分壓比ρ=R3/（R1+R2+R3）。

圖4 電壓采樣通道等效圖Fig.4 Equivalent cireait of voltage sample channel

此時(shí)設(shè)U1、U2端輸入為0時(shí)，AD采集電壓為零點(diǎn)漂移電壓V0；當(dāng)U1、U2入以標(biāo)準(zhǔn)電壓值Vi時(shí)，AD采集電壓為 Vc，于是

當(dāng)U1、U2端輸入任意電壓V時(shí)，AD采集電壓為Vf，于是得出

其中V0和ρ為固定值，不受輸入電壓影響，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方法來(lái)減少測(cè)量的隨機(jī)誤差，提高電壓測(cè)試的精度。

3 測(cè)試結(jié)果分析

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下對(duì)大氣數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，用大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)輸出的大氣數(shù)據(jù)與測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可檢驗(yàn)系統(tǒng)的精度。首先對(duì)大氣數(shù)據(jù)檢測(cè)進(jìn)行仿真，記錄仿真結(jié)果，然后再對(duì)大氣數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行比較。這里選了9組接收高度值，比較的結(jié)果如表1所示。

表1 高度誤差精度Tab.1 Error accuracy of height

量高度的誤差在2 m之內(nèi)，誤差精度達(dá)到了0.03%FS以內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)0.05%FS比較，有較高的測(cè)量精度。應(yīng)用同樣方法對(duì)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的其它信號(hào)進(jìn)行評(píng)估，證明其均具有很高的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的工作原理，介紹一種大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析，消除測(cè)試過(guò)程中電壓測(cè)試信號(hào)的誤差，有效提高系統(tǒng)測(cè)試的精度和準(zhǔn)確度，在理論上和實(shí)際上解決了大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的一些技術(shù)難題。

[1]樊尚春，呂俊芳.航空測(cè)試系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

[2]趙淑榮，羅云林.大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2004.

[3]徐子荔，陳 明.基于DataSocket技術(shù)的大氣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)[J].計(jì)測(cè)計(jì)術(shù)，2006，26（ 1）：65-67.

[4]TONG GUANGQIU.High Accurate Test Standard of ADC，DAC and its Experiment Results，CPEM Digest[C]//Conference on Precision Electromagnetic Measurements，2005：369-370.

[5]DAVID TAGGART，RAJENDRA KUMAR，SRINI RAGHAVAN.Analog-to-Digital Converter Loading Analysis and Overloading Considerations for Communications Systems[C]//26th International Communications Satellite Systems Conference(ICSSC)，San Diego，CA，2008.