錢 偉，王海斌，楊 江

（中國民用航空飛行學(xué)院 飛機修理廠，廣漢618300）

隨著航空技術(shù)的發(fā)展和需要，基于大規(guī)模集成電路、微處理機、總線傳輸接口技術(shù)及多路切換技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機駕駛艙普遍用數(shù)字式顯示計算機替代以往機電式顯示儀表如地平儀、航道羅盤、電動高度表、馬赫空速表等，并將飛行、導(dǎo)航等大量信息進行綜合，形成電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）。EFIS主要顯示內(nèi)容包括主飛行顯示參數(shù)：如飛機姿態(tài)、高度信息、速度信息、A/P和A/T銜接狀態(tài)及工作方式、重要的警告信息；主要導(dǎo)航信息：包括各種導(dǎo)航參數(shù)與飛行計劃、系統(tǒng)故障信息等。這些數(shù)據(jù)信息主要通過 RS232、RS485、Arinc429、以及以太總線接口技術(shù)與航電系統(tǒng)其它部件進行交聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)。飛行駕駛員通過EFIS顯示信息實時地對飛機工作狀態(tài)進行全過程操控，因此EFIS系統(tǒng)失效對于飛行安全影響很大。

如何實現(xiàn)對EFIS系統(tǒng)進行快速準(zhǔn)確的性能測試及完成相應(yīng)的故障自動診斷一直是航空維修領(lǐng)域研究的熱點，自從20世紀(jì)80年代以來，文獻[1]開始航空總線測試相關(guān)的研究。近年來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，功能更先進的總線測試裝備被相繼開發(fā)[2-3]，但是大多數(shù)測試平臺存在通用性差、可繼承性差的問題[4]，而西方國家應(yīng)用各類總線技術(shù)開展的裝備測試技術(shù)具有自動化程度高、實用性強、擴展能力好等優(yōu)點[5-8]。對于航空維修單位通常需要面對多種型號EFIS設(shè)備，如何設(shè)計實現(xiàn)一種適用于多種型號EFIS設(shè)備的測試平臺對于提高測試平臺的通用性與維修效率意義重大。

針對上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計了基于虛擬儀器的機載EFIS系統(tǒng)測試平臺。該平臺能夠?qū)Ρ粶y設(shè)備性能進行記錄及故障判斷，具有檢測自動化程度高、通用性好、測試效率高、故障自動辨識等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

自動測試平臺的設(shè)計主要分為硬件平臺與軟件平臺的實現(xiàn)，硬件平臺提供測試所需的物理資源接口，主要由計算機，繼電器控制板，通訊板卡，UUT適配器接口、連接電纜，程控電源，外置通用儀器（提供EFIS信號、導(dǎo)航信號、音頻信號等標(biāo)準(zhǔn)信號源以及電氣參數(shù)測量、信號完整性分析等功能的儀器設(shè)備）構(gòu)成。軟件平臺利用虛擬儀器軟件LabVIEW實現(xiàn)測試界面設(shè)計、總線協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、測試流程實現(xiàn)、測試結(jié)果分析，故障自動診斷，資源配置（包括啟動電源適配模塊，調(diào)用外部測試計量通用儀器、信道切換等）等功能。為了實現(xiàn)對多型號EFIS系統(tǒng)的測試，設(shè)計了多種被測設(shè)備接口，為了方便測試結(jié)果的存儲、打印及后續(xù)測試擴展，系統(tǒng)預(yù)留了VXI接口與USB接口。測試平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試平臺總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of auto test platform

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個測試平臺以工控計算機為核心，采用研華工控機通過總線方式與各物理資源和被測設(shè)備進行通訊連接，內(nèi)置了PCI總線、GPIB總線、IEEE1394總線、VXI總線及USB串行總線等接口。通過PCI接口連接航空專用Arinc429總線通訊板卡，RS232/RS485串行通訊板卡以及AD/DA數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡實現(xiàn)與被測試件的通訊以及相應(yīng)的信號控制、數(shù)據(jù)讀取與協(xié)議轉(zhuǎn)換，利用AD/DA數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡實現(xiàn)內(nèi)部虛擬信號源與虛擬示波器，以減少外部設(shè)備需求，節(jié)約測試成本。

GPIB（general purpose interface bus）總線是程控儀器與控制儀器常用標(biāo)準(zhǔn)接口，測試平臺通過GPIB總線調(diào)用所需的外部通用儀器資源，包括調(diào)用射頻信號源、多功能萬用表、GPS模擬器、Arinc429數(shù)據(jù)發(fā)生器、波形發(fā)生器、示波器、通訊/導(dǎo)航綜合測試儀等。

通過VXI總線對相應(yīng)控制器模塊、數(shù)字I/O板卡、32×24路繼電器矩陣開關(guān)板進行控制，以實現(xiàn)對信道資源、電源適配器的多路切換，以減少測控電纜的數(shù)量，還可對系統(tǒng)連接板上的各路電信號進行自定義，滿足后續(xù)的擴展需求。

測試平臺接口板與被測設(shè)備之間設(shè)計了國內(nèi)通用航空常裝備的幾類EFIS設(shè)備的接口測試電纜，在測試過程中根據(jù)需要進行選用。接口板共設(shè)計了420路插針接口，現(xiàn)有的需求占用了220路插針，預(yù)留200路插針為以后擴展使用，該冗余設(shè)計可以適應(yīng)不斷增加的其它類型EFIS設(shè)備的接口需求。

通過系統(tǒng)USB串行數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的儲存和打印，只需要安裝相應(yīng)驅(qū)動即可使用。系統(tǒng)的測試硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測試平臺硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Test platform hardware structure diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件平臺

LabVIEW是NI公司研制基于圖形化編輯語言Gui編寫而成的一種程序開發(fā)環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于測量及控制領(lǐng)域，并且集成了強大的函數(shù)庫可以被直接調(diào)用，還包括GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，因此平臺選擇以NI LabVIEW 2011為集成開發(fā)環(huán)境。

3.2 測試程序構(gòu)架

測試平臺所需完成的功能是能夠?qū)Χ嘈吞朎FIS系統(tǒng)進行自動性能測試以及根據(jù)被測設(shè)備的性能進行故障自動判別。程序設(shè)計按照模塊化設(shè)計思路在LabVIEW集成環(huán)境下進行了測試平臺軟件開發(fā)，主要包括驅(qū)動層設(shè)計及功能應(yīng)用模塊程序設(shè)計，如圖3所示。

圖3 測試程序軟件構(gòu)架Fig.3 Structure of test software

驅(qū)動層設(shè)計主要包括GPIB底層驅(qū)動，以及Arinc429，RS232/485 等通訊數(shù)據(jù)板卡驅(qū)動，便于在應(yīng)用模塊程序中進行調(diào)用。在LabVIEW內(nèi)部集成了大量可供調(diào)用的底層驅(qū)動庫函數(shù)，通過對Windows環(huán)境下DLL動態(tài)鏈接庫即可實現(xiàn)調(diào)用。對于EFIS模塊中的復(fù)雜虛擬顯示模塊，如飛行水平狀態(tài)指示器EHSI，它需要實時顯示EFISVOR方位，LOC/GS等導(dǎo)航參數(shù)信息，需要在集成開發(fā)環(huán)境下進行模塊開發(fā)，然后存儲到函數(shù)庫方便調(diào)用。數(shù)據(jù)庫用于記錄UUT的件號、序號信息，測試數(shù)據(jù)，故障信息等，平臺開發(fā)選用Access數(shù)據(jù)庫。在應(yīng)用模塊程序中設(shè)計了系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、性能測試模塊、故障診斷模塊、工作模式選擇模塊等。

系統(tǒng)自檢模塊用于驗證測試平臺硬件的可靠性，通過自檢程序產(chǎn)生測試指令對硬件系統(tǒng)的輸出響應(yīng)進行讀取，實現(xiàn)對測試平臺硬件平臺的狀態(tài)檢測。

模式選擇可以選擇設(shè)備的工作狀態(tài)，是進入自動測試模式還是進入人工半自動測試模式，方便對測試程序進行修正及對被測機件進行故障診斷。

最核心的模塊為性能測試模塊、故障診斷模塊及數(shù)據(jù)管理模塊，每個核心模塊下都可以選擇所需要測試的UUT類型子模塊，每個子模塊對應(yīng)的測試程序及參考合格參數(shù)都嚴(yán)格對應(yīng)維修大綱所要求的性能。

性能測試模塊通過調(diào)用GPIB儀器提供測試信號源及對響應(yīng)信號進行計量測試，通過數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)對UUT的遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)維修工作單所有的性能測試，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫的參考性能參數(shù)對每一項測試結(jié)果進行比對，以判斷性能是否合格。

測試軟件嵌入了基于知識的故障專家系統(tǒng)模塊，對被測故障UUT進行故障診斷。該故障診斷系統(tǒng)知識庫以維修中心現(xiàn)有的大量EFIS設(shè)備維修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行故障診斷，并設(shè)計有知識獲取模塊，隨著不斷增加案例，其故障診斷率將會逐漸提高。為了提高故障診斷率，在推理機中并行設(shè)計了貝葉斯概率統(tǒng)計的診斷算法，在實際應(yīng)用中能夠具有70%的故障診斷正確率。

測試數(shù)據(jù)管理模塊用于對數(shù)據(jù)進行存儲、打印、數(shù)據(jù)分析、測試報告生成等。

3.3 核心模塊程序

（1）GPIB 儀器驅(qū)動程序

LabVIEW集成了大部分知名測試儀器品牌如安捷倫、羅德施瓦茲、HP等廠家的測試計量儀器的GPIB驅(qū)動程序，以子VI的形式儲存于函數(shù)庫。在編寫程序時對各調(diào)用子VI進行配置即可實現(xiàn)測試儀器的程控。以測試中需要用到的羅德施瓦茲R&S 57綜合通訊測試儀的GPIB調(diào)用為例，其GPIB接口函數(shù)位于主菜單Functions目錄下Instrument I/O文件路徑中，分別調(diào)用GPIB Write和GPIB Read 2個子VI，完成對儀器GPIB接口的初始化。通過調(diào)用的子VI的前面板輸入窗口可以對參數(shù)進行讀寫配置，如設(shè)置所需要的信號源頻率、電平、選擇測試信噪比、失真度等，當(dāng)變換參數(shù)進行配置時，只需將所有參數(shù)按照測試流程加入循環(huán)延時函數(shù)寫入子VI即可滿足自動測試需要。

（2）性能檢測程序

性能檢測程序是通過改變輸入?yún)?shù)及切換UUT工作狀態(tài)進行性能參數(shù)采集的過程。EFIS系統(tǒng)性能檢測主要分為控制功能測試與顯示測試，控制功能需要測試控制面板按鍵、旋鈕的切換功能、不同顯示方式以及參數(shù)設(shè)定功能是否正常。顯示測試主要用于測試各數(shù)據(jù)通道通訊是否正常，包括測試各種總線數(shù)據(jù)傳輸性能，顯示參數(shù)譯碼是否正確等。典型的EFIS系統(tǒng)性能檢測流程如圖4所示，每項測試相對獨立，測試時長用延時函數(shù)控制，完成所有測試所需時間約10 min。測試過程中每測試一項后將獲取的性能參數(shù)與數(shù)據(jù)庫的參考數(shù)據(jù)進行比對，對用Pass、Fail對每一項測試結(jié)果都進行標(biāo)識，從而判定UUT的狀態(tài)。

圖4 典型EFIS性能測試流程Fig.4 Typical EFIS system test flow chart

性能檢測需要對EFIS系統(tǒng)的各路輸出信號進行讀取、分析、譯碼，EFIS系統(tǒng)通訊協(xié)議信號主要包括 RS232、RS485、Arinc429、以太等格式數(shù)據(jù)。 其中Arinc429總線協(xié)議主要用于設(shè)置工作參數(shù)、相關(guān)軟硬件配置及傳輸某些飛行參數(shù)。在LabVIEW提供的函數(shù)庫中沒有集成Arinc429協(xié)議數(shù)據(jù)的相關(guān)函數(shù)，為了方便LabVIEW進行數(shù)據(jù)讀寫，在計算機與被測設(shè)備之間利用Arinc429-PCI協(xié)議板卡對EFIS設(shè)備的Arinc429總線數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，計算機可以在LabVIEW內(nèi)部函數(shù)庫中直接調(diào)用PCI相關(guān)的功能模塊即可完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。RS232、RS485總線協(xié)議主要用于導(dǎo)航參數(shù)指示，飛機姿態(tài)與高度、速度信息；以太數(shù)據(jù)作為冗余備份通道用以增加飛行數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。相關(guān)總線函數(shù)模塊可直接在LabVIEW函數(shù)庫中調(diào)用。

4 測試流程與故障診斷流程

測試軟件流程如圖5所示，啟動系統(tǒng)后，首先運行系統(tǒng)自檢程序，檢測相關(guān)的硬件系統(tǒng)工作狀態(tài)是否良好，如果自檢通過系統(tǒng)將進入工作方式選擇頁面，包括數(shù)據(jù)管理、性能測試、故障診斷、工作模式選擇。實際的測試工作首先需要判斷相關(guān)的功能按鍵是否正常，此時需要選擇工作模式為人工測試模式，人工測試通過后再進入性能測試的自動測試頁面。進入自動性能測試頁面，選擇相應(yīng)的被測型號后系統(tǒng)將會自動對資源進行配置，點擊啟動性能測試即可完成如圖4的所有測試流程。測試過程中，計算機會將測試數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的參考數(shù)據(jù)進行比對，利用Pass和Fail對測試項性能進行標(biāo)識，測試完成后關(guān)閉資源并對測試數(shù)據(jù)進行存儲。

若被測設(shè)備性能測試未通過，則需要進行故障診斷。計算機人工智能的發(fā)展使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊理論、傳感器信息融合技術(shù)、粗糙集理論、小波包分析等人工智能技術(shù)開始被工程師應(yīng)用于電子電路智能故障診斷中[9-11]，本測試平臺設(shè)計了基于知識的專家故障診斷系統(tǒng)，主要由知識庫、推理機、知識獲取、人機交互界面、解釋器等幾個部分組成。故障診斷專家系統(tǒng)知識庫存儲有大量故障樣本作為專家知識庫，被測設(shè)備存在故障時，系統(tǒng)會從測試數(shù)據(jù)庫調(diào)用其故障性能數(shù)據(jù)與故障信息，然后檢索知識庫預(yù)報相應(yīng)的故障原因。為了改善推理機無法檢索到匹配故障樣本信息的情況，在故障推理機中并行設(shè)計了基于先驗概率的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷程序，各模塊的故障概率由維修歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計賦值。故障診斷流程如圖6所示。

圖5 測試軟件運行流程Fig.5 Test software running flow chart

圖6 故障診斷流程Fig.6 Fault diagnosis flow chart

5 結(jié)語

在實際維修過程中該測試平臺極大提高了EFIS系統(tǒng)的測試、排故效率，加快了維修周期，提高航材周轉(zhuǎn)率，產(chǎn)生工程價值的同時也帶來可觀的經(jīng)濟價值。同時，該測試平臺采用總線協(xié)議方式，對開發(fā)其它類別機載電子設(shè)備如機載測距機、收發(fā)機、應(yīng)答機、自動駕駛儀等部件提供了一個基本框架平臺，可以通過擴展軟硬件應(yīng)用到更多航電測試維修領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有的航電測試儀器擴展性能差的問題。通過實踐證明，在測試平臺中嵌入故障專家系統(tǒng)，通過錄入長期的維修經(jīng)驗數(shù)據(jù)能夠為維修人員提供可靠的故障定位，顯著提高排故效率。綜上所述，該測控平臺具有自動化測試程度高，故障識別率好，可擴展能力強的特點。

[1]王端.航空電子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)總線的進化演變[J].航空電子技術(shù)，1988（2）：13-21.

[2]孫寶江，秦紅磊，李潔，等.機載設(shè)備自動測試系統(tǒng)通用開發(fā)平臺[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2007，33（3）：327-331.

[3]杜里，張其善.電子裝備自動測試系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].計算機測量與控制，2009，17（6）：1019-1021.

[4]秦紅磊.機載雷達(dá)自動測試系統(tǒng)設(shè)計[J].測試技術(shù)學(xué)報，2003，17（3）：242-246.

[5]Park M C，Shin H G，Ha S W，et al.An integrated avionics test system for flight manipulation and simulation[C]//Computing and Convergence Technology（ICCCT），2012 7th International Conference on IEEE，2012：1147-1152.

[6]Nicolas F，Palluau P，Sentier O，et al.Comprehensive validation platform for complex aircraft avionics systems[C]//2013 International Conference on Advanced Computer Science and Electronics Information（ICACSEI 2013），2013.

[7]Tremblay J P，Savaria Y，Zhu G，et al.A hardware prototype for integration，test and validation of avionic networks[C]//Digital Avionics Systems Conference （DASC），2013 IEEE/AIAA 32nd.IEEE，2013：2D5-1-2D5-11.

[8]Sollman L C.Automation initialization of reconfigurable on-line automatic test system：U.S.Patent 4，630，224[P].1986-12-16.

[9]李潔，沈士團，孫寶江，等.航電設(shè)備故障診斷中的決策算法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2007，33（6）：677-681.

[10]方甲永，肖明清，王磊，等.基于歷史數(shù)據(jù)的測試任務(wù)約簡和故障診斷[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（1）：205-210.

[11]朱新宇，沈頌華.飛機電源系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，27（6）：706-708.