劉歡，肖鵬，廖春云

（1.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007；2.上海航翼高新技術(shù)發(fā)展研究院有限公司，上海 200082）

1 前言

隨著國(guó)內(nèi)外航空技術(shù)的迅速發(fā)展，以及新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法逐漸應(yīng)用在當(dāng)前航空領(lǐng)域，尤其在航空電子方向由于當(dāng)前機(jī)載平臺(tái)逐漸增多，航空電子設(shè)備向自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化、綜合化和智能化的方向快速發(fā)展。為了滿足當(dāng)前機(jī)載航電設(shè)備出廠測(cè)試、過(guò)程維修等相關(guān)需要，針對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試設(shè)備也同樣需要具備自動(dòng)化程度高、設(shè)計(jì)靈活、開(kāi)發(fā)周期短并能夠?qū)崿F(xiàn)在線更新等相關(guān)特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器，其結(jié)構(gòu)固定、功能單一，已不能滿足航空電子產(chǎn)品對(duì)性能和功能的需求變化。

為了進(jìn)一步匹配航空電子產(chǎn)品測(cè)試需求，提高航空測(cè)試設(shè)備的兼容性、開(kāi)發(fā)性和通用性，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，虛擬儀器技術(shù)正在被廣泛應(yīng)用到當(dāng)前航空測(cè)試設(shè)備的開(kāi)發(fā)中。與傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)使用更加靈活，功能構(gòu)建較為簡(jiǎn)單，且具備通用性，能夠更好地適配當(dāng)前航空電子產(chǎn)品的快速迭代及發(fā)展需要。任代蓉基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)航空測(cè)試設(shè)備并進(jìn)行校準(zhǔn)，楊成基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種航空電子設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)。本文針對(duì)座艙照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品，提出了一種基于PXI 總線模式的多功能航空測(cè)試設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)座艙照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品的調(diào)試、交付試驗(yàn)、驗(yàn)收、系統(tǒng)聯(lián)試、故障排除中的測(cè)試要求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

座艙照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品主要是通過(guò)RS422 雙工通訊方式控制座艙內(nèi)的導(dǎo)光板、信號(hào)燈、泛光燈以及傳感器等相關(guān)組件。因此，針對(duì)航電產(chǎn)品的測(cè)試設(shè)備需要具備以下功能：具備設(shè)備自檢及自保護(hù)功能；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品性能和功能檢測(cè)；具備對(duì)被測(cè)產(chǎn)品從單項(xiàng)功能到系統(tǒng)綜合測(cè)試能力；能夠?qū)⒑诵年P(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)化存儲(chǔ)并支持關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取及保存；能夠?qū)崿F(xiàn)與產(chǎn)品間實(shí)時(shí)通訊，可以利用上位機(jī)發(fā)送指令對(duì)產(chǎn)品實(shí)行控制，下載產(chǎn)品所需要的控制曲線以及相應(yīng)軟件版本。

座艙照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品通過(guò)連接器與外部交聯(lián)，因此，在測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中采用“PXI 測(cè)試平臺(tái)+適配箱+專測(cè)線纜”方式。座艙照明控制測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1 所示。設(shè)計(jì)以PXI 工控機(jī)平臺(tái)為核心的測(cè)控箱，包括外圍輸入輸出設(shè)備如顯示器、鍵盤(pán)鼠標(biāo)和打印機(jī)；設(shè)計(jì)適配箱為測(cè)控箱和用戶產(chǎn)品提供信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)接和電氣交聯(lián)關(guān)系；設(shè)計(jì)負(fù)載箱為用戶產(chǎn)品控制盒驅(qū)動(dòng)輸出提供模擬負(fù)載；設(shè)計(jì)基于LabVIEW 軟件平臺(tái)，可以反映出產(chǎn)品實(shí)時(shí)信號(hào)的變化，對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析和處理，利用顯示器形象直觀地表達(dá)測(cè)試結(jié)果，從而判斷產(chǎn)品本身的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 座艙照明控制測(cè)試系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

航電測(cè)試設(shè)備是基于通用PXI 平臺(tái)上所構(gòu)建的，通過(guò)自主研制的適配箱為PXI 測(cè)試平臺(tái)和用戶產(chǎn)品提供信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)接和電氣交聯(lián)關(guān)系。如圖2 所示PXI 測(cè)控箱和適配箱系統(tǒng)框圖。由于PXI 測(cè)試平臺(tái)選定為美國(guó)國(guó)家儀器（NI）相關(guān)設(shè)備，所選定數(shù)字量輸入輸出板卡、模擬量采集板卡、模擬量輸出板卡本身相關(guān)特性限制，需要對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，因此，自研發(fā)相應(yīng)硬件調(diào)理電路，如編碼器信號(hào)輸出電平轉(zhuǎn)換電路、繼電器調(diào)理電路、電壓隔離調(diào)理電路、電流測(cè)量調(diào)理電路、電壓輸出調(diào)理電路。

圖2 PXI 測(cè)控箱和適配箱系統(tǒng)框圖

3.2 電壓調(diào)理電路設(shè)計(jì)

針對(duì)被測(cè)產(chǎn)品信號(hào)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)被測(cè)產(chǎn)品電壓信號(hào)是需要采集的重要信號(hào)，并且在產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中，需要通過(guò)物理隔離方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)隔離及保護(hù)。按照設(shè)計(jì)需求以及板卡特性，需要將產(chǎn)品0 ～30V 的電壓線性轉(zhuǎn)換成0 ～5V，提供板卡進(jìn)行信號(hào)采集，并且電壓信號(hào)包含導(dǎo)光板電壓信號(hào)、泛光燈電壓信號(hào)、信號(hào)燈電壓信號(hào)、傳感器電壓信號(hào)，被測(cè)產(chǎn)品需要測(cè)試設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行隔離，因此沒(méi)有現(xiàn)成的產(chǎn)品直接采用，并且因?yàn)楦綦x需求，所以不能簡(jiǎn)單采用電阻分壓的方式對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理。為滿足需求采用自研模塊方式實(shí)現(xiàn)。

為了滿足本次產(chǎn)品需求，選用線性光耦進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。線性光耦輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化而成比例變化，精度高，受溫度影響小。本次設(shè)計(jì)以HCNR201 線性光耦為核心器件設(shè)計(jì)電壓調(diào)理電路,如圖3 線性光耦HCNR201 模擬電壓隔離電路所示。采用此隔離電路進(jìn)行隔離必定會(huì)使得模擬電壓產(chǎn)生一定的誤差，但是因?yàn)榫€性光耦的特性決定了輸出具有很好的線性度，利用此特性通過(guò)軟件進(jìn)行誤差修正補(bǔ)償，向隔離電路提供隔離電壓值，然后讀取采集到的修正值，利用一次函數(shù)特性，求出實(shí)際值，并在軟件中做好參數(shù)補(bǔ)償。

圖3 線性光耦HCNR201 模擬電壓隔離電路

電壓隔離電路由HCNR201 線性光耦中的LED、運(yùn)放U1 和光敏二極管P1 以及電阻電容組成隔離電路輸入部分，光敏二極管P2 和運(yùn)放U2 組成隔離電路輸出部分。假設(shè)隔離電路輸入電壓為VIN，輸出電壓為VOUT，LED 上電流為I1，二極管P1 上產(chǎn)生的電流為Ip1，二極管P2上產(chǎn)生電流為Ip2。在計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)運(yùn)放U1 為理想運(yùn)放，電流不會(huì)流入運(yùn)放U1 的輸入端，流過(guò)R1 的電流將會(huì)流過(guò)P1 到地，則：

Ip1 值只取決于運(yùn)放的輸入電壓VIN和R1 的值，與LED 的光輸入特性沒(méi)有直接關(guān)系。因此，LED 發(fā)光同時(shí)光強(qiáng)照射在線性光耦的光敏二極管上，并且P1 和P2 完全相同的，理想情況下Ip2 應(yīng)該等于Ip1。定義一個(gè)系數(shù)K，則：

K 約為1±5%。運(yùn)放U2 和電阻R2 把Ip2 轉(zhuǎn)變成輸出電壓VOUT，則：

聯(lián)立（1）、（2）、（3）公式得到輸出電壓和輸入電壓關(guān)系：

因此，輸入電壓VOUT具有線性和穩(wěn)定性，其增益可以通過(guò)調(diào)節(jié)R1、R2 的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此電路中電阻R1 起到限流作用。通過(guò)控制R3 阻值實(shí)現(xiàn)LED 發(fā)光強(qiáng)度變換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制通道增益。電容用于提高電路整體穩(wěn)定性。運(yùn)放UI 的作用主要是將對(duì)外部采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，運(yùn)放U2 的作用是在內(nèi)部采集端將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并且增強(qiáng)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。針對(duì)被測(cè)產(chǎn)品中所提及相關(guān)測(cè)試信號(hào)需要實(shí)現(xiàn)完全隔離，不僅要求信號(hào)本身具備隔離作用，并且要求隔離前后電路工作電源也需要達(dá)到完全隔離。因此，電路中前后運(yùn)算放大器均采用獨(dú)立電源供電，便可以實(shí)現(xiàn)完全隔離作用。

3.3 電流調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電流信號(hào)也是被測(cè)產(chǎn)品需要采集的重要信號(hào)之一。按照設(shè)計(jì)需求以及板卡特性，需要將產(chǎn)品0 ～800mhA的電流信號(hào)線性調(diào)理成0 ～5VDC，提供板卡進(jìn)行信號(hào)采集，并且電流信號(hào)包含導(dǎo)光板電流信號(hào)、泛光燈電流信號(hào)、信號(hào)燈電流信號(hào)，因此沒(méi)有現(xiàn)成的產(chǎn)品直接采用，為滿足需求采用自研模塊方式實(shí)現(xiàn)。

為了滿足本次產(chǎn)品需求，選用閉環(huán)式霍爾電流傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。如圖4 閉環(huán)霍爾電流傳感器原理示意圖所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器工作原理是原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)過(guò)放大產(chǎn)生的副邊電流Is通過(guò)副邊線圈所產(chǎn)生的磁通量相平衡，副邊電流Is精確地反應(yīng)原邊電流，電流通過(guò)匹配電阻RM 從而產(chǎn)生電壓值輸出。滿足本次產(chǎn)品0 ～800mhA 的測(cè)試需求，因此選用量程為1A 的霍爾電流傳感器，如圖5 輸入電流與輸出電壓關(guān)系圖所示，當(dāng)電路中沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，霍爾傳感器產(chǎn)生參考電壓2.5V；當(dāng)輸入電流在-1 ～1A 時(shí)，輸出電壓成線性關(guān)系（x 表示電流，y 表示電壓）：

圖5 輸入電流與輸出電壓關(guān)系圖

當(dāng)輸入電流大于1A 或是小于-1A 時(shí)，輸出電壓為4.5V 不變。

4 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及構(gòu)架是為被測(cè)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性能及功能檢測(cè)的重要保證，同時(shí)，也是提高測(cè)試設(shè)備性能和兼容性擴(kuò)展要求，是整個(gè)測(cè)試設(shè)備研制中的重要環(huán)節(jié)。座艙照明控制系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的軟件運(yùn)行于Windows 系統(tǒng)上，主程序采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，軟件模式為生成者消費(fèi)者，底層調(diào)用DAQmx 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，軟件的整體構(gòu)架模塊，如圖6 座艙照明控制系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備軟件總體功能結(jié)構(gòu)所示。

圖6 座艙照明控制系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備軟件總體功能結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)主要由四個(gè)功能模塊組成：DAQ 數(shù)據(jù)采集、人機(jī)界面、輔助功能和結(jié)果處理輸出模塊。各模塊及其包含子模塊的功能劃分如下：（1）DAQ 數(shù)據(jù)采集是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)試板卡的數(shù)據(jù)、算法處理和測(cè)試流程執(zhí)行；（2）輔助功能是對(duì)整個(gè)運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)及操作員進(jìn)行管理、監(jiān)控；（3）結(jié)果輸出是將測(cè)試結(jié)果以直觀的圖表形式輸出給用戶，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理；（4）人機(jī)界面是為操作人員提供良好的交互環(huán)境，包括對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)測(cè)、產(chǎn)品進(jìn)行LRU 單測(cè)的操作控制和采集顯示界面。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際產(chǎn)品需求出發(fā)，通過(guò)利用“PXI 測(cè)試平臺(tái)+適配箱+專測(cè)線纜”硬件平臺(tái)同時(shí)結(jié)合虛擬儀器技術(shù)軟件方法，研制出滿足當(dāng)前多功能需求航電綜合測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了軟硬件分離和系統(tǒng)兼容性需求。當(dāng)前，該測(cè)試設(shè)備已成功應(yīng)用于座艙照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)、測(cè)試、聯(lián)調(diào)、排故、出廠、維保等多個(gè)環(huán)節(jié)，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用證明后，該測(cè)試設(shè)備軟硬件分離設(shè)計(jì)合理、自動(dòng)化數(shù)字化程度高、工作穩(wěn)定可靠、操作方便。與傳統(tǒng)測(cè)試儀器相比其兼容性好，易于擴(kuò)展和升級(jí)換代。并且只要定義好相關(guān)線纜制作，同樣可以滿足其他類似產(chǎn)品的檢測(cè)，避免了測(cè)試設(shè)備的重復(fù)開(kāi)發(fā)和投入。