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(北京中科泛華測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100192)

0 引言

飛機(jī)座艙溫度電氣控制的功用是對(duì)及進(jìn)入座艙空氣的溫度進(jìn)行控制，使座艙溫度控制在一定范圍內(nèi)。滑油溫度調(diào)節(jié)控制盒是滑油溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它依靠溫度傳感器來(lái)感受滑油溫度，經(jīng)控制盒放大后輸出使其溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)[1]。溫控盒的正常與否直接關(guān)系到飛機(jī)關(guān)鍵分系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如座艙溫度控制系統(tǒng)等[2]，若溫控盒工作異常，很可能引起重大安全事故。由此，溫控盒本身的測(cè)試顯得尤為重要。目前航空溫控盒的測(cè)試普遍基于人工方式，通過(guò)操作多達(dá)6個(gè)不同量程的電阻箱來(lái)模擬外部溫度傳感器輸入，且操作人員還需手動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)、觀察溫控盒輸出指示燈狀態(tài)，同時(shí)利用秒表肉眼觀察起止時(shí)刻等，造成溫控盒測(cè)試效率低下，關(guān)鍵值測(cè)試不夠精確等問(wèn)題。

本文提出了基于PXI總線[3-4]的溫控盒自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，將模塊化的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)方式融入系統(tǒng)中，使得測(cè)試過(guò)程無(wú)需人員干預(yù)，自動(dòng)記錄測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的所有中間數(shù)據(jù)，便于分析和回溯，設(shè)計(jì)方案極大地提高了溫度控的測(cè)試效率，提高了溫控盒產(chǎn)品的檢測(cè)能力。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

溫控盒自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)原理

測(cè)試系統(tǒng)基于PXI總線設(shè)計(jì)，根據(jù)溫控盒測(cè)試資源配置了模擬采集模塊、數(shù)字輸入輸出模塊、高精度電阻模塊等，選用了程控直流電源為被測(cè)件供電，設(shè)計(jì)了與溫控盒接口電路匹配的調(diào)理電路，測(cè)試接口選用了高可靠性海量互聯(lián)接插件。KVM顯示器選用推拉滑鎖式，連接至PXI控制器，作為人機(jī)交互接口。

2 硬件組成

2.1 測(cè)試平臺(tái)

該平臺(tái)由PXI機(jī)箱、PXI控制器、1塊多功能數(shù)據(jù)采集卡、1塊數(shù)字輸入輸出板卡和4塊高精度電阻輸出板卡組成。PXI各個(gè)模塊與控制器通過(guò)一個(gè)8槽的PXI機(jī)箱連接，所有數(shù)據(jù)交互均通過(guò)PXI總線傳輸。

圖2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)框架設(shè)計(jì)

圖1中標(biāo)識(shí)的模擬采集模塊用來(lái)完成溫控盒供電電源實(shí)際輸出電壓和耗用電流的采集；數(shù)字輸入輸出模塊具有不高于36VDC的數(shù)字電平范圍，數(shù)字輸入資源用來(lái)采集溫控盒輸出的高低電平，如某型號(hào)溫控盒熱燈、冷燈狀態(tài)；數(shù)字輸出資源用來(lái)模擬外部開(kāi)關(guān)動(dòng)作，根據(jù)實(shí)際接口電路，本系統(tǒng)部分DO輸出掛接了一級(jí)繼電器，用來(lái)增加輸出電壓范圍；高精度電阻模塊共有兩種類(lèi)型，一種為輸出3通道，90 Ω to 8 kΩ，精度<10 mΩ的寬范圍模擬電阻卡，用來(lái)模擬溫控盒外部溫度傳感器不超過(guò)2 kΩ的輸入，另一種為輸出2通道，范圍1.5 Ω to 2.9 kΩ，精度最高可到2 mΩ的低阻值超高精度模擬電阻卡，用來(lái)模擬溫控盒外部傳感器低于1 kΩ的輸入，為了提高測(cè)試系統(tǒng)的通用性及可擴(kuò)展能力，系統(tǒng)每種電阻模塊各配置了2塊。

考慮到模擬電阻信號(hào)傳輸精度問(wèn)題，系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了鍍銀高密屏蔽線用來(lái)連接模擬電阻卡輸出接口與測(cè)試臺(tái)的面板插座插針，盡量降低傳輸損耗。

測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部采用了程控直流電源，用來(lái)輸出18～27 V給被測(cè)件供電，程控通信采用RS232串口協(xié)議，通過(guò)DB9電纜連接至PXI控制器。

2.2 測(cè)試接口

考慮到通用航空插頭連接次數(shù)有限，通常插拔次數(shù)不超過(guò)1 000次，作為通用溫控盒自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了美國(guó)Macpanel公司的LIF96系列接插件并配備了防差錯(cuò)機(jī)械設(shè)置，可將測(cè)試系統(tǒng)與溫控盒的連接次數(shù)達(dá)到20 000次以上，極大提高了測(cè)試系統(tǒng)的連接可靠性，避免接插件的插針損耗造成系統(tǒng)測(cè)試精度下降。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇labVIEW，它的優(yōu)勢(shì)在于可以和基于PXI總線的各硬件模塊無(wú)縫連接，軟件設(shè)計(jì)人員不需要對(duì)PXI各模塊的驅(qū)動(dòng)有深入了解，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中利用labVIEW提供的API即可進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，極大地提高了系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)效率[5]。某型溫控盒自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

軟件設(shè)計(jì)上采用的模塊化功能設(shè)計(jì)，根據(jù)多類(lèi)溫控盒測(cè)試項(xiàng)要求設(shè)計(jì)為子序列模式，各個(gè)子序列內(nèi)含有該測(cè)試項(xiàng)的所有分解測(cè)試步驟，可按照不用順序邏輯進(jìn)行自由組合，便于操作人員隨時(shí)檢查溫控盒單項(xiàng)功能，如檢查RC回授時(shí)間，檢查信號(hào)脈沖時(shí)間，檢查限制器，檢查固有控制以及檢查積分元件傳遞系數(shù)等，均可根據(jù)實(shí)際要求任意組合測(cè)試，提到了系統(tǒng)測(cè)試的靈活性。

3.2 測(cè)試項(xiàng)配置

軟件設(shè)計(jì)基于測(cè)試項(xiàng)編寫(xiě)不同的測(cè)試序列，通過(guò)ini配置文件使得操作人員可以實(shí)時(shí)添加測(cè)試項(xiàng)子項(xiàng)，無(wú)需了解labVIEW編程平臺(tái)即可迅速完成其他各類(lèi)溫控盒測(cè)試項(xiàng)的添加。測(cè)試項(xiàng)配置項(xiàng)界面如圖3所示。

圖3 軟件測(cè)試項(xiàng)配置界面

在該測(cè)試界面，可以靈活地在.ini配置文件中編輯測(cè)試項(xiàng)，之后根據(jù)不用的測(cè)試對(duì)象選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)，組成測(cè)試項(xiàng)序列，另外也可定義測(cè)試項(xiàng)開(kāi)始及結(jié)束條件，以便控制測(cè)試序列流程。

3.3 自動(dòng)測(cè)試

系統(tǒng)軟件自動(dòng)測(cè)試界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試界面

在軟件自動(dòng)測(cè)試界面，將以往人工手工測(cè)試的各個(gè)模擬電阻箱、外接開(kāi)關(guān)等均通過(guò)圖形化控件表示，RT和RK以及RKOP表示測(cè)試系統(tǒng)模擬的外部溫度電阻輸出，界面上SA1至SA12表示測(cè)試系統(tǒng)模擬外部各類(lèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)及位置信號(hào)，包括雙刀雙擲、五刀三擲等各類(lèi)組合開(kāi)關(guān)信號(hào)，界面中部用來(lái)顯示當(dāng)前選中的測(cè)試項(xiàng)及子序列詳細(xì)步驟，系統(tǒng)按照單步序列順序執(zhí)行，并自動(dòng)判斷中間數(shù)據(jù)并填寫(xiě)測(cè)試結(jié)果，中間測(cè)試過(guò)程無(wú)需操作人員干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程的一鍵自動(dòng)化。

3.4 軟件報(bào)表設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了完善的報(bào)表功能，對(duì)于各類(lèi)溫控盒按照測(cè)試模板要求設(shè)計(jì)了報(bào)表子項(xiàng)，可以動(dòng)態(tài)靈活地設(shè)置諸如RT和RK以及RKOP閾值，以及模擬電阻值步長(zhǎng)等，待實(shí)驗(yàn)完成后操作人員自定義選擇報(bào)表子項(xiàng)生產(chǎn)測(cè)試報(bào)告，無(wú)需操作人員做任何改動(dòng)或者添加即可作為報(bào)告歸檔，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程到報(bào)表生成的無(wú)人值守，極大地減少了以往操作人員實(shí)時(shí)記錄、表格整合、數(shù)據(jù)歸類(lèi)等繁雜操作的工作。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

4.1 阻值動(dòng)態(tài)分段逼近閉環(huán)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的模擬電阻卡輸出精度小于10 mΩ，溫控盒對(duì)于模擬電阻的要求精度為不低于20 mΩ，且對(duì)于某些測(cè)試項(xiàng)有測(cè)試時(shí)間限制，因此對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)而言，需考慮步長(zhǎng)與測(cè)試速度的問(wèn)題。為了有效解決這兩個(gè)指標(biāo)存在的矛盾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了阻值動(dòng)態(tài)分段逼近算法，即對(duì)于某個(gè)測(cè)試子項(xiàng)，系統(tǒng)自動(dòng)讀取其起始值與閾值之間的距離，根據(jù)測(cè)試時(shí)間要求設(shè)置多個(gè)子段，在不同的子段自動(dòng)匹配不同的步長(zhǎng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)值的逼近。

溫控盒的核心功能測(cè)試是基于模擬外部溫度傳感器阻值大小的調(diào)整，溫控盒自身經(jīng)過(guò)電路處理后會(huì)輸出高低電平或脈沖狀態(tài)，因此對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)而言，每一個(gè)模擬電阻步長(zhǎng)的調(diào)整都是一個(gè)閉環(huán)，且需保證閉環(huán)的有效。為此，測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了阻值調(diào)整與溫控盒輸出狀態(tài)判斷兩個(gè)獨(dú)立線程，如下圖中DI Loop線程，即溫控盒輸出狀態(tài)判斷線程，循環(huán)間隔時(shí)間為5 ms，考慮模擬電阻卡輸出穩(wěn)定時(shí)間，下圖中Resistor Loop線程中其步長(zhǎng)調(diào)整循環(huán)間隔設(shè)置為50 ms，步長(zhǎng)根據(jù)子段的位置系統(tǒng)自動(dòng)匹配0.5 Ω、0.1 Ω和0.01 Ω三個(gè)檔位之一。

圖5 阻值動(dòng)態(tài)分段逼近閉環(huán)線程

經(jīng)該方法調(diào)整后，相比于固定值逼近方式，動(dòng)態(tài)分段逼近的閉環(huán)設(shè)計(jì)使得測(cè)試時(shí)間縮短了60%，且每個(gè)閉環(huán)均為有效調(diào)整，阻值閾值的讀取誤差不超過(guò)1個(gè)調(diào)整步長(zhǎng)。

4.2 溫控盒輸出閃爍狀態(tài)的低延時(shí)處理算法

一般溫控盒狀態(tài)的輸出分為兩種，一種是輸出高低電平，長(zhǎng)高或者長(zhǎng)低，一種是輸出脈沖電平，且輸出頻率不定(最小脈寬不低于100 ms)。對(duì)于第一種輸出方式，采用通用的數(shù)字采集模塊即可完成狀態(tài)獲取，而對(duì)于第二種輸出方式，需考慮除了獲取到是脈沖電平信息外，還必須限制獲取到該信息的時(shí)間。在上節(jié)中已對(duì)溫控盒模擬電阻調(diào)整及狀態(tài)獲取過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明，模擬電阻的調(diào)整間隔為50 ms，若在該段時(shí)間內(nèi)未能有效判斷溫控盒狀態(tài)輸出情況，那么模擬電阻值自動(dòng)加一個(gè)步長(zhǎng)，依次類(lèi)推。當(dāng)系統(tǒng)分析確認(rèn)溫控盒輸出的是脈沖電平時(shí)，記錄此時(shí)的模擬電阻阻值作為實(shí)際觸發(fā)溫控盒報(bào)警或消警的閾值，這樣在系統(tǒng)判斷結(jié)果與模擬電阻的調(diào)整很可能出現(xiàn)十幾個(gè)、甚至幾十個(gè)步長(zhǎng)的偏差，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不夠精確。

為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種低延時(shí)處理算法，即首先通過(guò)DIO板卡監(jiān)測(cè)到脈沖電平的上升沿，由于將數(shù)字輸入板卡設(shè)置了不低于1 kS/s的采樣率，在模擬電阻輸出間隔50 ms內(nèi)系統(tǒng)獲取的上升沿之后的數(shù)據(jù)點(diǎn)不低于20個(gè)，為了提高判斷可靠性，在采集脈沖電平時(shí)濾除可能在極端干擾情況下出現(xiàn)的異常點(diǎn)，通常尖峰干擾在ms級(jí)，本系統(tǒng)按照10 ms處理，由此系統(tǒng)獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)為不低于16個(gè)，這樣系統(tǒng)自動(dòng)判斷該數(shù)據(jù)點(diǎn)是否全為高電平，若是，那么下一個(gè)間隔50 ms內(nèi)模擬電阻暫不調(diào)整步長(zhǎng)，數(shù)字輸入板卡繼續(xù)采集后續(xù)數(shù)據(jù)，相同的方法判斷實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)是否全為低電平，若是，則認(rèn)為采集到了包含第一個(gè)上升沿的脈沖，記錄此時(shí)的模擬電阻輸出值即為實(shí)際觸發(fā)溫控盒報(bào)警或消警的閾值。該算法可有效降低脈沖輸出方式的判斷延時(shí)，提高了測(cè)試系統(tǒng)的精度。

當(dāng)然也可通過(guò)增加采樣率的方式提高判斷的樣本點(diǎn)數(shù)量，不過(guò)獲取樣本點(diǎn)的時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，二者也是互相制約的關(guān)系，可根據(jù)實(shí)際具體情況做適當(dāng)調(diào)整。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)了兩種型號(hào)溫控盒的自動(dòng)測(cè)試，模擬電阻測(cè)試在步長(zhǎng)0.1 Ω和0.01 Ω檔位時(shí)記錄閾值精度小于0.01 Ω，耗用電流測(cè)試精度小于2 mA，諸如回授時(shí)間常數(shù)的時(shí)間測(cè)試精度小于0.4 s，單項(xiàng)測(cè)試時(shí)間小于30 s。本系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試的電阻閾值精度提升了超過(guò)50%，時(shí)間常數(shù)測(cè)試精度提升了200%，產(chǎn)品整體測(cè)試時(shí)間縮短了35%，一鍵自動(dòng)測(cè)試及報(bào)表自動(dòng)生成也大大降低了人工的投入。

6 總結(jié)

綜上所述，本文提出的基于PXI總線的溫控盒自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì)，配合其外圍模塊，如程控電源、KVM顯示器等實(shí)現(xiàn)了通用飛機(jī)溫控盒的測(cè)試；同時(shí)提出的阻值動(dòng)態(tài)分段逼近閉環(huán)設(shè)計(jì)及輸出閃爍狀態(tài)的低延時(shí)處理算法有效提高了溫控盒測(cè)試過(guò)程中的速度及測(cè)試精度，且系統(tǒng)智能化程度高，易于以后系統(tǒng)的升級(jí)及擴(kuò)展，同時(shí)對(duì)溫控盒的產(chǎn)線測(cè)試提供了可借鑒的技術(shù)手段。

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