楊慶華，李樹林，屠曉偉，楊建明

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海 200444)

0 引言

飛機地面測試是飛機制造過程中的重要環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字化技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)人工地面測試已經(jīng)不能滿足新時代的生產(chǎn)力需求[1]。基于多傳感設(shè)備的地面測試工藝通過對測試過程的標(biāo)準(zhǔn)化，減少僅憑工藝人員經(jīng)驗為主的人工測試過程，大大提高了生產(chǎn)力。飛機的測試過程總是處于一個動態(tài)變化的過程，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集[2]更新不及時，缺少監(jiān)控測試過程和反饋信息的有效手段，也缺少對測試執(zhí)行過程的綜合考慮。相較于國外先進(jìn)的數(shù)字化研發(fā)模式，傳統(tǒng)的人工測試已經(jīng)成為制約國內(nèi)航空制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的極大阻礙[3]。

本文介紹了一種飛機液壓系統(tǒng)油溫地面測試模擬器的設(shè)計方案，通過測試需求、測試設(shè)計、測試用例、測試執(zhí)行、測試統(tǒng)計五個模塊，將地面測試標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化，大大提高了測試過程中的信息傳遞效率，增強了測試人員對于整體測試的把控能力。

1 油溫地面測試模擬器整體設(shè)計

1.1 飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構(gòu)

飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構(gòu)包括硬件硬件支持層、通信層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層。硬件支持層包括ARM處理器、Wi-Fi模塊、繼電器等設(shè)備。通信層采用了傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(user datagram protocol,UDP)，確保了客戶端、服務(wù)器端和硬件設(shè)備間的通信。數(shù)據(jù)管理層采用了MySQL數(shù)據(jù)庫，通過對象關(guān)系映射(object relational mapping,ORM)技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)邏輯層的映射關(guān)系。應(yīng)用支撐層采用模型-視圖-控制器(model-view-controller，MVC)架構(gòu)的Think PHP框架。應(yīng)用層包含了控制平臺各功能模塊。飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構(gòu)

1.2 功能架構(gòu)

飛機液壓油溫地面測試管控平臺的功能架構(gòu)主要由用戶管理、設(shè)備管理、測試管理、I/O管理和個人中心五部分組成。用戶管理包括了登錄模塊和修改個人信息。I/O管理通過IP、端口等信息添加設(shè)備節(jié)點。測試管理包括了測試需求、測試設(shè)計、測試用例、測試執(zhí)行和測試統(tǒng)計五部分。個人中心是系統(tǒng)后臺，包括了系統(tǒng)的運行和個人設(shè)置等基本信息。飛機液壓油溫地面測試管控平臺的功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 功能架構(gòu)

1.3 通信模式

本文設(shè)計的飛機液壓系統(tǒng)油溫地面測試模擬器由瀏覽器、服務(wù)器和地面設(shè)備三部分構(gòu)成。用戶通過瀏覽器與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議，通過I/O管理模塊設(shè)置IP地址、I/O端口等信息，支持多設(shè)備同時通信。系統(tǒng)后端會獲取前端頁面設(shè)備的IP地址、端口等信息，建立Socket接口，與地面測試設(shè)備進(jìn)行通信。系統(tǒng)通信模式如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信模式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計框架

控制平臺基于國產(chǎn)輕量級Think PHP框架進(jìn)行開發(fā)。該框架秉承極簡原則，基于PHP和Apache協(xié)議，致力于解放冗余的開發(fā)過程，在Web領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Think PHP框架基于MVC設(shè)計模式，即模型、視圖和控制器[4]，徹底將業(yè)務(wù)邏輯層和視圖表現(xiàn)層進(jìn)行剝離，具有邏輯清晰和易維護(hù)的優(yōu)點。

模型是MVC架構(gòu)的主體部分，包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯，同時負(fù)責(zé)訪問和更新持久化數(shù)據(jù)。模型可以為視圖提供數(shù)據(jù)，而視圖又可以從不同的角度來表達(dá)模型[4]。通過這種一對多的模式，可達(dá)到簡化代碼的目的?？刂破髯鳛橐晥D和模型之間的橋梁，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個應(yīng)用程序的運作。視圖的作用就是搭建與用戶交互的圖形化界面。

2.2 軟件業(yè)務(wù)流程

軟件系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)(browser/server,B/S)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。用戶通過瀏覽器與服務(wù)器進(jìn)行交互，并且系統(tǒng)采用了詢問-應(yīng)答的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。首先，通過添加I/O設(shè)備，以及新建測試需求、測試設(shè)計、測試用例的方式建立測試項目；然后，通過測試執(zhí)行模塊進(jìn)行控制指令的下發(fā)。地面設(shè)備收到控制命令以后，首先進(jìn)行命令解析，執(zhí)行相應(yīng)操作以后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼；然后將結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器經(jīng)過解碼操作，傳遞給瀏覽器進(jìn)行展示。業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)流程圖

2.3 用戶管理模塊

本系統(tǒng)的用戶管理模塊以基于角色的訪問控制權(quán)限(role-based access control，RBAC)模型為基礎(chǔ)，通過Session中的用戶信息判斷用戶角色，對不同的角色分配不同的權(quán)限。不同的權(quán)限對應(yīng)不同的視圖[5]，增強了信息資源的保密性。用戶權(quán)限管理分為兩層。第一層是系統(tǒng)登陸時對用戶身份進(jìn)行驗證，通過數(shù)據(jù)層的返回值與視圖獲取值判斷用戶名、密碼等信息，從而獲得用戶的合法性和權(quán)限。第二層是用戶操作時，根據(jù)用戶的角色權(quán)限驗證用戶的操作權(quán)限，判斷是否滿足操作請求。登錄流程如圖5所示。

圖5 登錄流程圖

后臺操作用戶管理模塊可以對系統(tǒng)用戶進(jìn)行管理。基于上述的權(quán)限控制模型進(jìn)行角色權(quán)限設(shè)置。用戶管理模塊以表格的形式展示了系統(tǒng)所有用戶的操作權(quán)限，包括默認(rèn)模塊、是否可登錄后臺，用戶名是否有效等權(quán)限。

2.4 I/O管理模塊

設(shè)備管理結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 設(shè)備管理結(jié)構(gòu)

I/O管理模塊采用樹狀結(jié)構(gòu)來管理系統(tǒng)的I/O設(shè)備。用戶可以新建一個根節(jié)點來維護(hù)自己的測試設(shè)備。子節(jié)點代表同一個IP地址下的設(shè)備。相同IP地址下的設(shè)備按照ID來區(qū)分。這樣的結(jié)構(gòu)既便于存儲和管理，又能提高設(shè)備節(jié)點的復(fù)用率。測試人員可以通過不同的根節(jié)點尋找需要的測試設(shè)備節(jié)點，并將其添加在需要的測試設(shè)計中。

2.5 測試管理模塊

測試管理模塊包含測試需求、測試設(shè)計、測試用例、測試執(zhí)行、測試統(tǒng)計五部分。測試需求可以添加測試項目的名稱和描述。測試設(shè)計針對測試需求制定，包括具體的測試項目進(jìn)行控制命令的設(shè)置和測試設(shè)備的選擇。測試用例可以添加多個測試設(shè)計進(jìn)行組合測試。測試執(zhí)行選擇測試用例進(jìn)行測試。測試統(tǒng)計是對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計后期包括測試正確率和測試項。

針對航空測試設(shè)備的復(fù)雜性，特殊測試項目需要人為參與。測試設(shè)計中提供了自動測試和手動測試兩種模式。自動測試需要用戶選擇相應(yīng)的測試設(shè)備和控制指令。手動測試則需要填寫相應(yīng)的測試項目和預(yù)期的測試結(jié)果。當(dāng)程序執(zhí)行到相應(yīng)的測試模式時，自動測試會建立Socket通信，進(jìn)行控制命令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的采集。手動測試則會在界面上顯示詳細(xì)的測試過程以等待人工測試，并且提供超時提醒。測試執(zhí)行流程如圖7所示。

圖7 測試執(zhí)行流程圖

2.6 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的軟件部分是基于Think PHP框架進(jìn)行設(shè)計的。該框架使用了ORM技術(shù)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行映射。ORM技術(shù)是一種通過解釋邏輯層的對象與數(shù)據(jù)層關(guān)系的映射關(guān)系，從而將對象持久化到數(shù)據(jù)庫的技術(shù)。簡而言之，就是建立數(shù)據(jù)層與邏輯層的聯(lián)系，簡化邏輯層訪問數(shù)據(jù)層的操作步驟，隱藏了數(shù)據(jù)訪問和細(xì)節(jié)，使開發(fā)人員專注于邏輯開發(fā)，從而大大降低代碼的冗余性、節(jié)省系統(tǒng)資源。

Think PHP框架采用的ORM模型具有Active Record模式屬性,是一種改進(jìn)型ORM模型。該模型中：表映射到類；記錄(集)映射到對象；字段屬性映射到對象的虛擬屬性[6-7]。該模型最大的進(jìn)步就是進(jìn)一步簡化了開發(fā)過程。

Think PHP框架在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的時候運用了Ajax技術(shù)。其開發(fā)核心是XHR對象，使用前臺腳本創(chuàng)建相應(yīng)的對象，通過實例向后臺發(fā)送HTTP請求；后臺響應(yīng)并通過Ajax得到處理后的數(shù)據(jù)。瀏覽器在頁面無刷新前提下與后臺交換數(shù)據(jù)，對網(wǎng)頁內(nèi)容進(jìn)行局部刷新，減輕服務(wù)器和帶寬的負(fù)擔(dān)，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量[8]。

Ajax與ThinkAjax對比如圖8所示。

圖8 Ajax與ThinkAjax對比

通過與傳統(tǒng)Ajax技術(shù)比較可以發(fā)現(xiàn)，ThinkAjax相當(dāng)于一個中間件，使客戶端可以直接通過該中間件進(jìn)行前后端的數(shù)據(jù)傳遞。這就避免了大量的Ajax代碼冗余、降低了開發(fā)難度，使開發(fā)人員更加專注于邏輯開發(fā)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

模擬器使用ARM處理器進(jìn)行編碼，通過控制不同電阻值的通斷以獲取不同的電阻值。不同的電阻值對應(yīng)不同的油箱溫度。

阻值與溫度對應(yīng)表如表1所示。

表1 阻值與溫度對應(yīng)表

系統(tǒng)硬件連接如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)硬件連接圖

設(shè)計采用模塊化設(shè)計準(zhǔn)則，主要分為四大模塊：主控模塊、Wi-Fi模塊、電源管理模塊、溫度控制模塊。主控模塊使用stm32f103c8t6處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具有穩(wěn)定性高、讀寫速度快、功耗低[9]等特點，能夠滿足航空地面測試的需求。Wi-Fi模塊采用ESP8266WIFI，其抗干擾能力強、傳輸可靠、功耗低。電源管理模塊由充電保護(hù)模塊、過熱保護(hù)模塊、穩(wěn)壓模塊組成。

溫度控制模塊使用HFD4/5繼電器和不同規(guī)格的電阻，采用不同精度的固定值電阻與繼電器相結(jié)合的方式，通過控制繼電器的通斷，控制串聯(lián)電阻的大小。如圖9所示，電路中的電阻阻值范圍為0.1～512 Ω，后一個電阻是前一個電阻的2倍。采用進(jìn)制算法計算所需要的阻值，由于最小電阻為0.1 Ω，所以模擬器的精度為0.1 Ω。最大阻值為所有電阻阻值之和。

4 系統(tǒng)測試與分析

測試平臺將測試流程規(guī)范化，通過測試管理模塊進(jìn)行測試項目的設(shè)計與執(zhí)行，并且統(tǒng)計測試結(jié)果，極大地加快了測試進(jìn)度。

系統(tǒng)依賴框架的權(quán)限-角色機制[10]進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)限分配，實現(xiàn)了系統(tǒng)信息的可控，也簡化了測試流程。

測試設(shè)計的時候加入了自動模式和手動模式的選擇，加強了測試的靈活性。經(jīng)過測試，軟件平臺各部分功能良好。

系統(tǒng)硬件支撐層的溫度控制模塊采用繼電器與電阻并聯(lián)的方案，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了用有限個電阻組合成所有電阻值的目標(biāo)。通常認(rèn)為，繼電器的電阻接近于無窮大，因此不考慮繼電器阻值對于模擬器的影響。但是實際的繼電器阻值是一個定值，所以理論值與實際模擬器的阻值存在誤差。

模擬器阻值測試如表2所示。

由表2可知，測量值與實際值有一定的誤差，但最大誤差為0.25%，對于航空模擬油溫系統(tǒng)來說該影響可以忽略不計?？傮w來說，系統(tǒng)運行正常，達(dá)到了設(shè)計的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)油溫模擬測量的目標(biāo)。

表2 模擬器阻值測試表

5 結(jié)論

本文介紹了一種飛機液壓系統(tǒng)油溫地面測試模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)，通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的測試流程，實現(xiàn)了航空地面測試的數(shù)字化。系統(tǒng)架構(gòu)包括硬件支持層、通信層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層五部分。軟件部分實現(xiàn)的主要功能是用戶權(quán)限驗證與登錄、I/O設(shè)備管理、測試管理三個部分。整個系統(tǒng)基于Think PHP框架搭建，借助于框架底層成熟的ORM技術(shù)建立系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系，并且依托于內(nèi)置的ThinkAjax引擎簡化Ajax代碼開發(fā)過程、降低系統(tǒng)開發(fā)周期。硬件設(shè)計部分使用ARM處理器編碼。繼電器與定值電阻進(jìn)行并聯(lián)再串聯(lián)的方式可模擬一定范圍的電阻阻值，從而反映油溫情況。

本文通過對幾組電阻阻值的測試發(fā)現(xiàn)：由于繼電器存在一定的阻值，導(dǎo)致理論值與實際值有些誤差。但是，該誤差很小，不影響油溫系統(tǒng)的模擬測量。

油溫模擬器的實現(xiàn)為地面測試提供了一個全新的思路，測試流程的標(biāo)準(zhǔn)化和通信系統(tǒng)的建立可以增強系統(tǒng)的擴展性。后期可以設(shè)計各種各樣的傳感器，實現(xiàn)地面測試的全數(shù)字化、流程化管理，從而提高地面測試的速度、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。