李燕南 梁向東 楊定華 易向軍 朱春生

摘要：本文論述了一種模擬飛機(jī)壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、角度等多路多種傳感器信號(hào)的控制輸出與實(shí)時(shí)顯示給航電系統(tǒng)用于交聯(lián)檢測(cè)，并通過(guò)ARINC 429總線進(jìn)行信號(hào)回采與解析，實(shí)施閉環(huán)半實(shí)物仿真的檢測(cè)系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)構(gòu)成及使用虛擬儀器技術(shù)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于大型水陸兩棲飛機(jī)的交聯(lián)測(cè)試，極大提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：傳感器;虛擬儀器;半實(shí)物仿真

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???? DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.005

飛機(jī)總裝調(diào)試階段中航電與機(jī)電系統(tǒng)的交聯(lián)檢測(cè)非常重要。大型水陸兩棲飛機(jī)航電與機(jī)電系統(tǒng)的交聯(lián)情況主要是通過(guò)航電系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組告警系統(tǒng)（EICAS）顯示畫(huà)面和電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）主飛行顯示畫(huà)面進(jìn)行顯示。在地面總裝調(diào)試階段，很多傳感器信號(hào)是不能按照飛機(jī)空中狀態(tài)實(shí)施加載的，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、扭矩壓力、油門(mén)角度、風(fēng)門(mén)位置等，只能通過(guò)更換不同的外部專用儀器來(lái)模擬此類傳感器的信號(hào)給航電系統(tǒng)，從而完成交聯(lián)測(cè)試。

虛擬儀器技術(shù)是目前測(cè)控領(lǐng)域最為流行的技術(shù)之一，具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等明顯優(yōu)點(diǎn)。PXI總線具有快速的數(shù)據(jù)傳輸能力、靈活性高、兼容性好、開(kāi)放式構(gòu)架等優(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展成為在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的測(cè)試設(shè)備。

為解決飛機(jī)交聯(lián)系統(tǒng)復(fù)雜測(cè)試環(huán)境下，使用老式測(cè)試方法工作效率低、功能單一、擴(kuò)展性不高、線纜連接復(fù)雜的問(wèn)題，提出了一種基于PXI總線和虛擬儀器技術(shù)的航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。

1檢測(cè)設(shè)備的總體方案

1.1飛機(jī)航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)信號(hào)關(guān)系

本檢測(cè)設(shè)備涉及的航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)測(cè)試主要是通過(guò)飛機(jī)液壓源系統(tǒng)、剎車壓力系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)指示系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油和控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)等與飛機(jī)航電系統(tǒng)進(jìn)行交聯(lián)，共需仿真非航電系統(tǒng)的50多路模擬信號(hào)、20多路開(kāi)關(guān)信號(hào)、5路轉(zhuǎn)速信號(hào)和4路電阻信號(hào)，同時(shí)需要回采系統(tǒng)鏈路的ARINC 429信號(hào)。

1.2本檢測(cè)設(shè)備總體配置方案

本檢測(cè)設(shè)備采用虛擬儀器技術(shù)，它將傳統(tǒng)單個(gè)分立儀器的功能進(jìn)行組合，集中到一臺(tái)工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果顯示與輸出的功能。

根據(jù)測(cè)試任務(wù)和便攜式檢測(cè)設(shè)備的要求，本檢測(cè)設(shè)備選用如下配置方案：采用PXI總線，通過(guò)D/A模塊輸出虛擬有源信號(hào)，I/O模塊輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，電阻模塊輸出電阻信號(hào)，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器模塊輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，同時(shí)通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類、解析處理，ARINC 429模塊用于接收429總線信號(hào)，最后通過(guò)虛擬儀器面板對(duì)仿真的傳感器信號(hào)進(jìn)行輸出，同時(shí)對(duì)回采的429數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、實(shí)時(shí)顯示?；赑XI總線，采用虛擬儀器技術(shù)的航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備原理框圖如圖1所示。

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試對(duì)接電纜將檢測(cè)設(shè)備與飛機(jī)的待測(cè)對(duì)象相連，ARINC 429總線的對(duì)接電纜與飛機(jī)分離面的總線接口相連，設(shè)備主控制器發(fā)出各類仿真控制信號(hào)，通過(guò)電纜傳輸給飛機(jī)各交聯(lián)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)鏈路中的429總線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解算，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，所有的數(shù)據(jù)亦可在飛機(jī)的EICAS或EFIS顯示畫(huà)面進(jìn)行顯示。

2系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示，整個(gè)航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的硬件系統(tǒng)集成為一個(gè)一體化便攜式結(jié)構(gòu)，其中包括安裝了各類PXI模塊的機(jī)箱、電源模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)接、適配插座等，將它們集中整合到一個(gè)機(jī)箱結(jié)構(gòu)中，便于飛機(jī)的在線檢測(cè)。硬件系統(tǒng)基本上分為三個(gè)部分，包括數(shù)據(jù)采集與控制模塊、信號(hào)調(diào)理單元和測(cè)試電纜。

2.1數(shù)據(jù)采集與控制模塊

基于PXI總線，采用虛擬儀器技術(shù)的配置方案，選用的D/A數(shù)據(jù)采集模塊，這些數(shù)據(jù)采集與控制模塊的主要作用為：（1）通過(guò)D/A通道、繼電器通道經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)接、適配接口單元分別向待測(cè)對(duì)象發(fā)出模擬量和開(kāi)關(guān)量控制信號(hào);（2）使用可編程電阻卡、函數(shù)發(fā)生器卡分別給待測(cè)對(duì)象發(fā)出電阻信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào);（3）使用毫伏信號(hào)源卡向待測(cè)對(duì)象發(fā)出微小電壓信號(hào)。

2.2信號(hào)調(diào)理單元

航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)需模擬的傳感器種類繁多，轉(zhuǎn)換為電壓輸出的范圍也非常廣，有的精度相當(dāng)高（如發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)排氣溫度的精度為毫伏級(jí)），有的電壓范圍需達(dá)到幾十伏。要保證地面模擬的準(zhǔn)確性，同時(shí)考慮到設(shè)備的便攜性，針對(duì)微小信號(hào)的處理本檢測(cè)設(shè)備采用毫伏信號(hào)源模塊做為有源信號(hào);超出板卡±10V量程的電壓信號(hào)，自行設(shè)計(jì)了一塊PXI總線的信號(hào)調(diào)理模塊用于安插在PXI插槽中，節(jié)省了空間。同時(shí)針對(duì)不同開(kāi)關(guān)量的測(cè)試，通過(guò)將電源模塊輸出信號(hào)進(jìn)行分類與梳理，將其分支分別接入繼電器板卡的NO端，通過(guò)軟件控制接通相應(yīng)的邏輯信號(hào)。根據(jù)測(cè)試需求，信號(hào)調(diào)理單元的主要功能有：（1）通過(guò)PXI總線信號(hào)調(diào)理模塊，可以實(shí)現(xiàn)輸出±30V可調(diào)電壓信號(hào)、0?24mA可調(diào)恒流源信號(hào)以及±0.5 V可調(diào)電壓信號(hào);（2）需模擬的傳感器I/O信號(hào)通過(guò)電源模塊的分類，分別連接發(fā)送給待測(cè)對(duì)象;（3）將每個(gè)需模擬的傳感器信號(hào)進(jìn)行歸納、整理，分類控制。

2.3測(cè)試電纜

根據(jù)機(jī)上待測(cè)對(duì)象分布的不同位置，同時(shí)考慮各種測(cè)試干擾、電磁環(huán)境等因素，大部分線束線纜采用雙絞屏蔽電纜，同時(shí)將屏蔽層、信號(hào)源接地線與飛機(jī)的搭地螺母連接。對(duì)油量信號(hào)等特殊用途的線纜，其屏蔽層采用單端接地處理形式。

3系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

軟件是整個(gè)檢測(cè)設(shè)備的核心部分。本設(shè)備的操作系統(tǒng)采用Windows 7作為系統(tǒng)平臺(tái)，選用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（NI）的Lab Windows/C VI集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)軟件包括仿真控制分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)兩大分系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2仿真控制分系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

從測(cè)試需求、被測(cè)信號(hào)類型和特性出發(fā)，仿真控制分系統(tǒng)的主要功能是為飛機(jī)航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)提供仿真的傳感器信號(hào)，并實(shí)時(shí)輸出。本分系統(tǒng)軟件劃分為7個(gè)模塊：主程序、參數(shù)配置、系統(tǒng)分類、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與解算、系統(tǒng)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析和退出。各模塊相互獨(dú)立，通過(guò)主程序的人機(jī)界面調(diào)用和控制各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)其功能。其軟件流程如圖3所示。

由于各系統(tǒng)仿真的傳感器與航電系統(tǒng)的交聯(lián)輸出信號(hào)有壓力、溫度、油位、轉(zhuǎn)速、油量、角度、風(fēng)門(mén)位置等，各傳感器具有線性特性，但傳感器的實(shí)際特性卻是非線性的曲線，通過(guò)分析傳感器信號(hào)的特性及工作流程，對(duì)于實(shí)際工作在線性區(qū)域的傳感器，進(jìn)行物理量與電壓/電阻的函數(shù)轉(zhuǎn)換，得到換算的線性方程;對(duì)于實(shí)際工作在非線性區(qū)域的傳感器，可采用常用的最小二乘法建立數(shù)學(xué)模型。由于本設(shè)備傳感器工作區(qū)間基本為線性區(qū)域或?yàn)榉侄尉€性區(qū)間，因此可建立線性函數(shù)模型。

3.3數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)

為分析仿真的傳感器信號(hào)與航電系統(tǒng)交聯(lián)后，系統(tǒng)鏈路的顯示與動(dòng)作是否滿足測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)軟件，從而形成閉環(huán)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。本檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)回采主要是通過(guò)ARINC 429總線進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和解析，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，采用了Lab Windows/C VI的多線程技術(shù)進(jìn)行軟件編程。其軟件流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)軟件主要分為5個(gè)模塊：主程序、板卡參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析和退出。航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)測(cè)試運(yùn)行后，ARINC 429總線實(shí)時(shí)將回采的數(shù)據(jù)按照接口控制文件（ICD）進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，通過(guò)將仿真輸出的傳感器數(shù)據(jù)與ARINC 429總線回采的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以隨時(shí)查看故障情況，判斷測(cè)試是否正常。

4測(cè)試實(shí)例與結(jié)果分析

利用本文構(gòu)建的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)對(duì)某大型水陸兩棲飛機(jī)的航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)人機(jī)交互界面，在仿真控制模塊中輸入所需仿真的傳感器信號(hào)，如圖5所示，在測(cè)試平臺(tái)模擬仿真航電與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)交聯(lián)的油門(mén)角度、轉(zhuǎn)速、排氣溫度、扭矩壓力、風(fēng)門(mén)位置、振動(dòng)加速度、滑油溫度、滑油壓力和滑油油量等信號(hào)，通過(guò)測(cè)試電纜傳輸給飛機(jī)各交聯(lián)系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果可在飛機(jī)的EICAS顯示器或EFIS顯示器上顯示，同時(shí)也可通過(guò)測(cè)試平臺(tái)與飛機(jī)分離面ARINC 429總線的連接，在測(cè)試平臺(tái)的顯示界面上獲得解析的數(shù)據(jù)。通過(guò)圖5仿真信號(hào)的輸出，可以看到飛機(jī)顯示界面的數(shù)據(jù)與模擬控制參數(shù)一致，同時(shí)通過(guò)與飛機(jī)維護(hù)口蓋連接的飛行參數(shù)一線測(cè)試儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明測(cè)試平臺(tái)仿真數(shù)據(jù)、飛機(jī)顯示器顯示數(shù)據(jù)以及飛行參數(shù)測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)三者數(shù)據(jù)一致。

5結(jié)束語(yǔ)

本文航電與機(jī)電系統(tǒng)交聯(lián)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵在于仿真與飛機(jī)航電系統(tǒng)交聯(lián)的傳感器信號(hào)分析，根據(jù)模擬的傳感器特性，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模;同時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)回采，構(gòu)成閉環(huán)半實(shí)物仿真。這種在線檢測(cè)的自動(dòng)化檢測(cè)方法比傳統(tǒng)儀器的檢測(cè)省時(shí)省力，極大提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。另外，本檢測(cè)設(shè)備只需要更換被測(cè)對(duì)象接口適配器并在應(yīng)用程序中增加特定的子程序，就可應(yīng)用于其他類型飛機(jī)的相關(guān)測(cè)試中，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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