鄭久壽，徐 ，劉 帥，夏德天

(中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068)

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一種多功能航空測試設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068)

針對某航空電子產(chǎn)品需求，設(shè)計(jì)了一種多功能測試設(shè)備，詳細(xì)描述了測試設(shè)備的總體設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)論述；測試設(shè)備采用了虛擬儀器技術(shù)，利用基于組件模型的開發(fā)方法，合理劃分組件，有效提高了測試設(shè)備及構(gòu)件的通用性和重用性，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期；該測試設(shè)備已應(yīng)用于某航空電子產(chǎn)品的產(chǎn)品調(diào)試、交付驗(yàn)收、故障排除；經(jīng)過使用后證明，測試設(shè)備的軟/硬件設(shè)計(jì)合理、自動(dòng)化程度高、工作穩(wěn)定可靠。

多功能；虛擬儀器技術(shù)；測試設(shè)備；組件

0 引言

隨著航空技術(shù)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，航空電子設(shè)備向數(shù)字化、綜合化、自動(dòng)化、智能化的方向快速發(fā)展[1]。對于上述航空電子裝備，不僅需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行周密、完備設(shè)計(jì)，更需要進(jìn)行完整、細(xì)致測試，確保交付產(chǎn)品工作正常、可靠。一般而言，測試工作包括調(diào)試階段的測試、交付試驗(yàn)階段測試、驗(yàn)收測試、以及鐵鳥臺架環(huán)境的驗(yàn)收測試。

另一方面，由于航空電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，功能日益強(qiáng)大，隨之而來的是裝備的維修難度越來越大，“木桶-短板效應(yīng)”現(xiàn)象越來越明顯，甚至可以說，已經(jīng)成為提高裝備完好率和飛機(jī)出勤率的主要瓶頸之一[2]。從提高電子設(shè)備維修效率，降低維修難度的角度來看，也迫切需要能夠盡可能真實(shí)模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，并具備故障診斷、定位功能的測試設(shè)備。

本文針對某航空電子設(shè)備實(shí)際測試需求，提出了一種基于組件模型采用虛擬儀器技術(shù)的方法，設(shè)計(jì)出一種多功能航空測試設(shè)備，能模擬電子設(shè)備實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，滿足了該航空電子設(shè)備在產(chǎn)品調(diào)試、交付試驗(yàn)、驗(yàn)收、系統(tǒng)聯(lián)試、故障排除中的測試要求，提高了測試效率，避免了測試設(shè)備重復(fù)帶來的資源浪費(fèi)，節(jié)約了人力資源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求

某航空測試設(shè)備主要用于被測產(chǎn)品的調(diào)試、交付試驗(yàn)、驗(yàn)收、系統(tǒng)聯(lián)試、及故障排除。當(dāng)進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試時(shí)，測試設(shè)備應(yīng)能提供信號激勵(lì)，并對產(chǎn)品輸出結(jié)果進(jìn)行顯示等。產(chǎn)品進(jìn)行交付試驗(yàn)時(shí)，測試設(shè)備應(yīng)能提供一鍵測試功能，并能保存測試結(jié)果，生成規(guī)范的測試結(jié)果報(bào)表。系統(tǒng)聯(lián)試時(shí)，當(dāng)被測產(chǎn)品與真實(shí)交聯(lián)設(shè)備進(jìn)行連接時(shí)，測試設(shè)備應(yīng)能監(jiān)控、記錄被測產(chǎn)品與外圍系統(tǒng)間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示。測試設(shè)備應(yīng)用模擬真實(shí)的使用環(huán)境，并對關(guān)鍵數(shù)據(jù)及狀態(tài)進(jìn)行顯示。

為確保測試設(shè)備測試項(xiàng)目的覆蓋率，保證測試設(shè)備能滿足系統(tǒng)在試驗(yàn)、驗(yàn)收、排故等方面的既定要求，本文對所設(shè)計(jì)的測試設(shè)備提出如下需求：

1)在被測產(chǎn)品與外圍系統(tǒng)設(shè)備通過測試設(shè)備交聯(lián)的情況下，能夠監(jiān)控、記錄被測產(chǎn)品與外圍系統(tǒng)間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并可實(shí)時(shí)顯示；

2)能夠?qū)ψ陨砉δ苓M(jìn)行自檢，并顯示自檢結(jié)果;

3)可對被測產(chǎn)品進(jìn)行一鍵測試，所有測試完成后顯示測試結(jié)果；

4)能夠模擬與被測產(chǎn)品交聯(lián)的外圍系統(tǒng)設(shè)備的各種信號，并控制其工作狀態(tài)，完成各類控制功能的測試；

5)能夠?qū)y試結(jié)果進(jìn)行記錄、分析、圖形化顯示并存儲(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于上述系統(tǒng)需求，本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：以PXI計(jì)算機(jī)為硬件平臺核心，采用LabVIEW工具開發(fā)控制邏輯及界面顯示，其工作原理：駐留在PXI計(jì)算機(jī)上的測試軟件，通過PXI總線驅(qū)動(dòng)各測試模塊，由硬件產(chǎn)生被測產(chǎn)品所需的信號激勵(lì)，完成被測產(chǎn)品所輸出信號的采集和測量，由軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析和處理，利用計(jì)算機(jī)顯示器來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，并形象直觀地表達(dá)出測試結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)被測產(chǎn)品的各項(xiàng)測試。

測試設(shè)備有兩種可切換工作模式：機(jī)載模式和仿真模式。當(dāng)工作在機(jī)載模式，測試設(shè)備將系統(tǒng)傳感器和手柄等外部部件與被測產(chǎn)品之間的交聯(lián)信號進(jìn)行斷連處理，對斷連信號進(jìn)行監(jiān)控、顯示，并將監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、記錄。當(dāng)切換到仿真模式，測試設(shè)備不再接收外部傳感器和手柄等信號，而是由測試設(shè)備仿真手柄、系統(tǒng)傳感器等信號，與被測產(chǎn)品進(jìn)行信號交聯(lián)。并且在仿真模式下，測試設(shè)備軟件與被測產(chǎn)品軟件進(jìn)行配合，由測試設(shè)備提供被測產(chǎn)品測試所需外部條件，從被測產(chǎn)品讀取測試結(jié)果并處理，實(shí)現(xiàn)被測產(chǎn)品的一鍵測試。

為滿足被測產(chǎn)品的測試需求，測試設(shè)備具備下列接口功能：提供12路7 V 1 800 Hz RVDT信號交流輸出；提供60路離散量輸出；提供20路離散量采集；提供2路0～5 V模擬量輸出；提供24路模擬量采集；提供4路0～3 kHz方波信號輸出；提供8路全雙工422總線通訊；提供12路429總線通訊，分別為6路發(fā)送和6路接收；提供8路232總線通訊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

測試設(shè)備由一臺19英寸38U高的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜組成。機(jī)柜前面板包括：標(biāo)牌、電流電壓顯示及開關(guān)控制面板、信號斷點(diǎn)板、開關(guān)切換板、主控計(jì)算機(jī)顯示器、信號調(diào)理箱、鍵盤鼠標(biāo)抽屜、主控計(jì)算機(jī)、Nport串口服務(wù)器等。其硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試設(shè)備硬件架構(gòu)

其中，信號調(diào)理箱完成模擬信號的轉(zhuǎn)接、幅值調(diào)整、信號變換，數(shù)字信號的整形和電平轉(zhuǎn)換，電源激勵(lì)的隔離和變換，提供模擬負(fù)載等功能，使得仿真信號與實(shí)際機(jī)載設(shè)備信號電氣特性一致。開關(guān)切換模塊的主要功能是提供機(jī)載和仿真模式的切換。當(dāng)處于機(jī)載模式時(shí)外部系統(tǒng)設(shè)備與被測產(chǎn)品進(jìn)行信號交聯(lián)，切換到仿真模式時(shí)PXI計(jì)算機(jī)與被測產(chǎn)品進(jìn)行信號交聯(lián)。信號斷連板的功能是提供信號斷連，便于對斷連信號進(jìn)行測量、監(jiān)控等。PXI集成機(jī)箱內(nèi)插各種板卡包括RVDT模擬卡、429板卡、離散量板卡等，當(dāng)處于仿真模式時(shí)，由上述板卡模擬產(chǎn)生所需的RVDT、429總線、離散量輸入輸出等信號。PXI集成機(jī)箱與主控計(jì)算機(jī)通過光纖信號進(jìn)行交聯(lián)。在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，PXI工控機(jī)是核心，當(dāng)測試設(shè)備處于機(jī)載模式時(shí)，外部系統(tǒng)設(shè)備通過開關(guān)切換模塊、信號斷連板與被測產(chǎn)品直接進(jìn)行信號交聯(lián)，通過信號斷連板上的測試點(diǎn)可實(shí)時(shí)監(jiān)控交聯(lián)信號的狀態(tài)。當(dāng)測試設(shè)備處于仿真模式時(shí)，由PXI計(jì)算機(jī)模擬仿真各種信號源如RVDT模擬量、離散量、429數(shù)據(jù)、422數(shù)據(jù)、232數(shù)據(jù)等。仿真數(shù)據(jù)經(jīng)信號調(diào)理箱調(diào)理成與被測產(chǎn)品匹配的各種信號，通過開關(guān)切換模塊、信號斷連板與被測產(chǎn)品交聯(lián)。PXI計(jì)算機(jī)接收來自被測產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信號與上述過程通路一致，但信號流向相反。

2.2 RVDT模塊設(shè)計(jì)

RVDT信號是被測產(chǎn)品重要的外圍交聯(lián)信號。按照設(shè)計(jì)需求，測試設(shè)備需實(shí)現(xiàn)多路RVDT信號，且輸出及和值電壓值不盡相同，沒有現(xiàn)成貨架產(chǎn)品可直接采用。為滿足需求采用自研模塊的方式實(shí)現(xiàn)。

自研RVDT板卡由母板和子板構(gòu)成，通過兩個(gè)PMC64連接器直插連接。母板負(fù)責(zé)PXI總線控制并發(fā)送DA信號給子板，子板接收DA信號，完成RVDT仿真信號的輸出。母板結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 RVDT板卡母板功能框圖

其中PCI9054實(shí)現(xiàn)PXI總線與PCI總線的轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA完成本地邏輯譯碼，EEPROM保存參數(shù)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)。DA1和DA2為用戶界面輸入數(shù)據(jù)，分別表示RVDT信號對應(yīng)的和值和角度參數(shù)。數(shù)據(jù)傳遞給母板后，經(jīng)過PXI總線到PCI總線轉(zhuǎn)換及本地邏輯譯碼后，通過PMC連接器傳給子板模塊。

圖3為RVDT板卡子板功能框圖。

圖3 RVDT子板功能圖

其中激磁輸入由被測產(chǎn)品提供，DA1和DA2信號經(jīng)過RVDT子板的內(nèi)部運(yùn)算可仿真計(jì)算出RVDT信號的高端和低端電壓。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思想

測試軟件的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有檢測功能的重要保證，同時(shí)也是提高測試設(shè)備性能的載體，在整個(gè)測試設(shè)備的研制中占有很重要的地位[3]。本測試設(shè)備軟件采用基于組件模型的方法進(jìn)行開發(fā)。在全面分析系統(tǒng)需求和定義的基礎(chǔ)上，合理劃分組件單元。對于成熟組件可直接從組件庫中提取使用，對于功能明確且適合劃分成組件的功能開發(fā)成新組件。因此，基于組件模型的軟件開發(fā)過程實(shí)際上就是開發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件、開發(fā)新組件、利用成熟組件的過程[4]。在實(shí)際開發(fā)中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)的重點(diǎn)是系統(tǒng)集成框架的開發(fā)。通過集成框架，可以把選擇的組件和新開發(fā)的組件組裝成一個(gè)有機(jī)的整體。整個(gè)開發(fā)流程見圖4。程序采用WindowsXP系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫使用Microsoft Office Access2007保存配置信息，使用LabVIEW2012開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)，它提供的圖形化編程語言大大提高了開發(fā)人員的工作效率[5]。

圖4 軟件總體設(shè)計(jì)思想

3.2 組件劃分

組件是軟件系統(tǒng)中具有相對獨(dú)立功能的軟件實(shí)體，合理的劃分組件，有利于組件的復(fù)用和實(shí)現(xiàn)，以及系統(tǒng)的配置管理。組件粒度越大，其復(fù)用程度就越高，但實(shí)現(xiàn)和理解組件就相對困難，重用難度加大[6]；粒度越小，組件越易于復(fù)用，但管理組件等代價(jià)將增大，甚至大于復(fù)用帶來的好處。劃分組件時(shí)應(yīng)從功能模塊的完整性、高內(nèi)聚和低耦合性等方面出發(fā)。依據(jù)重用原則、閉包原則、單人組件原則、消息傳遞原則，將測試設(shè)備組件劃分如圖5所示。

圖5 測試設(shè)備軟件組件劃分

其中用戶管理組件主要完成用戶身份的驗(yàn)證、用戶的增加、刪除、修改、查詢等功能?？赏ㄟ^不同的用戶身份進(jìn)入不同的系統(tǒng)測試操作方式。比如，調(diào)試、測試、聯(lián)調(diào)等都有不同的操作權(quán)限。系統(tǒng)自檢組件完成設(shè)備及板卡的自檢測功能，并能給出測試結(jié)果。系統(tǒng)校準(zhǔn)組件提供測試設(shè)備各種信號的校準(zhǔn)功能，并將校準(zhǔn)結(jié)果保存到資源配置庫中?？偩€解析組件將測試設(shè)備所需處理的總線信號如429總線、422總線、232總線進(jìn)行解析并將解析結(jié)果通過組件接口傳遞，供系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)用。數(shù)據(jù)管理組件主要功能是保存測試數(shù)據(jù)并按固定格式生成測試報(bào)表。

3.3 軟件編程方法

基于組件模型的軟件編程和傳統(tǒng)軟件編程方法不同，系統(tǒng)開發(fā)不再采用一切“從零開始”的模式，充分利用過去應(yīng)用開發(fā)中積累的知識和經(jīng)驗(yàn)，只需重點(diǎn)關(guān)注每個(gè)應(yīng)用的特殊性。

具體到本測試設(shè)備軟件開發(fā)，其工作可以概括為：從組件庫中提取可用組件、根據(jù)需求開發(fā)新組件、根據(jù)系統(tǒng)需求編寫“粘連”代碼。

可重用組件：用戶管理、系統(tǒng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理組件。由于上述組件功能具有通用性，且現(xiàn)有組件庫中已存在，可直接從組件庫中提取使用，在使用過程中按照組件已定義的接口進(jìn)行調(diào)用。

新開發(fā)組件：系統(tǒng)自檢、總線解析組件。不同測試設(shè)備對應(yīng)的硬件資源不同，因此需針對具體測試設(shè)備開發(fā)系統(tǒng)自檢組件，并定義好組件調(diào)用接口?？偩€解析組件的主要功能是根據(jù)系統(tǒng)要求對總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、封裝等。由于該部分功能較為獨(dú)立，可開發(fā)成新組件，供系統(tǒng)軟件調(diào)用。后續(xù)測試測試如有類似功能，可調(diào)用該組件。

“粘連”代碼：系統(tǒng)需求除可重用組件及新開發(fā)組件已實(shí)現(xiàn)的功能外均由“粘連”代碼實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能通過“粘連”代碼將可重用組件及新開發(fā)組件串聯(lián)起來最終實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備的系統(tǒng)功能。

3.4 系統(tǒng)測試流程

系統(tǒng)的整體測試流程如圖6所示。

圖6 測試流程圖

測試系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行登錄確認(rèn)，通過登錄后進(jìn)行測試設(shè)備自檢測。如果自檢正確，系統(tǒng)進(jìn)行測試主流程。完成自檢后，根據(jù)用戶選擇測試設(shè)備可進(jìn)入不同測試場景。如果用戶選擇序列測試，測試設(shè)備將按預(yù)先設(shè)定好的測試流程完成系統(tǒng)一鍵測試。如果用戶選擇單項(xiàng)測試，可進(jìn)一步選擇單項(xiàng)自動(dòng)測試或單項(xiàng)手動(dòng)測試。所有測試完成后，測試設(shè)備可根據(jù)用戶選擇，決定是否顯示測試結(jié)果，生成測試報(bào)表。完成所有測試及顯示后，被測產(chǎn)品下電，整個(gè)測試結(jié)束。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

測試設(shè)備研制完成后進(jìn)行了一系列試驗(yàn)以驗(yàn)證其是否達(dá)到了預(yù)期的功能性能要求。

1)系統(tǒng)聯(lián)試功能。測試設(shè)備通過信號斷連板將被測產(chǎn)品所有與外部設(shè)備交聯(lián)的信號引出，并按照機(jī)上實(shí)際的連接關(guān)系連接到對應(yīng)的連接器。當(dāng)外接交聯(lián)設(shè)備，將測試設(shè)備切換至機(jī)載模式，被測產(chǎn)品與外部交聯(lián)設(shè)備能正常進(jìn)行交聯(lián)工作，并可通過測試設(shè)備監(jiān)測關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)交聯(lián)設(shè)備不具備時(shí)，通過將測試設(shè)備切換至仿真模式，也能實(shí)現(xiàn)被測產(chǎn)品與外部交聯(lián)設(shè)備的虛擬聯(lián)調(diào)。

2)一鍵測試功能。當(dāng)測試設(shè)備與被測產(chǎn)品安裝固定后，將測試設(shè)備切換至一鍵測試模式，啟動(dòng)被測產(chǎn)品的自動(dòng)測試，當(dāng)測試完成后測試設(shè)備能將測試內(nèi)容進(jìn)行存儲(chǔ)，并將測試結(jié)果按照預(yù)先設(shè)定格式生成試驗(yàn)報(bào)告。

3)協(xié)助故障定位、排除功能。測試設(shè)備具備多種協(xié)助故障定位、排除手段。通過一鍵測試功能，可對被測產(chǎn)品進(jìn)行初步故障定位。測試設(shè)備的信號仿真功能可進(jìn)行對被測產(chǎn)品施加激勵(lì)，觸發(fā)故障復(fù)現(xiàn)等。通過測試設(shè)備降低了故障定位、排查的難度，加快了故障排除的進(jìn)度。

4)設(shè)備自檢功能。測試設(shè)備上電后，自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備自檢。自檢結(jié)束后，如果無故障用戶可進(jìn)行下一步操作，如果有故障則顯示具體故障代碼，禁止用戶進(jìn)一步操作，有效的保證了操作的安全性。

通過上述試驗(yàn)證明，基于組件模型開發(fā)的多功能航空測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，能夠滿足被測產(chǎn)品在產(chǎn)品調(diào)試、交付試驗(yàn)、驗(yàn)收、系統(tǒng)聯(lián)試、故障排除中的測試要求。

5 結(jié)束語

本文從實(shí)際使用需求出發(fā)，基于組件模型和虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)方法，研制出多功能航空測試設(shè)備。該測試設(shè)備已成功應(yīng)用于某航空產(chǎn)品調(diào)試、試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)、排故等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，避免了各個(gè)環(huán)節(jié)重復(fù)開發(fā)設(shè)備造成的浪費(fèi)。

經(jīng)過使用后證明，該測試設(shè)備的軟/硬件設(shè)計(jì)合理、自動(dòng)化程度高、工作穩(wěn)定可靠、操作方便，能滿足該航空電子產(chǎn)品的多種測試需求。

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Design and Implement of Multifunctional Test Equipment for Aviation Electronic Equipment

Zheng Jiushou，Xu Ao, Liu Shuai, Xia Detian

(Aeronautic Computing Technique Research Institute , Xi’an 710068, China)

In order to meet the requirements of aviation electronic equipment, the article designs a kind of multi-functional test equipment. It describes overall, hardware and software design of the test equipment in detail and discuss the key technologies about it. The test equipment uses virtual instrument technology basing on component, divides into the components in a proper way. Through this way, it improves the universality and reusability and shortens the development period. It has been applied into a kind of aviation electronic equipment for debugging test, the environmental test and acceptance etc. It proves that the hardware and software design of test equipment is reasonable and the degree of automation is high with high reliability.

multi-functional；virtual instrument technology；test equipment；component

2016-03-15；

2016-04-12。

鄭久壽(1983- )，男，安徽安慶人，碩士研究生，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)及軟件工程方向的研究。

1671-4598(2016)09-0032-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.009

TP273

A