蔣國(guó)峰,周　剛,宋　一

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安　710072； 2.95965部隊(duì)，河北 故城　253800；3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)廣電設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng)　471000)

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某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備原位測(cè)試儀設(shè)計(jì)

蔣國(guó)峰1,周剛2,宋一3

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安710072； 2.95965部隊(duì)，河北 故城253800；3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)廣電設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng)471000)

摘要：針對(duì)某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備在外場(chǎng)的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了以PC-104為顯示、控制和數(shù)據(jù)處理核心，并擴(kuò)展程控?cái)?shù)字表、多通道矩陣板，構(gòu)建了原位測(cè)試儀的硬件電路；根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和硬件電路特性，利用LabWindows/CVI虛擬儀器平臺(tái)編制了人機(jī)接口界面和測(cè)試程序，控制硬件電路對(duì)某慣導(dǎo)設(shè)備的靜態(tài)電阻和在線(xiàn)電壓進(jìn)行測(cè)試，并接收、分析、處理慣導(dǎo)原位工作時(shí)輸出的實(shí)時(shí)串行數(shù)據(jù)，完成對(duì)慣導(dǎo)設(shè)備的靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備原位測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化和測(cè)試結(jié)果管理的智能化，提高了測(cè)試效率和精度；通過(guò)改變或控制測(cè)試儀器的類(lèi)別，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)多種性能指標(biāo)的測(cè)試；應(yīng)用結(jié)果表明，該測(cè)試儀具有性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用領(lǐng)域廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)測(cè)試; 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè); 原位測(cè)試; 虛擬儀器

0引言

慣導(dǎo)設(shè)備是飛機(jī)上重要的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，為保證其工作性能，當(dāng)更換設(shè)備后或進(jìn)行換季檢查時(shí)，需要檢測(cè)其測(cè)試接口的某些管腳在離線(xiàn)狀態(tài)下的23路靜態(tài)電阻，在線(xiàn)檢測(cè)其測(cè)試接口輸出的典型電壓信號(hào)，在線(xiàn)狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試接口輸出的串行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)設(shè)備的靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，完成對(duì)慣性導(dǎo)航設(shè)備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試[1]。目前，測(cè)試人員對(duì)靜態(tài)電阻的測(cè)試需要兩人配合逐對(duì)找準(zhǔn)測(cè)試接口電纜插座的46個(gè)管腳，利用萬(wàn)用表進(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)并手動(dòng)記錄測(cè)試結(jié)果，工作效率非常低下。因而，根據(jù)某慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)試接口測(cè)試需求和管腳信號(hào)定義，以PC-104為核心，通過(guò)擴(kuò)展程控?cái)?shù)字表、多通道矩陣開(kāi)關(guān)、數(shù)字IO模塊，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)?3路靜態(tài)電阻和6路在線(xiàn)電壓進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)慣導(dǎo)輸出串行數(shù)據(jù)的設(shè)備，可大大降低對(duì)操作人員技能要求，減輕人員工作負(fù)擔(dān)，使維護(hù)保障效率和保障能力得以大幅度提高。

1硬件設(shè)計(jì)

1.1硬件組成框圖及原理

根據(jù)系統(tǒng)的功能性能需求，并考慮到設(shè)備在外場(chǎng)使用要求的便攜性、低功耗等特點(diǎn)，選用PC-104為系統(tǒng)的顯示和控制核心，人機(jī)接口控制信號(hào)輸入采用觸摸屏和實(shí)體開(kāi)關(guān)相結(jié)合的方式[2-3]。根據(jù)某設(shè)備接口需要測(cè)試的電阻值包括2～5 Ω、12～25 Ω、144～200 Ω、600～200 000 Ω及動(dòng)態(tài)電壓的測(cè)試需求，測(cè)試儀器部分選用帶有程控接口的數(shù)字表，多通道切換采用矩陣板進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，PC-104通過(guò)擴(kuò)展數(shù)字IO接口實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣板多路信號(hào)通道的切換控制。其硬件組成原理如圖1所示。

圖1　電路硬件組成框圖

待測(cè)信號(hào)和電纜識(shí)別信號(hào)輸入矩陣開(kāi)關(guān)，PC-104根據(jù)人機(jī)接口輸入的控制信號(hào)，通過(guò)USB接口選擇待測(cè)信號(hào)輸入到程控?cái)?shù)字表進(jìn)行測(cè)試，并讀取測(cè)試結(jié)果。電纜識(shí)別信號(hào)用于測(cè)試電纜連接的正確性和測(cè)試系統(tǒng)的自檢，其原理就是將電纜的某兩個(gè)管腳接入固定阻值的電阻，通過(guò)測(cè)試該兩個(gè)管腳的電阻值進(jìn)行判斷電纜連接的正確性和系統(tǒng)的初步自檢情況。PC-104通過(guò)RS-232接口和被測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信，接收被測(cè)設(shè)備輸出的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、解讀后向操作者輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。電源電路主要用于將27V直流或者220V交流轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作所需的電壓，并完成電能的存儲(chǔ)，以保證系統(tǒng)在沒(méi)有外接電源時(shí)3小時(shí)的持續(xù)工作時(shí)間。

1.2數(shù)字IO

數(shù)字IO是PC-104控制矩陣開(kāi)關(guān)的橋梁，選用宏拓公司研制的采用光電隔離技術(shù)的32路開(kāi)關(guān)量輸出板HT-7507，它符合PC-104總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，適合于全系列工控機(jī)及兼容機(jī)或品牌機(jī)，它可以提供電平輸出，也可以提供功率輸出，其每一路輸出最大功率24 V/200 mA(或12 V/200 mA)，即可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥。各路輸出信號(hào)均具有鎖存功能，CPU通過(guò)OUT指令即可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，非常便于對(duì)由繼電器組成的多路矩陣板的控制。

1.3矩陣開(kāi)關(guān)

矩陣開(kāi)關(guān)采用32個(gè)雙刀雙擲繼電器組成的2×32路矩陣，由于HT-7507數(shù)字IO能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因而矩陣開(kāi)關(guān)電路只需將32個(gè)繼電器的公共觸點(diǎn)接在一起，即可實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)32對(duì)待測(cè)輸入信號(hào)的路由功能，將繼電器的公共觸點(diǎn)端接入程控?cái)?shù)字表，完成對(duì)32對(duì)信號(hào)的分時(shí)接入測(cè)試功能。

1.4程控?cái)?shù)字表

程控?cái)?shù)字表是測(cè)試儀的關(guān)鍵，它的測(cè)試速度和精度直接決定了測(cè)試過(guò)程和測(cè)試結(jié)果。根據(jù)某慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)試電阻要求精度高、測(cè)試量程范圍寬的特點(diǎn)，程控?cái)?shù)字表選用安捷倫公司生產(chǎn)的U1272A工業(yè)化手持式數(shù)字表，可通過(guò)USB程控接口與電腦相連，電阻測(cè)試具有30~300 MΩ的量程，測(cè)試精度可達(dá)到測(cè)試讀數(shù)的0.2%，測(cè)試速率較快，較好的滿(mǎn)足了高效、高精度且可以程控的測(cè)試需求。實(shí)際使用時(shí)，將該數(shù)字表嵌入測(cè)試儀面板，計(jì)算機(jī)既可以程控讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，以便于保存和處理，又便于人工監(jiān)視測(cè)試過(guò)程，確保測(cè)試過(guò)程和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.5電磁兼容性設(shè)計(jì)

由于要對(duì)慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行原位測(cè)試，因而，首先必須保證測(cè)試儀不能影響機(jī)上設(shè)備的工作特性和電磁兼容性，因而測(cè)試儀機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)的滿(mǎn)足外場(chǎng)電磁兼容特性的專(zhuān)用機(jī)箱，機(jī)箱外部的接插件均采用帶有濾波器的電纜連接件。用于在線(xiàn)測(cè)試慣導(dǎo)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的導(dǎo)線(xiàn)均采用屏蔽線(xiàn)；另外，在對(duì)矩陣開(kāi)關(guān)分配測(cè)試通道時(shí)，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特性，將相互易產(chǎn)生干擾的信號(hào)分配給間隔較遠(yuǎn)的通道，以減少相互之間的干擾。電源電路采用專(zhuān)用的屏蔽盒與系統(tǒng)進(jìn)行隔離，電源地、模擬地和數(shù)字地各自連接，最后進(jìn)行匯總，以減弱或避免通過(guò)地線(xiàn)進(jìn)行相互干擾的可能性。通過(guò)上述措施，較好的實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀與機(jī)上慣導(dǎo)之間的電磁兼容性設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和性能的穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1人機(jī)接口設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)利用LabWindows/CVI作為測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它提供了各種常用的虛擬儀器面板和類(lèi)似于C語(yǔ)言的編程環(huán)境，具有較好的人機(jī)交互能力和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。利用該平臺(tái)設(shè)計(jì)的某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備原位測(cè)試儀人機(jī)界面如圖2所示[4-5]。

圖2　人機(jī)界面圖

人機(jī)界面采用菜單式結(jié)構(gòu)，主要供操作者進(jìn)行選擇相應(yīng)的模式和狀態(tài)，包括測(cè)試設(shè)置、測(cè)試項(xiàng)目、數(shù)據(jù)管理和幫助等；其中測(cè)試設(shè)置包括測(cè)試人、測(cè)試機(jī)件號(hào)、退出等項(xiàng)；測(cè)試項(xiàng)目包括靜態(tài)電阻、在線(xiàn)電壓和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等，選擇不同的測(cè)試項(xiàng)目時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示相關(guān)注意事項(xiàng)，如圖2中，選擇測(cè)試靜態(tài)電阻，此時(shí)會(huì)彈出相應(yīng)的注意事項(xiàng)，確認(rèn)后方可進(jìn)行下一步的操作；數(shù)據(jù)管理包括打開(kāi)、保存、測(cè)試報(bào)告生成等項(xiàng)，主要用于打開(kāi)以往的測(cè)試數(shù)據(jù)、保存測(cè)試數(shù)據(jù)和按照格式生成相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告等項(xiàng)；主界面由測(cè)試項(xiàng)目表、測(cè)試儀器狀態(tài)、測(cè)試選擇等部分組成，測(cè)試項(xiàng)目表根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目菜單的選擇顯示相應(yīng)的內(nèi)容，如圖中顯示的是選擇靜態(tài)電阻測(cè)試時(shí)所顯示的項(xiàng)目表，同樣，當(dāng)選擇在線(xiàn)電壓或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)試項(xiàng)目表會(huì)顯示相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容。在靜態(tài)電阻測(cè)試項(xiàng)目表中，包括23路通道的測(cè)試值、參考值和測(cè)試結(jié)果選項(xiàng)，其中測(cè)試結(jié)果將自動(dòng)比較測(cè)試值與參考值之間的關(guān)系，若在參考范圍之內(nèi)，則顯示合格，否則用紅色字體突出顯示不合格，并給出故障原因及相應(yīng)的維護(hù)提示。測(cè)試儀器狀態(tài)指示包括測(cè)試儀器的電壓、電源、自檢結(jié)果和工作狀態(tài)，測(cè)試儀器狀態(tài)正常是保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，其中自檢指示燈用于指示程控?cái)?shù)字表的自檢狀態(tài)和測(cè)試電纜的識(shí)別狀態(tài)，若兩者均通過(guò)自檢，則顯示綠色，說(shuō)明可以進(jìn)行下一步測(cè)試；測(cè)試指示燈表示測(cè)試儀器是否處于測(cè)試狀態(tài)。測(cè)試選擇主要用于選擇手動(dòng)或自動(dòng)測(cè)試方式，若為手動(dòng)測(cè)試，則還需進(jìn)一步選擇測(cè)試通道，可以選擇1~23路中的某一路或者測(cè)試結(jié)果不合格的多路進(jìn)行測(cè)試，若選擇自動(dòng)測(cè)試，則將1~23路信號(hào)逐一進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果顯示在測(cè)試項(xiàng)目表中。

2.2軟件流程設(shè)計(jì)

為保證程序的可移植性和可維護(hù)性，軟件程序采用了子程序嵌套的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括測(cè)試子程序和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子程序。

圖3　測(cè)試主程序流程圖

測(cè)試主程序流程如圖3所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，包括PC-104自檢、程控?cái)?shù)字表自檢和測(cè)試連接自檢；若自檢全部通過(guò)，然后進(jìn)行測(cè)試設(shè)置、測(cè)試項(xiàng)目和數(shù)據(jù)管理的選擇，若選擇電阻或電壓測(cè)試，則開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試通道初始化，將測(cè)試通道計(jì)數(shù)器賦初始值0，接著判斷測(cè)試方式，若為自動(dòng)測(cè)試，則循環(huán)調(diào)用測(cè)試子程序?qū)⒏髀反郎y(cè)試通道逐一進(jìn)行測(cè)試；若為手動(dòng)測(cè)試，則將選擇的測(cè)試通道數(shù)值給n賦值，并將n數(shù)值傳遞給測(cè)試子程序完成選擇通道的測(cè)試。若選擇動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，則調(diào)用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)子程序，用于控制計(jì)算機(jī)串行接口接收、處理慣導(dǎo)輸出的串行數(shù)據(jù)。

測(cè)試子程序流程如圖4所示，主要根據(jù)測(cè)試通道數(shù)值n進(jìn)行測(cè)試通道的切換，控制數(shù)字表的工作狀態(tài)使其處于電阻測(cè)試模式，根據(jù)選擇的測(cè)試通道的參考值選擇測(cè)試量程，并根據(jù)線(xiàn)路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，最后將補(bǔ)償后的測(cè)試結(jié)果輸出到測(cè)試項(xiàng)目表中。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子程序如圖5所示，首先打開(kāi)串口，按照被測(cè)件串口通信協(xié)議要求設(shè)置串口的通信速率、校驗(yàn)方式、校驗(yàn)位數(shù)等參數(shù)，然后讀入被測(cè)件輸入的串口數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)的編碼格式和通信協(xié)議解讀串口數(shù)據(jù)，并將需顯示的數(shù)據(jù)輸出到屏幕上進(jìn)行顯示。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用該設(shè)備對(duì)某慣導(dǎo)設(shè)備在機(jī)上進(jìn)行了靜態(tài)電阻測(cè)試和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)23路靜態(tài)電阻測(cè)試用時(shí)需1人耗時(shí)約5分鐘，部分測(cè)試結(jié)果如表1所示，與以往手動(dòng)測(cè)試時(shí)需兩人配合且耗時(shí)20分鐘相比，測(cè)試效率提高了8倍(按人均耗時(shí)計(jì)算)。另外，還比較了慣導(dǎo)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與機(jī)上顯示控制系統(tǒng)顯示的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果均相同，驗(yàn)證了該測(cè)試儀監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性。

圖4　測(cè)試子程序流程圖

圖5　動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子程序流程圖

表1　某慣導(dǎo)設(shè)備靜態(tài)電阻測(cè)試結(jié)果表

利用PC-104為硬件電路核心和基于LabWindows/CVI虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)的某慣導(dǎo)設(shè)備原位檢測(cè)儀，硬件通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便，人機(jī)界面友好，適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定可靠，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可信，目前，該測(cè)試儀已推廣應(yīng)用到航空兵部隊(duì)外場(chǎng)、航修廠(chǎng)和大修廠(chǎng)等單位，取得了良好的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

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Design of In-situ ATE Used to Test Some Airborne INS

Jiang Guofeng1，Zhou Gang2，Song Yi3

(1.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University; Xi’an710072; 2.95965 PLA troops,Gucheng253800,China；3.Luoyang Institute of Electro-optical Devices of AVIC，Luoyang471000，China)

Abstract：The hardware of the in-situ testing system is designed based on PC-104 according to the external field test requirement for some airborne INS. The PC-104 is the core of the display and control and data processor of the in-situ testing system, and the program control digital-meter and multi-channel matrix circuit board are the other constituent part. The Lab Windows/CVI is used for UI and test program based on the requirement of function and the quality of hardware. The static resistance and in-situ voltage can be tested for static testing，and the serial output data of the INS can be received and analyzed and processed to be used for dynamic monitoring. The automation of testing procedure and management of the testing result are achieved. Efficiency and precision are improved greatly. More kinds of capabilities of multi-channel signal can be tested through changing or controlling the type of the test instrument. The testing system has been proved to have the characteristic of stabilization and conveniences and expansibility and universal property.

Keywords：static testing； dynamic monitoring； in-situ testing system; VI

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0130-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.035

中圖分類(lèi)號(hào)：274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：蔣國(guó)峰(1975-)，男，河南睢縣人，在讀博士，副教授，主要從事航空電子裝備的教學(xué)和檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)工作。

收稿日期：2015-09-07；修回日期：2015-10-10。