王海斌，丁發(fā)軍，錢 偉

（中國民航飛行學院飛機修理廠，四川廣漢618307）

通航數(shù)據(jù)處理計算機測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

王海斌*，丁發(fā)軍，錢 偉

（中國民航飛行學院飛機修理廠，四川廣漢618307）

分析了通用飛機上裝載航空數(shù)據(jù)處理計算機的維修現(xiàn)狀，討論了搭建數(shù)據(jù)處理計算機測試平臺的必要性。結(jié)合數(shù)據(jù)處理計算機的性能參數(shù)指標特性，設(shè)計了測試平臺的總體結(jié)構(gòu)。并針對測試平臺在實現(xiàn)過程中遇到的一系列工程技術(shù)難題，提出了可行的解決方案。在軟件設(shè)計上，利用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)對測試儀器設(shè)備的自動調(diào)用。經(jīng)過實際測試驗證以及誤差分析，該測試平臺測試滿足測試需求。

數(shù)據(jù)處理計算機；測試平臺；虛擬儀器；故障診斷

數(shù)據(jù)處理計算機是通航綜合航電系統(tǒng)的中央核心電子組件，是航電系統(tǒng)的通信及信息處理樞紐，負責采集和處理系統(tǒng)中其它系統(tǒng)部件的通信數(shù)據(jù)和控制指令。此外，數(shù)據(jù)處理計算機還集成了GPS衛(wèi)星定位，甚高頻VHF通訊，ILS儀表著陸導航等無線電通導功能，對系統(tǒng)的正常使用及飛行安全起著關(guān)鍵性作用［1-3］。

數(shù)據(jù)處理計算機集成功能復雜、功耗發(fā)熱大，從2005年始，我國通航最早一批飛機安裝此類部件，其平均工作時間已接近一萬小時，可靠性開始進入浴盆曲線的故障率上升段。但由于技術(shù)壟斷和國外生產(chǎn)廠家對所有資料保密，國內(nèi)尚無維修單位對其進行維修研發(fā)?，F(xiàn)所有故障件均需送廠家維修，導致維修周期過長，甚至會因為備件不足導致飛機停飛停場［4-6］。針對上述數(shù)據(jù)處理計算機維修現(xiàn)狀，本文設(shè)計了基于虛擬儀器的通航數(shù)據(jù)處理計算機測試平臺。該平臺以計算機為主控機，將所的測試儀器通過總線方式與計算機連接，并通過電源線、屏蔽線以及數(shù)據(jù)總線與被測試設(shè)備UUT（Unit Under Test）連接，從而實現(xiàn)對UUT的性能、功能測試。此平臺內(nèi)嵌數(shù)據(jù)庫，并利用數(shù)據(jù)庫引擎以及故障診斷技術(shù)，實現(xiàn)測試信息存儲以及故障定位、診斷等功能。

1 總體方案

1.1 平臺實現(xiàn)功能

綜合航電系統(tǒng)傳輸飛行器相關(guān)參數(shù)時，對于各參數(shù)要求的通信速率、信息量、抗干擾等方面均不相同，因此，航電系統(tǒng)各部件提供的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)格式并不統(tǒng)一，包括RS232、RS485、CAN、ARINC429等多種總線格式。數(shù)據(jù)處理計算機將這些總線格式進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換和處理成為Ethernet總線數(shù)據(jù)格式，傳輸給顯示系統(tǒng)［7-8］?？紤]到數(shù)據(jù)處理計算機作為綜合航電系統(tǒng)的核心通信樞紐，且本身還具備GPS衛(wèi)星定位，甚高頻VHF通訊，ILS儀表著陸導航等無線電通導功能。因此，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理計算機自動測試平臺設(shè)計時，應(yīng)滿足如下功能：

1.1.1 性能測試方面：

①實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能測試：

測試平臺為UUT提供所需輸入總線數(shù)據(jù)的供給，包括：RS232、RS485、CAN、ARINC429等總線格式。測試平臺實現(xiàn)UUT輸出Ethernet總線數(shù)據(jù)的解碼測試，并利用虛擬飛行儀表實時顯示測試結(jié)果。

②實現(xiàn)通訊功能性能測試：

測試平臺能夠通過主控機指令實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理計算機720個通訊頻道轉(zhuǎn)換控制、靜噪功能控制以及收發(fā)功能轉(zhuǎn)換控制，且能夠?qū)UT通訊功能進行全部的性能參數(shù)測試，主要包括：靈敏度、信噪比、失真度、選擇性、響應(yīng)百分百等重要通訊性能指標。

③實現(xiàn)導航功能性能測試：

測試平臺能夠通過主控機指令實現(xiàn)對UUT導航頻道轉(zhuǎn)換控制、識別功能控制，對UUT導航參數(shù)數(shù)據(jù)進行解碼并利用虛擬飛行儀表實時顯示，這些參數(shù)包括：導航故障旗、VOR方位、TO/FROM、LOC/GS偏離、GPS經(jīng)緯度。且能夠?qū)崿F(xiàn)對UUT導航性能參數(shù)的測試，主要包括：VOR AGC、VOR方位精度、失真度、選擇性、響應(yīng)百分百等重要導航性能指標。

1.1.2 故障診斷方面：

測試平臺內(nèi)嵌基于知識的故障專家系統(tǒng)模塊，用以對被測故障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)有的大量數(shù)據(jù)處理計算機維修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行故障診斷，并設(shè)計有知識獲取模塊，隨著不斷增加案列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)計了以貝葉斯概率統(tǒng)計的診斷算法，在實際應(yīng)用過程中能夠具有70%的故障診斷正確率。

1.2 平臺整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述測試平臺設(shè)計要求，結(jié)合數(shù)據(jù)處理計算機的相關(guān)維修技術(shù)資料，并借鑒相關(guān)同類測試平臺的設(shè)計方法，以及綜合考慮被測組件的實際維修情況，研發(fā)并設(shè)計了數(shù)據(jù)處理計算機測試平臺。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對被測航電組件—數(shù)據(jù)處理計算機的自動測試。

平臺整體設(shè)計分為硬件和軟件兩部分，硬件部分以主控計算機為核心進行設(shè)計，通過總線方式與各測試資源進行通信連接。測試相關(guān)資源包括：射頻信號源、精密電壓儀器、數(shù)據(jù)采集板卡、數(shù)字示波器、總線通信板、繼電器控制板以及適配系統(tǒng)。軟件部件利用虛擬儀器工具Labview實現(xiàn)人機界面設(shè)計、整個測試流程、測試資源調(diào)用、適配系統(tǒng)運行、總線數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、測試結(jié)果分析以及故障診斷等功能［9］。測試平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

2 技術(shù)難題及解決方案

數(shù)據(jù)處理計算機測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是一個較為復雜的技術(shù)工程，其研發(fā)過程面臨眾多技術(shù)困難，主要包括：涉及專業(yè)較廣，包括機械設(shè)計、工業(yè)程控技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊等相關(guān)專業(yè)；軟硬件工作量大及研發(fā)周期較長；技術(shù)上攻堅難點較多等。將整個測試系統(tǒng)研發(fā)過程中的技術(shù)難題進行歸納和提取，其中較為突出的有以下3個方面：

2.1 技術(shù)難題1：精密電壓儀設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)處理計算機工作原理可知，該組件是綜合航電系統(tǒng)的核心通信樞紐。測試平臺要實現(xiàn)各飛行參數(shù)的模擬，必須提供完整的數(shù)據(jù)信息源，并傳輸給數(shù)據(jù)處理計算機完成相關(guān)測試。

在飛行參數(shù)中，電壓信號是其中必不可少的參數(shù)，且由于航空電子設(shè)備特性，其電壓精度要求較高，通常要求到百分位。如何為被測部件提供準確、精度較高的電壓信號，成為測試平臺信號輸出方面要解決的技術(shù)難點。如在航電系統(tǒng)中，自動定向儀傳輸給數(shù)據(jù)處理計算機的信號為0～7.5 V直流電壓，方位角θ與供給電壓V之間關(guān)系式如下：

根據(jù)上述θ與V關(guān)系式，電壓模塊在設(shè)計時采用32 bit RISC的ARM芯片完成邏輯設(shè)計，并采用下位機方式與主控計算機連接，通信方式采用RS-485隔離通信總線。并采用了看門狗電路，可以在出現(xiàn)意外時將系統(tǒng)重新啟動。

電壓模塊為保證輸出電壓信號的精度，還對DAC輸出的模擬量信號進行調(diào)理，實現(xiàn)對于信號的平滑濾波、信號幅值范圍的調(diào)整（如信號增益的調(diào)整）、信號類型的轉(zhuǎn)換（I/V、V/I轉(zhuǎn)換）等。電壓模塊輸出信號處理流程如圖2所示。

圖2 電壓模塊信號處理流程

2.2 技術(shù)難題2：儀器驅(qū)動模塊設(shè)計

本文測試平臺采用儀器資源較多，如何實現(xiàn)各類儀器資源驅(qū)動模塊設(shè)計，并與主控機建立有效地通信，成為平臺構(gòu)架設(shè)計一個難題。

根據(jù)本文1.2節(jié)可知，平臺硬件資源包括輸出信號源（射頻源、電壓儀和數(shù)字通信板等）、輸入測試設(shè)備（數(shù)據(jù)采集板卡、數(shù)字示波器等）和系統(tǒng)配置（控制板、適配器等）。這些測試資源與主控機通過不同總線方式實現(xiàn)連接，在軟件設(shè)計方面，需要編寫各類資源驅(qū)動程序，最終才能夠?qū)崿F(xiàn)主控機對資源合理地調(diào)用和分配儀器資源。系統(tǒng)軟件平臺是在虛擬儀器Labview環(huán)境下實現(xiàn)的，測試儀器驅(qū)動程序的編寫應(yīng)包含初始子VI、Read子VI、Write子VI及配置子VI等模塊。將這些功能模塊再按照編程規(guī)則進行連接，并加入到所需循環(huán)函數(shù)中，最終實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動模塊調(diào)用。數(shù)據(jù)處理計算機測試平臺儀器資源驅(qū)動實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 儀器資源驅(qū)動實現(xiàn)流程

2.3 技術(shù)難題3：傳輸數(shù)據(jù)的處理

經(jīng)數(shù)據(jù)處理計算機處理的飛行數(shù)據(jù)參數(shù)近百種，主要包括航向姿態(tài)、大氣參數(shù)、通導數(shù)據(jù)、發(fā)動機參數(shù)以及機身各類傳感器參數(shù)。其數(shù)據(jù)格式包括Ethernet/RS232/RS485/CAN/ARINC429等多種，涉及參數(shù)數(shù)據(jù)協(xié)議眾多，且數(shù)據(jù)量較大。由于部件生產(chǎn)廠家技術(shù)保密，上述各類傳輸數(shù)據(jù)均處于未破解狀態(tài)。如何將被測部件數(shù)據(jù)各類總線數(shù)據(jù)進行采集、算法分析，并進一步實現(xiàn)參數(shù)測試成為測試平臺能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。

本文通過設(shè)計不同的總線采集板卡，采集海量的參數(shù)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，并通過改變工作參數(shù)來尋找變化的數(shù)據(jù)幀、變化字節(jié)，利用擬合工具擬合參數(shù)算法公式，并進一步通過多個被測部件進行反復、多次地驗證。

本文以Ethernet總線數(shù)據(jù)采集及處理過程為例進行說明，硬件方面采用Intel EXPI9400PT以太數(shù)據(jù)卡采集卡，采集軟件采用Sniffer Pro數(shù)據(jù)抓包工具，根據(jù)傳輸參數(shù)要求進行設(shè)置，采集的代碼界面如圖4所示。

利用測試設(shè)備（如精密電壓儀器）為被測部件提供一系列供給信號，并對比輸出Ethernet數(shù)據(jù)變化規(guī)律。如設(shè)置發(fā)動機排氣溫度EGT（1-4#）的溫度值范圍為150℉～2 000℉；溫度間隔為50℉。通過采集被測部件對應(yīng)一系列Ethernet數(shù)據(jù)輸出進行對比分析，得到EGT數(shù)據(jù)幀，并進一步提取變化字節(jié)為44 bit～45 bit字節(jié)；利用擬合工具Origin 6.0擬合EGT與變化字節(jié)代碼（十進制）關(guān)系式，如圖5所示。

圖4 Ethernet總線采集界面

圖5 EGT-Ethernet數(shù)據(jù)擬合曲線關(guān)系

3 系統(tǒng)軟件流程

平臺軟件測試流程如圖6所示，首先對平臺內(nèi)部測試軟硬件資源進行初始化，確保系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。使用者通過用戶或者管理員身份進行系統(tǒng)登錄，并按測試要求填寫被測部件件號、序號等一系列相關(guān)維修信息。平臺進入自檢模式，該模式主要針對測試平臺是否與被測部件正確適配，并輸出檢測結(jié)果。待自檢完成后，進入測試模式，針對數(shù)據(jù)處理計算機進行功能和性能測試。若被測設(shè)備性能測試未通過，則需要進行故障診斷。本測試平臺設(shè)計了基于知識的專家故障診斷模塊，專家系統(tǒng)知識庫存儲有大量故障樣本作為專家知識庫，被測部件存在故障時，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，然后檢索知識庫預報相應(yīng)的故障原因并提供給用戶。最后對測試結(jié)論進行存儲處理并關(guān)閉軟硬件資源，結(jié)束測試。

圖6 測試流程圖

4 平臺誤差分析

利用數(shù)據(jù)處理計算機測試平臺針對6部被測部件全部性能參數(shù)進行自動測試，將測試結(jié)果進行提取、分析和比對，最終實現(xiàn)測試平臺誤差的驗證?？紤]到性能參數(shù)較多，以及篇幅原因，本文列舉了部分較為重要被測參數(shù)，實測情況如表1所示。

表1 主要參數(shù)實測值

根據(jù)表1列舉的測試參數(shù)實測情況可知，測試參數(shù)誤差均在理論允許誤差范圍內(nèi)。針對實測參數(shù)誤差進行分析可知，其誤差來源為測試平臺和被測部件兩部分，而對于測試平臺而言，其誤差來源于平臺軟硬件資源，主要包括：測試儀器設(shè)備、傳輸數(shù)據(jù)編解碼以及傳輸線路。

①測試儀器設(shè)備：射頻信號源、精密電壓儀器和數(shù)字示波器等相關(guān)測試儀器的參數(shù)范圍、精度以及有效期，均由國家標準計量單位進行計量，符合國際行業(yè)測試標準。

②傳輸數(shù)據(jù)編解碼：被測部件傳輸數(shù)據(jù)總線格式分為RS232/485、CAN、ARINC429和Ethernet幾種，幾種數(shù)據(jù)格式均為國際通用標準格式，傳輸數(shù)據(jù)解碼算法經(jīng)過優(yōu)化處理，誤碼率＜0.1%。

③傳輸線路：繼電器轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換瞬間會產(chǎn)生瞬時脈沖信號，對系統(tǒng)數(shù)字信號會造成瞬時干擾，存在產(chǎn)生誤碼的可能性。根據(jù)被測部件各總線通信協(xié)議規(guī)定，傳輸數(shù)據(jù)均具有自校、奇偶檢驗功能。經(jīng)驗證，瞬時干擾誤碼不會對傳輸信號產(chǎn)生附加誤差。

綜上3點分析，測試平臺對測試結(jié)果產(chǎn)生的附加誤差可忽略。并通過表1中6部被測部件實測數(shù)據(jù)驗證，測試誤差均在性能指標要求范圍內(nèi)，且誤差來源為被測部件本身。

5 結(jié)束語

航電數(shù)據(jù)處理計算機是目前通航最先進綜合航電系統(tǒng)的核心部件，基于此類部件的維修、檢測需求，本文設(shè)計研發(fā)了數(shù)據(jù)處理計算機維修測試平臺。從工程技術(shù)角度而言，本文實現(xiàn)了測試所需精密信號源的設(shè)計，并完成各類測試設(shè)備的驅(qū)動設(shè)計，最終利用虛擬儀器技術(shù)和軟件程序?qū)崿F(xiàn)測試資源的自動調(diào)用和測試。

從工程應(yīng)用結(jié)果來看，該平臺不僅能夠?qū)Ρ粶y部件進行功能和性能自動測試，而且針對測試異常情況進行故障診斷，并將被測部件的故障定位到電路板級，能夠為維修人員提供可靠的故障定位，顯著提高了排故效率。

［1］王瑜瑜，劉少軍.基于Labwindows/CVI飛機啟動系統(tǒng)自動測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2015，38（5）：1159-1163.

［2］焦耀晗，徐鵬，杜紅棉，等.基于FPGA和無線通信的炮口沖擊波測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學報，2014，27（11）：1585-1588.

［3］Bisson Ken Troshynski Troy.Switched Etherent Testing for Avion?ics Applications［J］.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2004，19（5）：31-35.

［4］沈鑫，曹敏，高文勝，等.電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備動態(tài)診斷技術(shù)研究［J］.電子器件，2012，35（3）：1175-1181.

［5］Littlefield-Lawwill J，Viswanathan R.Advancing Open Standards in Integrated Modular Avionics：An Industry Analysis［C］//AIAA/IEEE Digital Avionics Systems Conference-Proceedings.Piscat?away，NJ：IEEE，2007：2B11-2B114.

［6］梁永生，張基宏，張乃通.IEEE標準容限內(nèi)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)時延的測試與分析［J］.電子學報，2008，36（1）：46-50.

［7］黃世震，陳麗紅.一種基于RS485的SoC產(chǎn)品測試平臺的設(shè)計［J］.電子器件，2012，35（3）：309-312.

［8］熊華鋼，周貴榮，李峭.機載總線網(wǎng)絡(luò)及其發(fā)展［J］.航空學報，2006，27（6）：1135-1144.

［9］汪健甄，許宗澤.航空電子高速數(shù)據(jù)總線性能分析及其實時性仿真［J］.南京航空航天大學學報，http://c.wanfangdata.com.cn/periodical/wjsjxx/2007-31.aspx2008，40（3）：345-347.

王海斌（1984-），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士，現(xiàn)為中國民航飛行學院飛機修理廠工程師，研究方向為機載航電設(shè)備的維修工作與飛機維修工程，263049729@qq.com。

Design and Implementation of the Test Platform for Aviation Data Processing Computer

WANG Haibin*，DING Fajun，QIAN Wei
（The Aircraft Maintenance Factory of CAFUC，Guanghan Sichuan 618307，China）

The paper analyzes the current situation about the maintenance of aviation data processing computer loaded in general-purpose planes and discusses the necessity to establish the testing platform for data processing computer.Combined with characteristics of performance parameters of data processing computer，the overall struc?ture of the testing platform is designed.Besides，the paper puts forward feasible solutions to a series of engineering technical problems encountered during the realization process of the testing platform.When it comes to software de?sign，virtual instrument technology is used to achieve the automatic calling of the testing instruments and devices. As indicated by actual test verification and error analysis，the test platform satisfies the testing requirements.

data processing computer；test platform；virtual instrument；fault diagnosis

TP274

A

1005-9490（2016）06-1435-05

7220

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.030

2015-12-11 修改日期：2016-01-08