王益，王彥蕾，高光波，曹龍，巴瑞章

(中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所，北京 100024)

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繼電器盒自動測試設(shè)備研究

王益，王彥蕾，高光波，曹龍，巴瑞章

(中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所，北京 100024)

摘要：由于某型直升機繼電器盒內(nèi)繼電器較多，且大多數(shù)繼電器都不是獨立供電，采用人工接線通電檢測的方式給該型裝備的檢測和試驗工作帶來諸多不便，為此，綜合集成多項成熟先進(jìn)的測試軟硬件技術(shù)，設(shè)計出該型直升機繼電器盒的自動測試設(shè)備，實現(xiàn)了對繼電器盒各邏輯功能部件的邏輯功能準(zhǔn)確無誤的測試及故障定位。

關(guān)鍵詞：直升機；繼電器盒；自動測試

0引言

FD型發(fā)動機控制繼電器盒和XT型系統(tǒng)電氣控制繼電器盒隸屬于某型直升機配電系統(tǒng)。前者用于完成發(fā)動機啟動及控制功能，后者用于機電控制切換，完成各系統(tǒng)控制信號轉(zhuǎn)換功能。

在上述兩型產(chǎn)品試驗、驗收等工作中，需對其通斷邏輯功能進(jìn)行測試。人工測試時，一般采用手動接線方式對各器件供電，再用萬用表依次測試各觸點通斷狀況，整個測試過程涉及近200對線路搭接，耗時數(shù)小時。當(dāng)產(chǎn)品在試驗箱內(nèi)進(jìn)行試驗時，需提前將各器件的供電線路和測試線路接出試驗箱外部，操作起來十分不便。特別是在產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗前后5分鐘振動環(huán)節(jié)，采用上述測試方法無法實現(xiàn)。

此外，產(chǎn)品內(nèi)部部分器件存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，測試時需多個器件同時通電，這樣很容易操作失誤，進(jìn)而導(dǎo)致器件損壞，造成經(jīng)濟損失。

顯然，手動測試既浪費時間，又操作不便，研制自動測試設(shè)備非常必要。為此，本文采用當(dāng)前較先進(jìn)的電子器件搭建硬件平臺，利用VB語言編寫控制軟件，通過先進(jìn)電子技術(shù)將硬軟件有效結(jié)合，設(shè)計出兩型產(chǎn)品自動測試設(shè)備。該設(shè)備可對兩型產(chǎn)品進(jìn)行功能檢測和故障診斷，提高了產(chǎn)品驗收、試驗和維修等環(huán)節(jié)相關(guān)測試工作的效率和安全性。

1測試對象分析

FD型發(fā)動機控制繼電器盒由17支電磁繼電器、2支開關(guān)、2支指示燈和9支相關(guān)續(xù)流隔離二極管等組成。XT型系統(tǒng)電氣控制繼電器盒由18支電磁繼電器、17支續(xù)流隔離二極管和3支穩(wěn)壓二極管組成。對上述兩型產(chǎn)品進(jìn)行邏輯功能測試主要涉及繼電器相關(guān)邏輯測試。

雖然兩型產(chǎn)品內(nèi)部繼電器邏輯狀態(tài)、連線關(guān)系各不相同，但歸納起來共有以下三種基本連線類型，即電路切換控制、控制電路接地、控制電路接電源正，分別如圖1～3所示[1]。

圖1是繼電器盒中最常用的連線方式。J1不通電，公共端與電路1相連；J1通電，公共端與電路1斷開而與電路2相連，實現(xiàn)電路切換功能。

圖1　電路切換控制

在圖2中，J1不通電時，公共端與電路1相連；J1通電時，公共端與電路1斷開并接地。

圖2　電路接地控制

在圖3中，J1不通電時，公共端與電路1相連；當(dāng)J1通電時，公共端與電路1斷開并接電源正。

其他連線形式均以此三類電路為基本原形演變或組合而來。實際測試時，只需解決好此三類電路繼電器供電電路和觸點通斷測試電路的匹配關(guān)系即可。

2自動測試設(shè)備總體方案

依據(jù)以上分析，兩型產(chǎn)品邏輯功能測試過程主要涉及被測器件供電、觸點通斷測試等工作。

本測試設(shè)備采用人機界面友好的便攜式計算機，按預(yù)設(shè)的程序自動發(fā)送相應(yīng)指令，控制測試終端為相應(yīng)器件通斷電，同時接收測試終端的測試結(jié)果，并將測試結(jié)果進(jìn)行顯示、記錄和故障診斷。測試設(shè)備系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4　繼電器盒自動測試設(shè)備系統(tǒng)組成圖

其中，測試終端是本測試設(shè)備的核心部件。其主控芯片接收上位機指令后，將其I/O口電平置為“1”或“0”來控制相關(guān)器件供電線路通斷，并通過其I/O接口監(jiān)測邏輯功能測試結(jié)果。

本文選用單片機(MCU)作為主控芯片。由于MCU通用I/O口數(shù)量較少，為滿足兩型產(chǎn)品共58組供電和136組測試線路需求，本設(shè)計采用FPGA來擴展MCU的I/O口完成測試工作。測試終端功能模塊組成如圖5所示。

圖5　測試終端功能模塊組成圖

其中，電源模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為28，5，14，3.3 V等直流電為供電功能模塊、測試功能模塊、MCU和FPGA等供電。

本設(shè)備具備單點、多點及自動測試等測試策略，以適應(yīng)多場景應(yīng)用。測試流程如圖6所示。

圖6　測試儀測試工作流程圖

3測試終端硬件設(shè)計

測試終端采用通用化和模塊化設(shè)計，能同時滿足前述三類繼電器測試時的供電和測試需求。其主要完成通信、供電、測試三大功能。

3.1　供電功能實現(xiàn)

本測試終端供電功能模塊通過FPGA的I/O口電平高低，控制光耦驅(qū)動MOSFET通斷電源。

實際測試中，有些器件的供電端點的某一端共線，還有些器件供電端點是其他器件測試端點，為避免相互影響，本供電電路輸出兩端分別用一個N溝道和P溝道COMSFET同時控制供電電路通斷。如圖7所示，F(xiàn)PGA通用I/O口通過圖7中的IO1連接至光耦控制Q1Q2通斷。當(dāng)I/O口電平為“1”時，Q1Q2導(dǎo)通，連接在J1上的被測器件電源接通。反之，器件電源斷開。

采用這種方案，可使連入電路器件不通電時供電引線與電源和地之間的連接徹底切斷，使得供電端點某一端共路的多個器件單獨測試時不會相互影響，同時也避免供電端點作為測試端點時發(fā)生短路危險。本測試設(shè)備58組供電線路均采用此電路實現(xiàn)。

圖7　測試器件供電電路原理圖

3.2　測試功能實現(xiàn)

兩型繼電器盒邏輯功能測試主要涉及繼電器觸點通斷測試。本設(shè)計將光耦與被測端點組串聯(lián)，采用小電流測試被測端點組通斷狀態(tài)，避免了測試過程對產(chǎn)品壽命和性能的影響。圖8即為一組測試電路。

圖8　測試器件測試電路原理圖

從圖8中可以看出，當(dāng)J1的1和2接通，且3和4接通，光耦將工作，IO1將為低電平，即邏輯“0”。當(dāng)J1的1和2及3和4有一組不導(dǎo)通時，光耦不工作，IO1將為高電平，即邏輯“1”。只需將待測觸點對與J1的1和2或3和4接通，即可對待測觸點的通斷進(jìn)行檢測。

由于測試點是繼電器一對無阻觸點，故兩端點間只存在一端接電源正一端浮空、一端接地一端浮空、兩端均浮空三種情況。當(dāng)被測點一端已連接電源正時，直接將該端點接至J1-3，另一端接至J1-2，同時將J1-2與J1-1短接，J1-4浮空；當(dāng)被測端點一端已連接地時，直接將該端點接至J1-2，另一端接至J1-3，同時將J1-3與J1-4短接，J1-1浮空；當(dāng)被測點兩端均浮空時，直接將被測兩端點分別接至J1-2和J1-3，同時將J1-3與J1-4短接，J1-1至J1-2短接。

3.3　通信功能實現(xiàn)

在本測試設(shè)備中，選用的是Microchip公司的PIC18F4550型單片機與計算機進(jìn)行通信。該MCU內(nèi)置符合USB 2.0規(guī)范的通用串行總線通信模塊，支持控制、中斷、同步和批量數(shù)據(jù)傳輸[2]。此外，該MCU還有一個增強型可尋址USART串行通信模塊，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RS-232通信并支持LIN總線協(xié)議。因此，本測試終端與上位機可實現(xiàn)USB和RS-232兩種通信方式。

本設(shè)計采用FPGA擴展I/O口，MCU和FPGA采用并行通信協(xié)議進(jìn)行通信。

4測試軟件設(shè)計

本測試設(shè)備共涉及兩類軟件，即上位機軟件和測試終端軟件。

4.1　上位機軟件

上位機測試軟件是整個測試過程的組織者，它負(fù)責(zé)發(fā)送測試指令和接收、顯示并記錄測試結(jié)果。根據(jù)前述總體方案，該軟件應(yīng)具備測試策略管理、通信、測試過程組織等功能。

Visual Basic是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，其可視化編程環(huán)境為開發(fā)人員提供了極大方便。利用ActiveX控件和Windows動態(tài)鏈接庫，可十分方便地實現(xiàn)串口、以太網(wǎng)和USB等通信協(xié)議，其ADO控件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、查詢等功能[3]。此外，還可調(diào)用Windows標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)擴展功能[4]。本測試設(shè)備上位機軟件采用VB編寫，其界面如圖9所示。

圖9　繼電器盒測試設(shè)備測試界面

4.2　測試終端軟件

測試終端軟件主要涉及MCU上運行的程序和FPGA中運行的邏輯代碼。

MCU主要完成與上位機和FPGA之間通信，即實現(xiàn)串口、USB、并口通信功能。程序代碼通過Microchip公司的MPLAB IDE開發(fā)平臺采用C語言編寫完成。

FPGA的邏輯代碼主要完成與MCU間的通信和I/O口邏輯狀態(tài)的變換、監(jiān)測功能，并對邏輯關(guān)系進(jìn)行比較。本設(shè)計采用Xilinx公司Spartan3系列XC3S400型FPGA，其代碼利用Xilinx ISE Design Suite開發(fā)套件使用VHDL語言編寫完成。

5實測符合性分析

本設(shè)備可對單一器件進(jìn)行單點測試，也可對多個器件進(jìn)行多點測試，還可對全機進(jìn)行自動測試。后兩種測試功能實際是以第一種測試功能為基礎(chǔ)，按照一定的順序進(jìn)行組合實現(xiàn)。下面以FD型發(fā)動機控制繼電器盒內(nèi)37W“Ng差延時告警”繼電器和38W“聯(lián)響切除”繼電器的組合測試為例，對自動測試儀的測試原理符合性和實測結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1　符合性分析

FD型發(fā)動機控制繼電器盒內(nèi)37W“Ng差延時告警”繼電器和38W“聯(lián)響切除”繼電器的連線關(guān)系如圖10所示。兩器件的連線關(guān)系可以分解為圖1所示的電路切換電路(有一路電路懸空)。

圖10　FD發(fā)動機控制繼電器盒37 W和38 W原理圖

從圖10中可以看出，37 W繼電器和38 W繼電器的供電正端與b-AA(FD繼電器盒插座b的AA插針，下同)相連，其供電負(fù)端分別與b-t和b-v相連，采用兩組如圖7所示的供電電路就能實現(xiàn)37 W和38 W的單獨供電，當(dāng)對其中一個器件通斷電操作時，不會影響另一器件。

37 W一組觸點的公共端點與b-u連接，其常開閉點和38 W一組觸點公共端點一起與b-NN相連，38 W的常閉觸點與b-w相連。此三端點均未與繼電器的電源正或電源負(fù)相連，屬于本文第3.2節(jié)中所列的第三類情況，依據(jù)上文分析，測試電路可對37 W和38 W的兩組觸點的通斷情況進(jìn)行檢測。

5.2　實測結(jié)果分析

將37 W繼電器電源端的通斷電狀態(tài)標(biāo)記為A，38 W繼電器電源端通斷電狀態(tài)標(biāo)記為B，37 W一對常開觸點3-5的通斷狀態(tài)標(biāo)記為C，38 W的常閉觸點A2-A3的通斷狀態(tài)標(biāo)記為D，用“0”代表斷路，用“1”代表通路?？梢钥闯?7 W和38 W工作正常時，其組合狀態(tài)下存在表1所示的邏輯關(guān)系。

表1　37 W和38 W正常通斷邏輯

使用自動測試設(shè)備對37 W和38 W的四種組合狀態(tài)進(jìn)行測試，測試軟件顯示的測試結(jié)果分別如圖11中(a)，(b)，(c)，(d)所示。圖11中下框的數(shù)值表示繼電器通電狀態(tài)，“0”表示斷電，“1”表示通電。上框中的數(shù)值表示測試點的通斷狀態(tài)，“0”表示斷路，“1”表示導(dǎo)通，框底色表示測試結(jié)果，綠色(圖中顯示為淺灰色)表示“正?！?，紅色(圖中顯示為深灰色)表示“故障”。

圖11　繼電器正常工作時測試設(shè)備實測結(jié)果

從圖11中可以看出，37 W和38 W正常工作時，使用測試設(shè)備測試的結(jié)果與表1所示的通斷邏輯一致，觸點狀態(tài)框底色也均為綠色(淺灰色)，表明37 W和38 W邏輯功能正常。為驗證測試設(shè)備的故障診斷能力，將b-NN與37 W的常開觸點“5”斷開，此時，37 W和38 W組合狀態(tài)下存在表2所示的邏輯關(guān)系。

再次使用自動測試儀對37 W和38 W的四種組合狀態(tài)進(jìn)行測試，測試軟件顯示的測試結(jié)果分別如圖

12中(a)，(b)，(c)，(d)所示。從圖12中可以看出，37 W的常閉觸點“5”在37 W通電時“無法閉合”。測試結(jié)果與表2所示通斷邏輯一致，37 W觸點狀態(tài)底色在器件通電時為紅色(深灰色)，表明37 W邏輯功能不正常，測試設(shè)備對37 W的故障部位進(jìn)行了定位。

表2　37 W和38 W故障通斷邏輯

圖12　繼電器故障時測試設(shè)備實測結(jié)果

6結(jié)論

1)本文中，繼電器盒內(nèi)復(fù)雜的繼電器線路被巧妙地分解為三類基本連線方式，并采用同一供電電路和測試電路同時滿足三類連線方式的邏輯測試。

2)供電電路中，分別通過N溝道和P溝道的兩個COMSFET同時控制供電電源和地的通斷，避免供電端點作為測試端點時發(fā)生短路危險。

3)利用現(xiàn)代信息技術(shù)將先進(jìn)的軟硬件技術(shù)進(jìn)行集成，實現(xiàn)了對兩型繼電器盒邏輯功能全面、準(zhǔn)確的測試及故障定位；自動測試耗時不到2 min，大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗等環(huán)節(jié)測試時間，提高了生產(chǎn)和試驗過程中的測試效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 田庚，楊文杰，楊繼恩.飛機繼電器盒邏輯測試關(guān)系及測試方法研究[J] .信陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，15(3)：294-296.

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Research on Auto-test Equipment of Relay Boxes

WANG Yi，WANG Yanlei，GAO Guangbo，CAO Long，BA Ruizhang

(AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China)

Abstract：A certain helicopter’s relay boxes contain a large number of relays and most of the relays don’t use independent power supply.As a consequence，it is inconvenient to do tests and experiments manually.To overcome this，a new automatic test device is designed，which integrates multiple mature and advanced techniques，including software techniques and hardware techniques.Using this new test device，logical functions of each unit of the relay boxes can be accurately tested and faults can be precisely located.

Key words：helicopter；relay box；auto-test

作者簡介：王益(1981-)，男，湖北洪湖人，高級工程師，主要從事光電系統(tǒng)測試技術(shù)以及機載電子設(shè)備開發(fā)和相關(guān)測試技術(shù)等方面的研究。

收稿日期：2015-08-25

中圖分類號：TB97；TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)05-0044-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.10