通用飛機(jī)綜合航電測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

段容宜，，王海斌，楊 江，劉 英

(1.中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川廣漢618307;2.中國(guó)民航飛行學(xué)院修理廠，四川 廣漢618307)

1 引言

隨著通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通用飛機(jī)上正逐漸大量安裝綜合航電系統(tǒng)。以中國(guó)民航飛行學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱飛行學(xué)院)為例，200余架各機(jī)型訓(xùn)練機(jī)中80%已安裝綜合航電系統(tǒng)。綜合航電系統(tǒng)功能先進(jìn)、可靠性高，但系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，特別是綜合化的設(shè)計(jì)思想，使得航電系統(tǒng)在深度維修方面存在很多困難[1－3]。

飛行學(xué)院裝載的綜合航電系統(tǒng)是多個(gè)功能子系統(tǒng)的集合，由11個(gè)不同功能的外場(chǎng)可更換單元(Line Replaceable Unit，LRU)組成[4]。該型綜合航電系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)沒有相關(guān)的維修能力，由于國(guó)外實(shí)施技術(shù)封鎖，研究其系統(tǒng)的資料和文獻(xiàn)極少。國(guó)內(nèi)的維修能力基本局限在更換場(chǎng)外可更換組件的水平，部件級(jí)的維修只能返回生產(chǎn)廠家[5－7]。另外，由于廠家對(duì)所有資料保密，加上市場(chǎng)容量小，國(guó)內(nèi)尚無維修單位對(duì)其進(jìn)行維修研發(fā)。飛行學(xué)院是國(guó)內(nèi)擁有該型綜合航電系統(tǒng)最大的客戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，航電系統(tǒng)各LRU平均每年送廠家外修約30余件，每件平均維修費(fèi)用約為12 000元。若對(duì)綜合航電系統(tǒng)維修測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，并能夠投入維修使用，將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是能夠縮短維修周期，加大航材周轉(zhuǎn)率，減小飛機(jī)停場(chǎng)時(shí)間。

本文應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)使測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類測(cè)試儀器的自動(dòng)控制[8]，并應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)引擎以及故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試信息存儲(chǔ)以及故障定位、診斷等功能[9－10]。下面結(jié)合綜合航電測(cè)試系統(tǒng)的研制過程，對(duì)其系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、框架組成、軟硬件關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用進(jìn)一步闡述。

2 總體方案

測(cè)試系統(tǒng)分為硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分。系統(tǒng)硬件平臺(tái)的功能是為系統(tǒng)測(cè)試提供必要的物理資源。在搭建硬件平臺(tái)時(shí)，考慮到綜合航電系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)特性，并結(jié)合所有LRU的測(cè)試需求及接口類型，確定所需測(cè)試資源。系統(tǒng)硬件平臺(tái)以高性能的工控機(jī)為中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類測(cè)試儀器、設(shè)備的控制。系統(tǒng)軟件平臺(tái)的功能是為測(cè)試提供開發(fā)、調(diào)試及運(yùn)行環(huán)境，該測(cè)試系統(tǒng)的軟件開發(fā)在Windows XP操作系統(tǒng)下，以NI Labview 2011為集成開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)軟硬件組成如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of test system

測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能:能夠?qū)φ麄€(gè)航電系統(tǒng)及各個(gè)功能子系統(tǒng)LRU進(jìn)行功能、性能檢測(cè)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判別、故障診斷，并將故障定位到內(nèi)場(chǎng)可更換單元(Shop Replaceable Unit，SRU)。

測(cè)試系統(tǒng)工作原理:測(cè)試系統(tǒng)通過適配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)硬件資源與被測(cè)LRU的匹配連接，通過測(cè)試程序?qū)ο嚓P(guān)測(cè)試儀器進(jìn)行調(diào)用，為被測(cè)LRU提供激勵(lì)。系統(tǒng)對(duì)LRU的輸出響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，完成對(duì)被測(cè)LRU的性能測(cè)試和故障診斷。對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶需求進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和打印。在測(cè)試方式上，既可選擇全自動(dòng)方式，也可采取人工選擇某測(cè)試項(xiàng)方式，操作方面具有較鮮明的靈活性。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)由系統(tǒng)控制器和測(cè)試平臺(tái)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)控制器包括測(cè)控計(jì)算機(jī)及外設(shè)，測(cè)控計(jì)算機(jī)采用研華MIC－31210工控機(jī)，內(nèi)置IEEE1394接口卡和GPIB接口卡，系統(tǒng)控制器完成對(duì)測(cè)試程序的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Framework of system hardware

測(cè)試平臺(tái)包括系統(tǒng)測(cè)試所需的物理資源，包括GPIB總線儀器和VXI總線儀器，分別采用GPIB總線和VXI總線的控制方式，使系統(tǒng)具有開放式結(jié)構(gòu)，方便對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行升級(jí)。

GPIB總線儀器采用分立式結(jié)構(gòu)，選用目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品準(zhǔn)確度最高的儀器，包括通信/導(dǎo)航綜合測(cè)試儀、頻譜分析儀、程控電源、峰值功率計(jì)、射頻信號(hào)源等。電源系統(tǒng)包括28 V DC/24 V DC/12 V DC 3種直流電源，以及115 V AC/400 Hz交流電源。

VXI總線儀器采用卡式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，總線控制方式上選擇傳輸速度最佳的IEEE1394總線，通過主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部裝載PCI－1394接口卡完成對(duì)VXI總線儀器的控制。VXI總線儀器選用HP－E1401AC尺寸13槽機(jī)箱，由0槽控制器模塊、多路器、32×16矩陣開關(guān)、數(shù)字I/O板卡、數(shù)字式示波器、波形發(fā)生器、電源繼電器開關(guān)等組成。

3.2 軟件平臺(tái)

3.2.1 系統(tǒng)軟件框架

在Labview集成開發(fā)環(huán)境下，根據(jù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架和層次分析，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)層次化、模塊化設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)是由底層驅(qū)動(dòng)模塊和上層功能模塊組成，其框架圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件框架Fig.3 Framework of system software

(1)底層驅(qū)動(dòng)模塊

開發(fā)環(huán)境:利用Labview集成開發(fā)環(huán)境建立復(fù)雜的虛擬界面，能夠完成對(duì)整機(jī)航電系統(tǒng)傳輸?shù)纳锨€(gè)飛行參數(shù)模擬顯示。

數(shù)據(jù)庫(kù):本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，用來存儲(chǔ)待測(cè)綜合航電系統(tǒng)LRU的件號(hào)/序號(hào)、測(cè)試性能參數(shù)、測(cè)試結(jié)論以及相關(guān)診斷信息等方面內(nèi)容。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊:包括GPIB/VXI儀器驅(qū)動(dòng)程序、控制板卡驅(qū)動(dòng)等。驅(qū)動(dòng)程序處于軟件系統(tǒng)底層，可以被功能模塊實(shí)時(shí)調(diào)用。

(2)上層功能模塊

人機(jī)交互模塊用來完成操作人員與測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行信息交互，并按交互步驟完成測(cè)試全部工作。將功能模塊化，分為如下5個(gè)子模塊:

平臺(tái)自檢模塊:完成對(duì)維修測(cè)試平臺(tái)的所有硬件資源(適配系統(tǒng)、開關(guān)矩陣、儀器設(shè)備)的檢測(cè)，對(duì)測(cè)試平臺(tái)的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷;

模式選擇模塊:實(shí)現(xiàn)測(cè)試模式的選擇，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)LRU單獨(dú)測(cè)試，也可實(shí)現(xiàn)整個(gè)航電系統(tǒng)綜合測(cè)試;

性能測(cè)試模塊:系統(tǒng)通過控制信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)板卡分別提供模擬、數(shù)字信號(hào)激勵(lì)，并對(duì)系統(tǒng)輸出信息進(jìn)行讀取、分析和判斷，最終給出測(cè)試結(jié)果及誤差;

故障診斷模塊:該模塊是在測(cè)試數(shù)據(jù)分析、評(píng)估基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)數(shù)據(jù)異常情況進(jìn)行處理，將故障進(jìn)行定位，最終為用戶提供維修指導(dǎo)策略;

數(shù)據(jù)管理模塊:對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、修改和打印等處理。測(cè)試步驟、測(cè)試數(shù)據(jù)以及測(cè)試結(jié)論以報(bào)表形式生成。

3.2.2 典型模塊程序

為進(jìn)一步闡述系統(tǒng)軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過程，本節(jié)分別以設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和性能測(cè)試模塊的程序?qū)崿F(xiàn)為例進(jìn)行說明。

(1)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊

大部分國(guó)外測(cè)試儀器的驅(qū)動(dòng)程序包含Labview驅(qū)動(dòng)程序，這些Labview驅(qū)動(dòng)程序以初始子VI、讀子VI、寫子VI及配置子VI等模塊形式存在。在編寫Labview程序時(shí)只需完成對(duì)子VI配置、組合，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的程序控制。GPIB函數(shù)模塊位于Labview程序面板中Functions目錄下 Instrument I/O中，其中最為重要的子 VI分別是 GPIB Write和GPIB Read，完成 GPIB儀器輸入和輸出控制，將GPIB各子VI函數(shù)進(jìn)行參數(shù)配置，再按照編程規(guī)則進(jìn)行模塊連接，并加入到所需循環(huán)函數(shù)中，即可滿足開發(fā)者的相關(guān)需求。

以測(cè)試系統(tǒng)中射頻信號(hào)源(Agilent 8648A)的GPIB程控為例進(jìn)行說明，其程序流程如圖4所示，首先要進(jìn)行GPIB初始化配置，完成對(duì)信號(hào)源的初始化;再進(jìn)行Read和Write子VI的參數(shù)配置，并在前面板設(shè)置相應(yīng)輸入框，方便使用者操作。程序結(jié)束使用GPIB Clear指令模塊，關(guān)閉GPIB接口通信。

圖4 Agilent 8648A的GPIB程控流程圖Fig.4 Flowchart of the process control for Agilent 8648A GPIB

(2)性能檢測(cè)模塊

該模塊主要功能是針對(duì)綜合航電系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，這些輸出信號(hào)的格式包括 RS232、RS485、ARINC429和Ethernet。每種數(shù)據(jù)格式包括幾十甚至上百種飛機(jī)參數(shù)，在性能測(cè)試過程中要完成對(duì)這些參數(shù)的讀取、分析、譯碼和診斷。

RS232/RS485總線協(xié)議屬于串口通信格式，綜合航電系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)傳輸使用RS232總線數(shù)協(xié)議;發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)身傳感器參數(shù)的傳輸使用RS485總線協(xié)議。在Labview程序面板Functions Instrument I/O Serial模板中，提供了這兩種數(shù)據(jù)格式的初始化、讀、寫以及關(guān)閉等基本功能模塊，研發(fā)者按實(shí)際需求進(jìn)行組合調(diào)用。

由于兩種總線數(shù)據(jù)處理方式類似，且考慮篇幅因素，本文僅列出RS485總線協(xié)議一種參數(shù)測(cè)試(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)的程序執(zhí)行過程，如圖5所示。其程序?qū)崿F(xiàn)包括串口配置和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)模塊，串口配置要實(shí)現(xiàn)串口號(hào)選擇、波特率配置、起始停止位和奇偶校驗(yàn)設(shè)置，再調(diào)用open函數(shù)模塊打開相應(yīng)串口;數(shù)據(jù)處理模塊完成參數(shù)的寫入和讀取，并對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，模塊將數(shù)據(jù)判斷算法利用程序語(yǔ)言進(jìn)行描述，并將判斷后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示處理。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試程序執(zhí)行過程Fig.5 Execution of engine RPM test program

對(duì)于ARINC429和Ethernet總線協(xié)議，Labview軟件函數(shù)模板中沒有提供對(duì)應(yīng)的相關(guān)功能模塊。課題組決定將ARINC429和Ethernet總線協(xié)議轉(zhuǎn)換為通用總線協(xié)議，再調(diào)用Labview函數(shù)模板中對(duì)應(yīng)的通用總線協(xié)議模塊進(jìn)行編程。在傳輸速率、位數(shù)、通道數(shù)等方面參數(shù)反復(fù)比較，最終選用轉(zhuǎn)換為USB總線。USB總線協(xié)議程序模塊在Labview軟件Functions Instrument I/O USB模板中，調(diào)用相關(guān)控制輸入、輸出以及中斷模塊實(shí)現(xiàn)程序編寫。

3.2.3 測(cè)試流程

測(cè)試系統(tǒng)的軟件測(cè)試流程如圖6所示。首先對(duì)測(cè)試系統(tǒng)所有物理資源進(jìn)行初始化，并開啟Access數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取。操作者登錄測(cè)試系統(tǒng)，按提示填寫被測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)信息。平臺(tái)進(jìn)入自檢測(cè)試，其主要功能是判斷系統(tǒng)硬件線路連接是否正常、被測(cè)系統(tǒng)部件是否適配正確，并輸出自檢結(jié)果。自檢通過后，針對(duì)綜合航電系統(tǒng)及LRU進(jìn)行功能測(cè)試、性能測(cè)試，如果測(cè)試過程中出現(xiàn)故障，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)處理，如存儲(chǔ)、瀏覽及打印，關(guān)閉系統(tǒng)軟硬件資源，結(jié)束測(cè)試。

圖6 測(cè)試流程圖Fig.6 Flowchart of test

3.2.4 測(cè)試平臺(tái)界面

利用虛擬儀器Labview開發(fā)的測(cè)試界面，其界面友好、美觀。圖7為測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試主界面——航電參數(shù)測(cè)試界面，在該測(cè)試界面中，能夠?qū)w行參數(shù)測(cè)試情況實(shí)時(shí)地顯示在模擬儀表上。

圖7 航電參數(shù)測(cè)試界面Fig.7 Test interface of avionics parameters

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

利用該測(cè)試平臺(tái)對(duì)多部(6部)綜合航電系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)試，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。將不同航電系統(tǒng)的同一參數(shù)進(jìn)行比較，來分析、驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的誤差精度。

誤差分析:被測(cè)航電系統(tǒng)的測(cè)試誤差來源為測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)機(jī)件本身，而對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)而言，其可能誤差來源為儀器設(shè)備、傳輸數(shù)據(jù)編解碼以及傳輸電路影響。

(1)儀器設(shè)備

各類綜合測(cè)試儀、精密信號(hào)源以及電源均經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位進(jìn)行計(jì)量，其精度、范圍符合國(guó)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

(2)傳輸數(shù)據(jù)編解碼

被測(cè)航電系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)格式為RS232/485、ARINC429和Ethernet，幾種數(shù)據(jù)格式均為國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)格式，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其編解碼功能建立在該標(biāo)準(zhǔn)格式基礎(chǔ)上。

(3)傳輸電路

多通道轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)會(huì)造成瞬時(shí)干擾，存在產(chǎn)生誤碼的可能性。根據(jù)RS232/485、ARINC429和Ethernet通信協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)均具有自校、糾錯(cuò)功能。經(jīng)驗(yàn)證，瞬時(shí)干擾誤碼不會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)產(chǎn)生附加誤差。

綜上所述，測(cè)試系統(tǒng)附加誤差可忽略。通過6部被測(cè)航電系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)誤差均在性能指標(biāo)范圍內(nèi)，且誤差來源為被測(cè)機(jī)件本身。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于航電測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)研發(fā)了綜合航電系統(tǒng)維修測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)不僅能夠?qū)C合航電系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試、性能測(cè)試，而且還內(nèi)嵌故障診斷專家系統(tǒng)，能夠?qū)⒕C合航電系統(tǒng)的故障定位到系統(tǒng)各LRU電路板級(jí)。

維修人員利用此維修測(cè)試平臺(tái)，結(jié)合目前掌握的綜合航電系統(tǒng)相關(guān)維修資料，可實(shí)現(xiàn)部件級(jí)修理。目前，此測(cè)試平臺(tái)已獲民航局維修項(xiàng)目認(rèn)證，并投入生產(chǎn)使用。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，維修周期較國(guó)外短，維修費(fèi)用低，維修質(zhì)量較高。當(dāng)前正積極拓展該航電系統(tǒng)的維修市場(chǎng)，擴(kuò)大外修份額，形成國(guó)內(nèi)自主研發(fā)能力，以爭(zhēng)取更多的航電系統(tǒng)設(shè)備維修的市場(chǎng)份額。

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