于智航，楊　暘，李　釧，許　薇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

平流層飛艇電源系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)

于智航，楊暘，李釧，許薇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

平流層飛艇電源系統(tǒng)電壓高、功率大、工作模式復(fù)雜，測(cè)試所需設(shè)備數(shù)量多、種類繁，采用手工操作設(shè)備的方式進(jìn)行測(cè)試效率低下，易出現(xiàn)誤操作，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。提出了一種以軟件為核心的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了通用設(shè)備及操作模型和接口，實(shí)現(xiàn)了各類測(cè)試設(shè)備的分布式運(yùn)行和集中控制，可按照預(yù)先設(shè)定的腳本自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試操作和結(jié)果判讀。闡述了測(cè)試平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理、體系結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。分析結(jié)果表明該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試過(guò)程精確、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，有效提高了測(cè)試效率，降低了測(cè)試成本和風(fēng)險(xiǎn)。

平流層飛艇；電源系統(tǒng)；自動(dòng)化測(cè)試；軟件

平流層飛艇是為滿足偵察監(jiān)視任務(wù)的需求而研制的，同時(shí)也可以作為一定空域的通訊平臺(tái)應(yīng)用，升空高度達(dá)到平流層，需要長(zhǎng)時(shí)間留空。為此其電源系統(tǒng)采用了太陽(yáng)電池陣/蓄電池組聯(lián)合供電、半調(diào)節(jié)母線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)電裝置為太陽(yáng)能薄膜電池，儲(chǔ)能裝置為鋰離子蓄電池組，通過(guò)能源管理器對(duì)母線進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，保證為飛艇各負(fù)載可靠供電。平流層飛艇電源系統(tǒng)額定功率近十萬(wàn)瓦，直流母線電壓達(dá)到幾百伏，蓄電池組由數(shù)百節(jié)單體電池組合構(gòu)成。

平流層飛艇電源系統(tǒng)如果采用手工操作各種儀器儀表的方式進(jìn)行測(cè)試，主要存在如下幾個(gè)問(wèn)題：(1)測(cè)試工序繁，測(cè)試過(guò)程中需要進(jìn)行大量的手工操作，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)效率低；(2)安全風(fēng)險(xiǎn)高，測(cè)試人員直接接觸高壓測(cè)試設(shè)備，稍有失誤人身和產(chǎn)品安全均會(huì)遭受威脅；(3)結(jié)果判讀難，需要測(cè)試的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)超過(guò)600個(gè)，無(wú)法依靠人工判讀；(4)測(cè)試精度差，由于操作、判讀等環(huán)節(jié)存在人為因素，操作執(zhí)行時(shí)間、讀數(shù)等精度指標(biāo)不能保證；(5)報(bào)告生成慢，需要測(cè)試完成后逐條整理測(cè)試記錄，難以及時(shí)形成測(cè)試報(bào)告。

為了解決上述難題，項(xiàng)目工程組自行設(shè)計(jì)搭建了一套自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了平流層飛艇電源系統(tǒng)功能、性能的自動(dòng)化測(cè)試。測(cè)試人員可以按需配置測(cè)試設(shè)備，將測(cè)試細(xì)則中一系列操作步驟、結(jié)果判斷條件及處理方式輸入系統(tǒng)，形成測(cè)試腳本。測(cè)試平臺(tái)可依次執(zhí)行腳本中各條命令，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果，自動(dòng)完成測(cè)試流程并輸出測(cè)試報(bào)告。航天產(chǎn)品相關(guān)測(cè)試規(guī)程制度規(guī)定，產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程需要雙崗執(zhí)行。為了遵從此項(xiàng)要求，同時(shí)考慮到測(cè)試中需要同時(shí)監(jiān)控多種測(cè)試設(shè)備，本測(cè)試平臺(tái)還具有網(wǎng)絡(luò)多用戶終端及用戶管理功能。

1　主要研究?jī)?nèi)容

1.1平流層飛艇電源系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境及原理

平流層飛艇電源系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境可分為被測(cè)產(chǎn)品、測(cè)試設(shè)備兩個(gè)主要部分。測(cè)試環(huán)境及連接方式如圖1所示。

如圖1，被測(cè)產(chǎn)品包括能源管理器、電源變換器(前DC和后DC)、母線功率開(kāi)關(guān)盒和蓄電池組。其功能分別為：

(1)能源管理器是電源系統(tǒng)的控制核心，可對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出的多余功率進(jìn)行分流調(diào)節(jié)、控制蓄電池組的充/放電、遙測(cè)/遙控智能管理，完成一次電源系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)能源供給子系統(tǒng)的測(cè)控功能。

(2)電源變換器用于對(duì)一次母線進(jìn)行二次變換，將一次母線電壓變換為直流28 V電壓，為飛艇低壓負(fù)載供電。

(3)母線功率開(kāi)關(guān)盒的功能主要是實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制功率母線的通斷和能源管理器二次電源加退電。

(4)蓄電池組是電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，在太陽(yáng)陣供電充足時(shí)充電，供電不足時(shí)放電，保證供電穩(wěn)定。

測(cè)試設(shè)備包括太陽(yáng)電池供電陣、充電陣，鋰離子蓄電池組、應(yīng)急電源，地面供電、測(cè)試上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集器。其中太陽(yáng)電池供電/充電陣、地面供電均采用高壓直流電源模擬；負(fù)載選用大功率高壓、低壓電子負(fù)載；應(yīng)急電源采用低壓直流電源；數(shù)據(jù)采集器配置為多路，監(jiān)測(cè)直接遙測(cè)測(cè)量；測(cè)試計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422接口與能源管理器連接，通過(guò)上位機(jī)軟件發(fā)送遙控指令并接收遙測(cè)數(shù)據(jù)。

飛艇電源系統(tǒng)電測(cè)試基本原理是：根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目，設(shè)置測(cè)試設(shè)備初始狀態(tài)，改變測(cè)試設(shè)備參數(shù)或發(fā)送遙控指令，而后讀取遙測(cè)參數(shù)和測(cè)試設(shè)備讀數(shù)，與測(cè)試預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，判斷并記錄測(cè)試結(jié)果。

圖1　測(cè)試環(huán)境構(gòu)成及連接

1.2平流層飛艇電源系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)飛艇電源系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境和測(cè)試原理，針對(duì)手工測(cè)試中遇到的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的主要功能，包括：

(1)測(cè)試環(huán)境配置。根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目，選擇測(cè)試設(shè)備的類型和數(shù)量，設(shè)置連接方式，指定名稱，搭建測(cè)試環(huán)境；

(2)測(cè)試環(huán)境檢測(cè)。對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和初始化，保證測(cè)試環(huán)境完整，控制通道連接正確；

(3)測(cè)試設(shè)備控制。通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制所有測(cè)試設(shè)備，替代測(cè)試人員手動(dòng)操作，并讀取設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；

(4)測(cè)試腳本編輯。支持各種測(cè)試操作序列化，即將測(cè)試操作、結(jié)果判讀規(guī)則及處理方式，按照特定語(yǔ)法保存成腳本文件；

(5)測(cè)試腳本執(zhí)行。自動(dòng)化執(zhí)行指定的測(cè)試腳本，執(zhí)行結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，執(zhí)行過(guò)程可以隨時(shí)停止、暫停、繼續(xù)或單步執(zhí)行；

(6)自動(dòng)生成報(bào)告。測(cè)試過(guò)程中的指令和數(shù)據(jù)可自動(dòng)存儲(chǔ)，測(cè)試完成后生成測(cè)試結(jié)果報(bào)告；

(7)多機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。支持多用戶終端同時(shí)監(jiān)控測(cè)試過(guò)程，用戶可按級(jí)別指定權(quán)限，管理員用戶可管理其他低級(jí)別用戶。

為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制各種測(cè)試設(shè)備，需要采用通信總線將其與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接?？紤]到項(xiàng)目采用的測(cè)試設(shè)備規(guī)格，采用了GPIB轉(zhuǎn)LAN接口網(wǎng)關(guān)將直流電源、電子負(fù)載和數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備接入局域網(wǎng)，局域網(wǎng)還連接著作為中央控制服務(wù)器、各控制/監(jiān)視終端及測(cè)試上位機(jī)的各臺(tái)計(jì)算機(jī)，如圖2所示。

圖2　測(cè)試設(shè)備連接

1.3電源系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

測(cè)試平臺(tái)的核心是測(cè)試軟件，與其他硬件部分有機(jī)結(jié)合共同組成了完整的平流層飛艇測(cè)試平臺(tái)。美國(guó)NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabView具有開(kāi)發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng)、便于進(jìn)行儀器控制等優(yōu)點(diǎn)，因此本項(xiàng)目采用LabView作為軟件開(kāi)發(fā)工具。測(cè)試平臺(tái)軟件采用“客戶端-服務(wù)器”架構(gòu)，服務(wù)器軟件運(yùn)行在中控服務(wù)器上，客戶端分為控制和監(jiān)視兩類，分別運(yùn)行于控制終端和監(jiān)視終端上。服務(wù)器與客戶端軟件的通信承載于TCP和UDP協(xié)議上，前者用于維護(hù)用戶狀態(tài)，后者用于廣播測(cè)試運(yùn)行數(shù)據(jù)。

服務(wù)器軟件按照功能分為以下五個(gè)功能模塊：

(1)CONFIG模塊

完成測(cè)試環(huán)境配置功能。測(cè)試人員可通過(guò)此模塊輸入測(cè)試設(shè)備的名稱、類型、連接地址。各類測(cè)試設(shè)備在軟件中被抽象成統(tǒng)一的通用模型。模型對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為“簇”，包含設(shè)備名稱、設(shè)備類型、連接句柄、設(shè)備版本號(hào)和通道信息。不同類型的測(cè)試設(shè)備有不同的通信方式，如直流電源等通過(guò)GPIB總線連接的設(shè)備，連接句柄中保存該設(shè)備的VISA地址，而測(cè)試上位機(jī)對(duì)應(yīng)的連接句柄則為IP地址。測(cè)試環(huán)境信息可保存至xml文件，或從文件中加載、編輯，方便再次使用。

(2)EDIT模塊

完成測(cè)試環(huán)境檢測(cè)，并提供腳本編輯界面。模塊運(yùn)行時(shí)首先遍歷測(cè)試環(huán)境中所有的測(cè)試設(shè)備，向其發(fā)送檢測(cè)指令，若得到回應(yīng)則認(rèn)為設(shè)備及連接正常。成功通過(guò)檢測(cè)的設(shè)備，將作為所屬設(shè)備類別的子節(jié)點(diǎn)顯示在用戶界面的樹(shù)狀列表中。測(cè)試人員選中該設(shè)備節(jié)點(diǎn)，軟件將提供此設(shè)備可用的指令列表。選擇一條指令并填寫(xiě)指令參數(shù)、延時(shí)時(shí)間、判斷方式等信息，點(diǎn)擊“添加”即可針對(duì)該設(shè)備向測(cè)試腳本中添加一個(gè)測(cè)試步驟。

測(cè)試腳本是若干個(gè)測(cè)試步驟構(gòu)成的序列。測(cè)試步驟同樣抽象為“簇”，記錄步驟序號(hào)、設(shè)備名稱、類型、連接地址、指令名、參數(shù)值、返回值、延時(shí)時(shí)長(zhǎng)、結(jié)果比較模式、上下限閾值、比較結(jié)果、錯(cuò)誤處理方法、跳轉(zhuǎn)步驟號(hào)等信息。測(cè)試腳本可保存為Excel文件，利于進(jìn)行批量修改。

測(cè)試人員可以根據(jù)測(cè)試細(xì)則中的測(cè)試項(xiàng)編寫(xiě)腳本。例如某項(xiàng)測(cè)試要求“蓄電池供電，負(fù)載1 000 W時(shí)母線電壓應(yīng)在99～101 V范圍內(nèi)”，可編寫(xiě)測(cè)試腳本如表1。

表1　測(cè)試腳本示例

(3)RUN模塊

測(cè)試腳本編寫(xiě)完成后，被傳遞給RUN模塊執(zhí)行。本模塊依次讀取并執(zhí)行腳本中的各步驟，并生成測(cè)試報(bào)告。每個(gè)測(cè)試步驟都進(jìn)行“執(zhí)行指令-延時(shí)-讀取返回值-判斷-錯(cuò)誤處理”這5步操作。以表1給出的腳本中步驟3為例，軟件首先根據(jù)設(shè)備名確定設(shè)備類型為“上位機(jī)”，調(diào)用對(duì)應(yīng)的連接驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)socket發(fā)送指令“讀取放電開(kāi)關(guān)狀態(tài)”，參數(shù)為“1”號(hào)開(kāi)關(guān)；等待1 000 ms后，讀取socket中的返回值；判斷返回值是否等于“ON”；若等于ON繼續(xù)執(zhí)行下個(gè)步驟，否則執(zhí)行第“5”步。測(cè)試步驟執(zhí)行的時(shí)刻、指令、參數(shù)、返回值、判斷結(jié)果等均實(shí)時(shí)保存在測(cè)試記錄中。一個(gè)腳本執(zhí)行完成后，若所有步驟均未發(fā)生錯(cuò)誤，則自動(dòng)判定為通過(guò)，否則給出失敗提示。測(cè)試記錄可以保存成Excel文件，形成測(cè)試報(bào)告。

(4)NETWORK模塊

本模塊是底層網(wǎng)絡(luò)引擎，完成服務(wù)器初始化，通過(guò)UDP廣播步驟執(zhí)行狀態(tài)，偵聽(tīng)TCP端口，接受客戶端連接。

(5)ADMIN模塊

完成用戶管理功能，可以查看連接的客戶端、權(quán)限、IP地址等信息，也可中斷指定客戶端的連接。

客戶端軟件顯示運(yùn)行時(shí)首先登錄界面，根據(jù)輸入的用戶名、密碼確定用戶權(quán)限，可以控制或監(jiān)視模式運(yùn)行?？刂颇Ｊ降目蛻舳司哂心_本編輯和腳本執(zhí)行功能，客戶端對(duì)腳本的修改及對(duì)測(cè)試進(jìn)程的控制，會(huì)立即同步到服務(wù)器端。而監(jiān)視模式的客戶端則只能接收服務(wù)器端發(fā)來(lái)的測(cè)試運(yùn)行數(shù)據(jù)，同步顯示測(cè)試過(guò)程和結(jié)果，不能控制測(cè)試過(guò)程。服務(wù)器、控制和監(jiān)視軟件相互配合單步執(zhí)行測(cè)試腳本，即可以實(shí)現(xiàn)雙崗確認(rèn)測(cè)試操作，保證測(cè)試過(guò)程符合相關(guān)規(guī)范要求。確定測(cè)試腳本正確無(wú)誤后，重復(fù)性的測(cè)試，如健康檢查、環(huán)境實(shí)驗(yàn)前后的電測(cè)試等即可采用自動(dòng)執(zhí)行腳本的方式快速完成。

1.4電源系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用分析

結(jié)合平流層飛艇電源系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用要求，工程組對(duì)測(cè)試流程進(jìn)行了梳理分析，制定了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試流程，如圖3所示。

自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)(見(jiàn)圖4)在平流層飛艇電源系統(tǒng)電測(cè)試中的應(yīng)用將顯著提高測(cè)試精度和準(zhǔn)確性，減少測(cè)試時(shí)間和人力投入，主要因素對(duì)比分析如表2。

圖3　標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試流程

圖4　測(cè)試平臺(tái)實(shí)景

表2　效果對(duì)比

2　結(jié)論

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，項(xiàng)目組充分考慮了平流層飛艇電源系統(tǒng)測(cè)試在自動(dòng)化、可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性和易用性等方面的要求，成功研制了一套自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，其功能性能均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。分析表明該系統(tǒng)在滿足電性能測(cè)試要求的同時(shí)，能降低測(cè)試成本提高測(cè)試效率，可以投入某型平流層飛艇電源系統(tǒng)測(cè)試中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

[1]閆蕾，王宇.衛(wèi)星電源測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)的初步研究[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào),2005,22(1):100-105.

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Automatic test platform of stratosphere air ship power system

YU Zhi-hang,YANG Yang,LI Chuan,XU Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The power system of stratosphere air ships has the characteristics of high voltage,high power and complicated work modes.The demand of test devices is large both in quantity and type.The Manual manipulation test is inefficiency,accident-proneness and high risk.A software based automatic test platform was presented.The models of universal device and operation were designed to implement distributed execution and centralized control. The test processes can be executed and judged automatically according to the predetermined script.The schematic and architecture were described.Advantages were shown in the analysis,including automated job,easy operation, preciseness and uniformity.Not only the performance improvement,but also cost and risk reduction is significant.

stratosphere air ship;power system;automatic test;software based

TM 921.5

A

1002-087 X(2016)10-1953-03

2016-03-03

于智航(1982—)，男，天津市人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星嵌入式軟件及空間電源系統(tǒng)測(cè)試方面的研究。

于智航