魏國(guó)波 張長(zhǎng)茂

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試所,陜西西安 710089)

飛機(jī)試驗(yàn)中測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展與革新

魏國(guó)波 張長(zhǎng)茂

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試所,陜西西安 710089)

通過(guò)分析基于DAQ體系的測(cè)試系統(tǒng)以及基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用及原理論述了當(dāng)前飛機(jī)試驗(yàn)中測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上,從硬件及軟件設(shè)計(jì)技術(shù)兩個(gè)方面論述了現(xiàn)代飛機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)革新,并對(duì)未來(lái)飛機(jī)試驗(yàn)中測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

飛機(jī)試驗(yàn) 測(cè)試系統(tǒng) 技術(shù)革新

0 引言

從上世紀(jì)七十年代末開(kāi)始,計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)以及傳感器技術(shù)得到了迅速發(fā)展,這些綜合技術(shù)在航空領(lǐng)域中得到了充分的應(yīng)用,陸續(xù)出現(xiàn)了智能儀器儀表、總線儀器以及虛擬儀器等。這部分微機(jī)及智能化設(shè)備、測(cè)試系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)軟硬件充分發(fā)揮了飛機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的功能豐富化目的,提高了測(cè)試系統(tǒng)的整體性能。在航空測(cè)試領(lǐng)域中,計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代設(shè)備日益趨于一體化,兩者在飛機(jī)試驗(yàn)中的測(cè)試工作中逐漸相互貫通,一體化趨勢(shì)日益明顯。

1 基于DAQ體系的測(cè)試系統(tǒng)

飛機(jī)試驗(yàn)中的測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成體系如圖1所示,圖中不同類(lèi)型的測(cè)試信號(hào)通過(guò)分布在系統(tǒng)各處的傳感器轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的電信號(hào),成為不同檢測(cè)系統(tǒng)必須設(shè)置的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中,傳感器的電信號(hào)在通過(guò)調(diào)節(jié)與放大處理之后,其變成了壓力幅值在0～5 V之間的直流電信號(hào),并通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換之后傳輸至單片機(jī)中進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。之后,單片機(jī)利用通信電路將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)主機(jī),完成最后的數(shù)據(jù)分析、測(cè)量、存儲(chǔ)、顯示、打印以及測(cè)試圖繪制等功能。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,則還可以繼續(xù)與網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換。對(duì)于以直流形式輸出的傳感器信號(hào),則不需要設(shè)置整流濾波、交流放大等功能環(huán)節(jié)。

一個(gè)完整的現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)主要包括主機(jī)、分機(jī)(以單片機(jī)為主,兼有標(biāo)準(zhǔn)化接口)以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用軟件等幾個(gè)部分。其中,分機(jī)按照系統(tǒng)主機(jī)的操作命令,執(zhí)行傳感器測(cè)量信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的初步處理以及處理數(shù)據(jù)的傳輸。主機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中則負(fù)責(zé)各個(gè)子部件之間的協(xié)調(diào),輸出需要分機(jī)執(zhí)行的測(cè)量、檢測(cè)以及控制命令,便于測(cè)試結(jié)果的顯示、打印以及通信輸出。

2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)得到了持續(xù)發(fā)展。該種網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)主要包括前向通道、后向通道以及網(wǎng)絡(luò)通信三項(xiàng)基本功能。其中,前向通道主要包括傳感器、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微處理器幾個(gè)部分構(gòu)成,能夠進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、交換以及分析功能。

后向通道的功能主要以數(shù)／模／數(shù)轉(zhuǎn)換部件為主,其功能為:

(1)信號(hào)調(diào)制:由微處理器輸出的數(shù)字信號(hào)包含了被測(cè)量信息或者表示控制模塊輸出的信號(hào)控制量,通過(guò)轉(zhuǎn)換并調(diào)制成為現(xiàn)場(chǎng)總線中輸出的數(shù)字信號(hào),并傳輸至執(zhí)行器中進(jìn)行動(dòng)作的控制與執(zhí)行;

(2)解調(diào):將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)總線中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理,并將之傳輸至系統(tǒng)的微處理器進(jìn)行處理;

(3)供電:將現(xiàn)場(chǎng)總線中傳輸?shù)慕涣餍盘?hào)進(jìn)行變換處理,并將之轉(zhuǎn)換成為微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)供電電源能夠應(yīng)用的電源。

圖1 給予DAQ的飛機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)體系

測(cè)試系統(tǒng)的智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表,例如執(zhí)行器/變送器等都通過(guò)接口直接與總線相連?，F(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)采用雙絞線、光纜或者無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送,當(dāng)前主要以雙絞線為主。即上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量?jī)x表的鏈接只需要兩根導(dǎo)線就可以實(shí)現(xiàn)通訊,這兩根導(dǎo)線不但為測(cè)量?jī)x表設(shè)備提供電力支持,而且還承擔(dān)了數(shù)字化、雙向的串行通信。通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)能夠顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力,有效的延長(zhǎng)信息的傳輸距離,從而削減測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間通信設(shè)備及線路的成本耗費(fèi)。當(dāng)前,國(guó)際上多采用的現(xiàn)場(chǎng)總線通信標(biāo)準(zhǔn),包括HART、FF、CAN以及LonWorks等模式。

3 現(xiàn)代飛機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的革新技術(shù)

3.1 硬件設(shè)計(jì)技術(shù)

(1)基本約束條件

測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)主要考慮測(cè)試對(duì)象的具體大小、環(huán)境、測(cè)試物理量等。系統(tǒng)的需求方面則需要考慮系統(tǒng)的測(cè)試精度、測(cè)試可靠性、系統(tǒng)響應(yīng)速度等。同時(shí),設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要考慮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本、架設(shè)成本以及開(kāi)發(fā)周期等。

(2)測(cè)試系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)技術(shù)

測(cè)試系統(tǒng)的功能模塊電路設(shè)計(jì)過(guò)程中通常使用了包括單片機(jī)、CPLD、FPGA、DSP、ASIC、SOC等在內(nèi)的高集成度設(shè)計(jì)技術(shù)。通過(guò)應(yīng)用低能耗的期間來(lái)降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,同時(shí)減輕運(yùn)行過(guò)程中存在的干擾問(wèn)題。通過(guò)使用通用、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件能減少系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、維護(hù)等成本,也有利于降低系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。最后,在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,通過(guò)使用動(dòng)態(tài)的鏈接來(lái)進(jìn)行多層次的程序鏈接。

(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用組態(tài)技術(shù),使用標(biāo)準(zhǔn)總線以及通用的功能模塊單元,例如程控儀設(shè)備、數(shù)控設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)試儀表等,這有利于降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制成本,同時(shí)縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期,使得系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化以及組件化設(shè)計(jì)。同時(shí),通過(guò)使用軟件組態(tài)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā),例如可視化開(kāi)發(fā)工具等,能夠顯著降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期,同時(shí)能夠建立友好的系統(tǒng)界面。在組件的設(shè)計(jì)過(guò)程中,要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì),重復(fù)考慮系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)即功能擴(kuò)展,使得系統(tǒng)的開(kāi)放性更強(qiáng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)技術(shù)

測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用軟件主要包括了測(cè)試程序、控制程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序、數(shù)據(jù)處理程序以及人機(jī)界面等。無(wú)論是具體的測(cè)試功能模塊還是虛擬設(shè)備,在設(shè)計(jì)過(guò)程中都應(yīng)該保證軟件在系統(tǒng)存儲(chǔ)容量以及處理速度的限度下對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行合理設(shè)計(jì),盡量通過(guò)軟件啦實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的硬件設(shè)備功能,使得系統(tǒng)的硬件配置減少。信號(hào)處理以及數(shù)據(jù)處理主要包括系統(tǒng)的誤差分析、插值分析、數(shù)字濾波分析、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。同時(shí),在人機(jī)界面設(shè)計(jì)過(guò)程中,考慮到界面是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交流的窗口,在設(shè)計(jì)過(guò)程中不但要實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能,而且要求實(shí)現(xiàn)功能信息的顯示效果,界面盡量人性化。

3.3 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)規(guī)范

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中藥遵循統(tǒng)一的電器規(guī)格,各設(shè)備以及傳輸?shù)男盘?hào)都需要與電氣標(biāo)準(zhǔn)相互統(tǒng)一。同時(shí),設(shè)計(jì)過(guò)程中的信號(hào)線定義、信號(hào)傳輸方式的選擇、信號(hào)傳輸速度、信號(hào)的邏輯電平以及信號(hào)線纜租客等都需要給予網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。