黃 皓，方 媛，尹祿高

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

隨著飛行器型號(hào)種類越來越多，測試數(shù)據(jù)量越來越大，依賴人工判讀與耗費(fèi)時(shí)間的測試設(shè)備架構(gòu)已很難適應(yīng)新的自動(dòng)化要求，而自動(dòng)測試系統(tǒng)（ATS）具有檢測效率高、測量準(zhǔn)確度高、自動(dòng)化程度高、故障定位準(zhǔn)確、可靠性高、操作簡便等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電子系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、測試、檢驗(yàn)的各環(huán)節(jié)中。因此ATS開發(fā)研究是飛行器型號(hào)測試實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和保障的必經(jīng)之路，也是衡量生產(chǎn)測試現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志[1]。

當(dāng)前虛擬儀器的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“軟件就是儀器”，該含義就是利用高性能模塊化的硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件創(chuàng)建自定義的用戶界面，模塊化的硬件則方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。其核心的思想是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大資源使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性[2]。

本文介紹了一種以現(xiàn)代的自動(dòng)測試思想和虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，通過利用商用PXI總線技術(shù)，建立以PXI總線模塊為硬件平臺(tái)核心的ATS的設(shè)計(jì)方法。該ATS采用Access數(shù)據(jù)庫配置型號(hào)的測試信息方式，PXI模塊選型對(duì)應(yīng)的信號(hào)測試功能需求，實(shí)現(xiàn)多型號(hào)測試功能綜合集成于同一測試平臺(tái)，并且后期系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)通過替換PXI模塊即可簡單完成，最終達(dá)到飛行器電氣系統(tǒng)測試平臺(tái)柔性配置，以及通用化、系列化、模塊化等目的。

1 測試原理及方法

大型飛行器電氣分系統(tǒng)測試原理可歸納總結(jié)為測試系統(tǒng)發(fā)出激勵(lì)信號(hào)給被測對(duì)象，并且從被測對(duì)象采集響應(yīng)信號(hào)。以舵機(jī)系統(tǒng)為例，舵機(jī)系統(tǒng)采用3環(huán)控制方案，即由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)3個(gè)回路組成，電流環(huán)和速度環(huán)稱為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)稱為外環(huán)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 舵機(jī)位置隨動(dòng)控制功能框圖Fig.1 Control function of servo position block diagram

舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本質(zhì)為電機(jī)伺服控制，電樞回路電壓平衡方程：

式中：Ua（t）為電樞電壓；Ra和 La分別是電樞電路的電阻和電感；ia（t）是電樞電壓所產(chǎn)生的電樞電流。

Ea是電樞反電勢：

式中：Ke是電勢系數(shù)；ωm（t）是電機(jī)轉(zhuǎn)速。電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中：km為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Mm（t）是電樞電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程（忽略磨擦等因素）：

式中：Jm是電機(jī)和負(fù)載折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)La較小時(shí)，可將其忽略，則電機(jī)的傳遞函數(shù)：

式中：k=1/Ke。

利用Simulink工具箱進(jìn)行原理功能框圖的搭建與激勵(lì)數(shù)據(jù)模擬，通過觀測仿真過程中的參數(shù)數(shù)據(jù)變化情況，可以驗(yàn)證總結(jié)的控制規(guī)律數(shù)學(xué)模型是否正確，同時(shí)為測試平臺(tái)輸出給控制舵機(jī)激勵(lì)信號(hào)提供依據(jù)[3]。

舵機(jī)位置隨動(dòng)曲線仿真結(jié)果如圖2所示，通過仿真結(jié)果可以明顯看出，舵機(jī)最終位置收斂并趨于3.3 V。

圖2 舵機(jī)控制位置信號(hào)仿真圖Fig.2 Signal simulation of the servo position

建立被測對(duì)象理論模型為測試平臺(tái)應(yīng)用功能驗(yàn)證提供了目標(biāo)與參考依據(jù)，測試平臺(tái)通過發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，并監(jiān)測舵機(jī)反饋信號(hào)，一方面驗(yàn)證舵機(jī)系統(tǒng)工作是否正常，另一方面驗(yàn)證測試平臺(tái)的測試覆蓋性。

根據(jù)飛行器ATS設(shè)計(jì)要求，測試系統(tǒng)主要由硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)和自動(dòng)測試流程TPS組成。其中硬件配置主要由：PXI測控組合、電源、電源控制組合、測試適配器及系統(tǒng)自檢裝置等組成。PXI測控組合為系統(tǒng)核心，主要由PXI機(jī)箱、PXI總線儀器、鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)組成。

由PXI測控組合通過繼電器模塊控制電源、D/A模擬輸出模塊控制激勵(lì)信號(hào)輸出，經(jīng)過信號(hào)適配器隔離及調(diào)理后，轉(zhuǎn)接至被測對(duì)象測試接口，同時(shí)監(jiān)測被測對(duì)象的信號(hào)響應(yīng)，響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過適配器轉(zhuǎn)接調(diào)理后送至PXI采集模塊。

其中適配器是通用測試平臺(tái)中為了通用激勵(lì)源匹配各型號(hào)信號(hào)測試接口的一個(gè)適配環(huán)節(jié)，這也是通用平臺(tái)與專用測試需求之間必需的接口轉(zhuǎn)換。通用核心部分為PXI模塊，由如下部分組成：

1）繼電器模塊NI PXI-2569，提供繼電器開關(guān)的閉合與斷開，一方面用于內(nèi)部控制功能，例如：電源控制組合內(nèi)電源輸出通斷，另一方面提供開關(guān)指令，例如短接指令、28 V指令等。

2）D/A模塊PXI-6733，提供模擬量激勵(lì)的信號(hào)源，其輸出范圍為±10 V，單通道最高可達(dá)1 MS/s，若通道全部工作也不低于740 kS/s，輸出精度也達(dá)16位，有效地保證直流和低頻率交流信號(hào)的激勵(lì)指標(biāo)要求。

3）數(shù)字萬用表模塊PXI-4065，為一款六位半的PXI數(shù)字萬用表，內(nèi)置7種測量模式：AC/DC電壓、AC/DC電流、2或4線制電阻、以及二極管測試。并且在最高精度六位半下最大速度可達(dá)10次/s。

4）多路復(fù)用開關(guān)模塊PXI-2575，可配置196×1 1線模式或98×2 2線模式，最大承載可達(dá)100 VDC，100 VAC，每個(gè)繼電器 1 A。

5）模擬量采集模塊PXI-6259，為一款32路16位精度，最大采樣率達(dá)1.25 MS/s。

6）示波器模塊PXI-5154，最大可提供2 GS/s實(shí)時(shí)采樣率，帶寬可達(dá)2 GHz，可設(shè)置邊緣、窗口、數(shù)字等觸發(fā)模式，為信號(hào)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、排故等提供了工具和手段。

測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件是基于虛擬儀器自動(dòng)測試系統(tǒng)的重要核心組成部分，從通用化、模塊化角度出發(fā)，頂層設(shè)計(jì)應(yīng)采用分層次、模塊化軟件體系結(jié)構(gòu)與面向?qū)ο蟮木幊谭椒?。軟件程序包括?shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、測試執(zhí)行以及輔助功能等幾大功能，其中任務(wù)管理具有測試流程導(dǎo)入、修改、刪除、查詢、瀏覽等編輯功能；測試執(zhí)行具有型號(hào)測試流程選擇、連續(xù)執(zhí)行、單步執(zhí)行、中斷、暫停等功能；數(shù)據(jù)管理及輔助功能具有權(quán)限管理、底層配置數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

測試應(yīng)用軟件在當(dāng)前虛擬儀器時(shí)代的特點(diǎn)就是其控制面板由計(jì)算機(jī)軟件界面取代，由計(jì)算機(jī)控制儀器硬件，軟件框架如圖3所示。依據(jù)通用飛行器測試平臺(tái)軟件需求，軟件開發(fā)考慮的要素有如下幾點(diǎn)：必須與底層PXI板卡驅(qū)動(dòng)接口兼容；良好的人機(jī)交互界面；底層配置文件的有效管理。綜合以上幾點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用層設(shè)計(jì)選擇使用Access數(shù)據(jù)庫，而用戶層選擇LabView作為平臺(tái)界面及功能開發(fā)工具。

LabView軟件開發(fā)工具是開發(fā)一個(gè)測試系統(tǒng)的高效選擇，其采用圖形化的編程語言、直觀的前面板和流程圖相結(jié)合的方式來構(gòu)建虛擬儀器。相對(duì)于傳統(tǒng)編程方式而言，LabView簡單易學(xué)，節(jié)省了開發(fā)周期，豐富的圖形界面組件和庫函數(shù)為用戶設(shè)計(jì)各種專業(yè)軟件提供方便，有著廣泛的應(yīng)用[4]。

圖3 虛擬儀器測試系統(tǒng)軟件框架圖Fig.3 Software architecture of virtual instrument test system

但是在使用LabVIEW軟件開發(fā)該通用平臺(tái)過程中，很重要的一個(gè)考慮因素是用戶需對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、查詢、刪除、分析、報(bào)表、打印等操作。這就需建立安全高效的數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，雖然LabVIEW擁有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，但是它本身并不具備數(shù)據(jù)庫訪問功能，需要其他的輔助方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問。對(duì)通用測試軟件平臺(tái)而言，需要底層文件靈活配置來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的擴(kuò)展，從而達(dá)到軟件的通用性。所以采用Access數(shù)據(jù)庫方式來保存測試信息，包括測試參數(shù)、信號(hào)配置、測試流程等。

2.1 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用層設(shè)計(jì)

Access數(shù)據(jù)庫訪問操作通過ADO技術(shù)完成，而數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺(tái)的工具。它支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于OBDC的數(shù)據(jù)庫，利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫訪問，將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs。它的優(yōu)點(diǎn)是易于理解、操作簡單，不熟悉SQL語言的用戶也可以很容易地使用[5]。

飛行器通用測試軟件平臺(tái)采用LabView圖形化編程開發(fā)工具開發(fā)，一方面可以設(shè)計(jì)開發(fā)具備友好風(fēng)格的界面，另一方面利用LabView強(qiáng)大的板卡操作驅(qū)動(dòng)工具包控制板卡的I/O信號(hào)，并且可使用LabSQL控件操作底層數(shù)據(jù)庫配置與讀寫，形成數(shù)據(jù)庫配置信息到PXI板卡I/O操作的完整鏈路。其中LabSQL VIs按照功能可以分為4類：Command VIs，Connection VIs，Recordset VIs和 Top Level VIs。

1）Command VIs的功能是完成一系列的基本ADO操作，例如創(chuàng)建或刪除一個(gè)Command，對(duì)數(shù)據(jù)庫的某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙取?/p>

2）Connection VIs的功能是管理 LabVIEW 與數(shù)據(jù)庫之間的連接。

3）Recordset VIs用于對(duì)數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對(duì)記錄中的某一個(gè)條目進(jìn)行讀或?qū)懙取?/p>

4）Top Level VIs屬于頂層的LabSQL應(yīng)用，對(duì)前3類LabSQL VIs某些功能的封裝，例如SQL Execute.vi可用于直接執(zhí)行命令。

2.2 數(shù)據(jù)庫配置設(shè)計(jì)

測試平臺(tái)的軟件測試配置信息通過Access數(shù)據(jù)庫記錄讀取方式，為了實(shí)現(xiàn)柔性化配置，采用多表單配置方式，即通用表單對(duì)應(yīng)于通用硬件配置信息，專用表單對(duì)應(yīng)于獨(dú)特專用的配置信息。軟件用戶層首先根據(jù)型號(hào)索引相應(yīng)型號(hào)專用數(shù)據(jù)庫表單，再通過表單鏈接索引方式，將該型號(hào)參數(shù)信號(hào)與模塊一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的操作解析翻譯成模塊操作。若未來擴(kuò)展型號(hào)，硬件方面增加型號(hào)適配器，而軟件對(duì)應(yīng)增加相應(yīng)數(shù)據(jù)庫表單即可，大大減少軟件系統(tǒng)重新更改設(shè)計(jì)的工作。

測試數(shù)據(jù)庫組成有手動(dòng)執(zhí)行、自動(dòng)流程執(zhí)行、被測對(duì)象與適配器關(guān)系、適配器內(nèi)部關(guān)系、適配器與PXI關(guān)系這幾個(gè)表單。軟件界面以及測試數(shù)據(jù)庫表單的相互間索引關(guān)系如圖4所示。

圖4 參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)索引關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of index relationship of parameter data structure

通過索引關(guān)系建立起參數(shù)與底層硬件模塊的映射，而且更換型號(hào)適配器只需更換對(duì)應(yīng)的適配器信息與參數(shù)名稱即可完成柔性化擴(kuò)展，通用平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫分表配置信息架構(gòu)非常適用于設(shè)計(jì)可擴(kuò)展多型號(hào)的軟件平臺(tái)。

2.3 用戶層設(shè)計(jì)

從飛行器電氣系統(tǒng)通用測試平臺(tái)的軟件需求角度出發(fā)，軟件需要具備的功能有[6]：

1）用戶登錄功能，包括型號(hào)選擇、操作選擇、登錄口令等管理；

2）權(quán)限管理、測試配置瀏覽以及部分測試功能，其中測試功能包括測試界面、手動(dòng)測試界面、自動(dòng)測試流程TPS編輯生成；

3）底層測試數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)功能；

4）與底層板卡驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)控制交互功能；

5）自動(dòng)測試界面自動(dòng)執(zhí)行功能。

2.3.1 登錄權(quán)限管理功能

測試軟件登錄界面中有 “型號(hào)選擇”、“操作選擇”、“用戶名”、“密碼”、“進(jìn)入”等輸入控件，軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)置值來決定用戶是否具備該型號(hào)測試或者配置等權(quán)限，例如軟件平臺(tái)為最高權(quán)限管理員提供人員權(quán)限管理入口。管理員進(jìn)入人員權(quán)限配置界面后，可以查看所有用戶及權(quán)限分配情況，同時(shí)可以直接編輯人員與其對(duì)應(yīng)的型號(hào)權(quán)限分配設(shè)置值。

用戶名與密碼為最高權(quán)限者分配給測試用戶的進(jìn)入口令，若未分配權(quán)限或者密碼輸入錯(cuò)誤，信息框?qū)?huì)提示錯(cuò)誤。若用戶名和密碼正確，軟件將自動(dòng)進(jìn)入測試界面。

2.3.2 測試執(zhí)行功能

自動(dòng)測試流程的執(zhí)行與配置編輯在測試界面完成，為了滿足測試軟件管理要求，程序要求用戶必須具備管理員Administrator權(quán)限，程序才提供修改底層自動(dòng)流程數(shù)據(jù)庫入口，而普通用戶只具備執(zhí)行自動(dòng)測試流程的權(quán)限，從而形成自動(dòng)流程版本與更改的管理控制。

測試執(zhí)行界面采用表格、文本框、指示燈、按鈕等控件元素組成，自動(dòng)測試載入的操作步驟基本如下：

1）測試操作選擇“自動(dòng)操作”，選擇測試流程，默認(rèn)為“型號(hào)自動(dòng)測試流程表”；

2）點(diǎn)擊“讀取自動(dòng)流程”，將會(huì)加載該測試流程，并且在自動(dòng)測試流程執(zhí)行表中顯示；

3）載入自動(dòng)測試流程后可“自動(dòng)執(zhí)行”、“單步執(zhí)行”、“暫?！被颉敖K止”。

為了更好驗(yàn)證系統(tǒng)工作狀態(tài)預(yù)期，通過A/D模塊監(jiān)測采集舵機(jī)系統(tǒng)的位置信號(hào)，其回放數(shù)據(jù)曲線如圖5所示，可以觀察到波形與仿真結(jié)果一致，比較好地驗(yàn)證了系統(tǒng)測試功能穩(wěn)定并且效果與預(yù)期一致。

圖5 舵機(jī)位置信號(hào)監(jiān)測圖Fig.5 Signal monitoring graph of the servo position

3 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了通用飛行器測試平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即采用PXI總線儀器模塊架構(gòu)為硬件基礎(chǔ)，軟件開發(fā)方面使用圖形編程工具LabView結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫柔性配置測試信息的方式，并且該設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)合某型號(hào)飛行器分系統(tǒng)的測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，效果滿足系統(tǒng)要求，該方法可作為類似系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的參考。

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