一種飛機(jī)無線電高度表原位檢測儀的設(shè)計

趙波+魏俊淦++田建學(xué)

摘 要： 基于飛機(jī)外場原位檢查無線電高度表的目的，采用PC104工控機(jī)和STM32嵌入式處理器為系統(tǒng)核心研制了高度表原位檢測儀，包括功能框圖、各模塊的設(shè)計思路，軟件功能劃分和體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高度表信號隔離和電平轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生高度模擬信號、指示器模擬信號、提供高度表檢查信號，對正常、告警跳閘信號進(jìn)行指示，對線性高度電壓、非線性高度電壓進(jìn)行測量，該設(shè)計實(shí)現(xiàn)了簡便友好的人機(jī)交互，已經(jīng)在航空檢測中使用驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： 高度表； 原位檢測； 高度模擬； 單元電路

中圖分類號： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0075?03

無線電高度表實(shí)時測量飛機(jī)至地（海）面的真實(shí)高度，測量的高度數(shù)值在指示器上進(jìn)行指示，同時高度電壓輸出到自動駕駛儀和導(dǎo)航計算機(jī)進(jìn)行飛行控制，輸出到飛行參數(shù)記錄儀記錄高度表工作狀態(tài)。高度表性能對飛行安全有著重要的影響[1]，按照飛機(jī)維護(hù)工藝卡片要求，需要定期對高度表輸出的高度數(shù)值和高度電壓以及代表高度表工作狀態(tài)的跳閘電壓，高度表良好電壓等進(jìn)行檢查和測量，為此研制了某型無線電高度表原位檢測儀（以下簡稱原位檢測儀），使其可以在外場對高度表在安裝位置上直接進(jìn)行性能測試。

1 硬件設(shè)計方案

原位檢測儀功能框圖見圖1。原位檢測儀包括電源模塊、PC104、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊等。它通過測試電纜和高度表檢測插座相連，負(fù)責(zé)產(chǎn)生高度模擬信號、指示器模擬信號、提供高度表檢查信號，對正常、告警、高度正常、閉鎖、危險高度、跳閘信號顯示，對線性高度電壓、非線性高度電壓進(jìn)行測量和顯示，可單獨(dú)完成外場的檢測任務(wù)[2]。

1.1 系統(tǒng)控制板和觸摸屏

系統(tǒng)控制板擬采用研祥生產(chǎn)的104?1816CL2NA，是一款基于Intel?新一代凌動Bay Trail SoC 平臺的104 主板，CPU 選用Future Intel? Celeron? Processor for Intelligent Systems（based on 22 nm Intel? Silvermont MicroarChitecture），主頻為4 核2.0 GHz，圖形核心整合Intel第七代圖形引擎、兩條顯示管線，支持DX11及3D 輸出。配備觸摸顯示屏，亮度要求達(dá)到1 000 nit，確保在強(qiáng)光下也能看到顯示內(nèi)容[3]。采用Windows操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件支持平臺來進(jìn)行資源的統(tǒng)籌管理，采用CVI8.0進(jìn)行編程，對檢測信號的處理和控制；使用研華的PC104數(shù)字采集模塊和信號調(diào)理板進(jìn)行通信，其功能上可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自動測試、單點(diǎn)自動測試、手動測試，對測試結(jié)果可實(shí)現(xiàn)顯示、存儲。因而具有技術(shù)先進(jìn)、功能較強(qiáng)、自動化程度高的特點(diǎn)。

1.2 信號調(diào)理板

信號調(diào)理板見圖2，信號調(diào)理板用于安全連接高度表電路，并對模擬量的幅度進(jìn)行變換，使其幅度滿足A/D采集卡對信號幅度的要求。對控制信號進(jìn)行信號隔離和電平轉(zhuǎn)換，高度表設(shè)備控制信號和狀態(tài)信號為27 V，而STM32處理器無法忍受27 V的電壓，需要對電平轉(zhuǎn)換。對需要檢測模擬信號進(jìn)行變換，這里包括幅度和極性，使其幅度在A/D采集電壓范圍之內(nèi)，對交流信號檢測，采取把交流電壓線性變換為直流電壓方法來實(shí)現(xiàn)。在本檢測設(shè)備中需要檢測的模擬量有：DC 27 V電源、AC 115 V電源和AC 36 V電源，線性和非線性電壓，音頻電壓，還有高度及速度模擬輸出電壓。其中DC 27 V、線性非線性電壓為直流電壓；音頻電壓、AC 115 V和AC 36 V電源為交流電壓[4]。

高度、速度模擬信號是通過D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生符合要求的電壓信號，原理見圖3，高度模擬時，為一個固定的電壓；速度模擬時為一個隨時間變化的三角波。然后加到電壓放大器使其輸出符合測試要求的電壓（6.2～8.5 V）。最后加到射隨器，進(jìn)行阻抗變換。當(dāng)需要高度速度模擬時，把控制信號和模擬信號一起加到高度表[5]。

1.3 電源電路

電源電路用于提供PC104、STM32和信號調(diào)理部分需要的+12 V/1 A，-12 V/1 A，+15 V/1 A，-15 V/1 A，

+36 V/1 A，-36 V/1 A，+5 V/4 A電源。

1.4 測試電纜

高度表測試電纜用于連接原位檢測儀和高度表檢測插座。

2 軟件總體方案

2.1 研制思路

以現(xiàn)代故障檢測理論為指導(dǎo)，以外部輸入激勵進(jìn)行功能、性能檢測的黑盒測試方法為基礎(chǔ)，以故障樹分析算法為核心，對高度表設(shè)備進(jìn)行軟硬件快速檢測和故障定位。軟件結(jié)構(gòu)上采用模塊化、開放式結(jié)構(gòu)，軟件可以靈活配置。盡量釆用標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)不同接口、不同測試要求進(jìn)行構(gòu)建。

2.2 檢測設(shè)備功能模塊劃分

如圖4所示，測試軟件由人機(jī)界面顯示模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、高度速度模擬模塊、離散量檢測模塊、串口通信模塊等，PC104還負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的初始化、自檢、用戶管理、檢測流程控制、檢測結(jié)果分析入庫等。

2.3 軟件體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從結(jié)構(gòu)上可將系統(tǒng)軟件分為硬件驅(qū)動層、接口協(xié)議層和應(yīng)用軟件層三個層次[6]。

其中硬件驅(qū)動層用于提供應(yīng)用層與硬件的通信接口，為了保護(hù)操作系統(tǒng)安全，系統(tǒng)不允許應(yīng)用程序直接訪問硬件，因此必須通過驅(qū)動層使應(yīng)用程序來訪問硬件；接口協(xié)議層包含所有測試協(xié)議及測試信息數(shù)據(jù)分流與控制模塊，測試程序的所有數(shù)據(jù)信息都在這層流動；應(yīng)用軟件層包含用戶界面和系統(tǒng)功能模塊，與用戶進(jìn)行友好交互，實(shí)現(xiàn)測試流程以及進(jìn)行測試結(jié)果處理。

系統(tǒng)軟件由一系列功能模塊組成，包括系統(tǒng)自檢模塊、串行通信模塊、數(shù)據(jù)控制模塊、設(shè)備驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊等。系統(tǒng)軟件模塊與模塊之間采用消息方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.3.1 硬件驅(qū)動層

其作用是使應(yīng)用層程序可以訪問硬件，包括ADC轉(zhuǎn)換驅(qū)動、DAC轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。提供各對外接口的協(xié)議包，接口協(xié)議等的打包和解析功能。例如對對高度表的控制及狀態(tài)監(jiān)控，對電壓及電流的監(jiān)控等，其作用是簡化應(yīng)用層軟件對設(shè)備的訪問。

2.3.2 應(yīng)用軟件層

應(yīng)用軟件層包括檢測管理模塊及人機(jī)交互模塊。應(yīng)用軟件層直接體現(xiàn)了檢測的過程和思路，是整個軟件系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

其完成部分檢測任務(wù)，檢測管理任務(wù)除了調(diào)度檢測流程外，還要完成數(shù)據(jù)庫的管理、檢測報表生成等任務(wù)。

2.3.3 檢測管理模塊

檢測管理主模塊完成檢測的大部分管理工作，包括以下幾個方面：接收人機(jī)交互模塊發(fā)來的檢測命令并實(shí)施檢測流程；記錄檢測人、檢測時間、判斷授權(quán)情況，管理授權(quán)；高度速度模擬模塊的測量任務(wù)；生成檢測報告，生成報表。

2.3.4 數(shù)據(jù)庫管理模塊

該模塊和檢測管理模塊交互，可用于將歷史檢查結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，方便維護(hù)人員掌握各個裝備的歷史狀態(tài)；其次，可響應(yīng)檢測管理模塊的請求從數(shù)據(jù)庫中查找特定數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的檢索及統(tǒng)計功能，輔助維護(hù)人員判斷故障件。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 實(shí)時顯示高度表需要檢測的數(shù)據(jù)

本檢測設(shè)備把需要檢測的電源電壓、電流、線性、非線性高度電壓、模擬高度速度電壓、音頻信號的電壓、頻率及持續(xù)的時間、故障模擬電壓等都實(shí)時的顯示在觸摸屏上。為了保證檢測的準(zhǔn)確性，檢測設(shè)備每次開機(jī)時，都進(jìn)行一次自校，同時系統(tǒng)提供校驗(yàn)接口，在校驗(yàn)菜單下進(jìn)行校驗(yàn)。

3.2 檢測設(shè)備提供自檢

檢測設(shè)備對高度表輸入的每一路模擬信號和狀態(tài)信號都能提供校驗(yàn)信號，對輸出的控制信號和模擬信號都進(jìn)行閉環(huán)檢測，這樣能最大限度的判斷是檢測設(shè)備問題還是機(jī)載設(shè)備問題。

4 結(jié) 語

該檢測儀以工控機(jī)和ARM 微處理器為核心，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，非常適合外場對高度表的快速檢測。 實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)方便易攜帶，完全可以滿足外場檢測精度和檢測速度的要求，同時還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 邸亞洲，周玉平，袁濤，等.無線電高度表綜合檢查儀的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2014，33（6）：5?7.

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[6] 汪鳳蘭.軟件體系結(jié)構(gòu)初探[J].計算機(jī)時代，2011（10）：1?2.