基于虛擬儀器的航空偵察設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)

李英杰，蘇媛媛

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

基于虛擬儀器的航空偵察設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)

李英杰，蘇媛媛

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

為滿足多任務(wù)偵察系統(tǒng)快速出動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空偵察設(shè)備全系統(tǒng)的快速檢測(cè)，基于虛擬儀器技術(shù)，開展了航空偵察設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。運(yùn)用了ARINC429總線技術(shù)、LabView的subpanel軟件封裝設(shè)計(jì)、以及數(shù)據(jù)隔離等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了一型檢測(cè)儀器對(duì)多型偵察設(shè)備全系統(tǒng)檢測(cè)的工程實(shí)踐。

航空偵察；虛擬儀器；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

目前，航空偵察正朝著多任務(wù)載荷方向發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)不同偵察裝備性能的互補(bǔ)，能夠提高一次出動(dòng)的有效偵察效能，已成為航空偵察裝備的發(fā)展趨勢(shì)，裝備戰(zhàn)斗力的基礎(chǔ)是高效快速的機(jī)務(wù)保障[1-2]。在這種背景下，出現(xiàn)了飛機(jī)一次出動(dòng)配掛多類型、多型號(hào)的偵察裝備，如可見光膠片相機(jī)、數(shù)字相機(jī)以及紅外相機(jī)組成的高技術(shù)、高集成度的偵察系統(tǒng)?？梢园凑詹煌娜蝿?wù)模式，設(shè)定多種配掛構(gòu)型，每種構(gòu)型搭配的相機(jī)數(shù)量、型號(hào)不同。這樣每架飛機(jī)的偵察能力不局限于單部航空相機(jī)性能，而取決于配掛構(gòu)型內(nèi)偵察系統(tǒng)的工作能力。在地面飛行保障中，快速、高效的實(shí)現(xiàn)整體偵察系統(tǒng)的綜合檢測(cè)，保證配掛構(gòu)型內(nèi)全部偵察相機(jī)的完好，才能滿足偵察任務(wù)快速出動(dòng)的要求，因此內(nèi)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備對(duì)多類型偵察裝備快速一體化檢測(cè)的能力[3]。本文開展了面向多配掛構(gòu)型、多型號(hào)偵察裝備的綜合檢測(cè)系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多型偵察設(shè)備的綜合化快速檢測(cè)，保證了機(jī)動(dòng)性和設(shè)備的完好率。

1 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀硬件的構(gòu)建是基于研華ARK-5280工控機(jī)的虛擬儀器系統(tǒng)，分為數(shù)據(jù)采集控制單元、429總線接口單元、電源電壓測(cè)量控制單元、偵察相機(jī)控制單元、中整流罩艙門控制單元、按鍵操作單元、顯控單元、以及接口適配單元等幾個(gè)模塊單元。檢測(cè)儀器硬件框圖如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)與偵察系統(tǒng)不同配掛構(gòu)型時(shí)多個(gè)偵察設(shè)備的硬件接口和檢測(cè)。系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)為建立在PCI總線上的數(shù)據(jù)板卡，數(shù)據(jù)采集控制單元采用研華的PCI-1710L，經(jīng)過(guò)PCLD-8710、PCLD-885數(shù)據(jù)調(diào)理板的連接，控制其他單元實(shí)現(xiàn)電源電壓的測(cè)量監(jiān)控、艙門控制、偵察相機(jī)的供電、開關(guān)機(jī)以及按鍵操作等功能；429總線接口板卡提供4收4發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)ARINC429通信信息，實(shí)現(xiàn)與被檢測(cè)設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)、指令數(shù)據(jù)、狀態(tài)故障數(shù)據(jù)傳遞。工控機(jī)的人機(jī)接口單元除有按鍵操作單元外，還包含2個(gè)10.4英寸液晶顯示器、LED電壓表頭及觸摸屏，用于模擬飛機(jī)座艙操控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察相機(jī)的開關(guān)機(jī)、準(zhǔn)備、工作、啟動(dòng)自檢、故障清單查詢等操作。

通過(guò)電源電壓測(cè)量、電源控制兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察設(shè)備供電的快速監(jiān)控。首先交直流電源電壓經(jīng)過(guò)分壓器、交流電壓傳感器等電壓調(diào)理措施，調(diào)理為標(biāo)準(zhǔn)電壓0～10 V；對(duì)調(diào)理后的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)接口板PCLD-8710后引入PCI-1710L板卡，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；最后讀入工控機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理和判斷。根據(jù)電源電壓測(cè)量情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源情況，如果符合偵察設(shè)備的供電要求，由電源控制模塊為被測(cè)設(shè)備提供交直流電源；如果電壓波動(dòng)超差、或交流電缺相等原因不滿足設(shè)備供電條件，檢測(cè)儀將不輸出電源，避免電源對(duì)相機(jī)設(shè)備帶來(lái)的損傷。

圖1 檢測(cè)儀總體硬件框圖

檢測(cè)儀與偵察相機(jī)之間是通過(guò)ARINC429總線完成對(duì)相機(jī)的指令控制與參數(shù)傳輸。ARINC429數(shù)據(jù)接口電路采用DSP（TMS320F2812芯片）做為主控芯片[4-5]，經(jīng)過(guò)可編程邏輯控制器件（CPLD）控制總線接口芯片HS-3282，HS-3183進(jìn)行讀寫操作和電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中ARINC429通信由4組芯片完成，可以同時(shí)完成4路發(fā)送和8路接收。

2 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的軟件程序是基于LabView虛擬儀器開發(fā)環(huán)境下開發(fā)[6-7]，軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)總程序、配掛構(gòu)型檢測(cè)模塊程序、偵察相機(jī)通電檢測(cè)模塊程序以及各類功能程序等幾個(gè)層次構(gòu)成。

（1）系統(tǒng)總程序。完成系統(tǒng)程序的集成，流程圖如圖2所示。儀器開機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入歡迎界面子VI，然后對(duì)系統(tǒng)變量初始化、打開I/O板卡、429總線板卡，建立與儀器前操作面板和后適配面板的數(shù)據(jù)聯(lián)系。進(jìn)入偵察設(shè)備檢測(cè)構(gòu)型選擇界面，等待操作人員選擇被測(cè)中整流罩的構(gòu)型或退出系統(tǒng)。根據(jù)構(gòu)型選項(xiàng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)構(gòu)型檢測(cè)模塊。

（2）配掛構(gòu)型的檢測(cè)模塊程序。采用LabView的SubPanel技術(shù)，不同構(gòu)型檢測(cè)模塊為不同的SubPanel模塊。可以實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)型被檢測(cè)設(shè)備的開機(jī)、準(zhǔn)備、拍照、參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)自檢、關(guān)機(jī)等通電檢查；利用被檢測(cè)設(shè)備的上電自檢、周期自檢、操作員自檢的故障檢測(cè)數(shù)據(jù)，給出設(shè)備的工作狀態(tài)信息、故障清單信息；完成設(shè)備故障清單的導(dǎo)出等。

（3）多種偵察相機(jī)通電檢測(cè)模塊程序。飛機(jī)各種構(gòu)型可能選配幾種偵察相機(jī)，并且構(gòu)型之間相機(jī)類型存在交叉重疊，因此為每型相機(jī)的檢測(cè)設(shè)計(jì)獨(dú)立的通電檢測(cè)模塊程序。

（4）各類功能程序。為儀器軟件的底層子程序，包括429板卡控制類程序、I/O板卡控制類程序、數(shù)據(jù)處理程序、參數(shù)發(fā)送和接收程序等。429板卡類程序包括數(shù)據(jù)接收、發(fā)送等子VI；I/O板卡控制類程序包括板卡初始化子VI、各通道輸入子VI、各通道輸出子VI等。

圖2 程序總流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多型偵察設(shè)備的綜合檢測(cè)

一種檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多類型偵察相機(jī)的綜合檢測(cè)，要在軟硬件設(shè)計(jì)上滿足不同偵察設(shè)備的適配接口、資源規(guī)劃以及設(shè)備間的防干擾隔離等。

從硬件上設(shè)計(jì)基于高速DSP的PCI總線接口標(biāo)準(zhǔn)ARINC429接口板卡。通過(guò)429接口板卡的4路接收4路發(fā)送與不同型號(hào)偵察相機(jī)的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)與偵察相機(jī)的參數(shù)信息、控制指令信息、狀態(tài)信息的傳遞。在同一構(gòu)型內(nèi)各型偵察相機(jī)的總線通道是獨(dú)立的，因此在硬件底層設(shè)計(jì)上完全隔離，避免了信號(hào)間的影響。在軟件設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同配掛構(gòu)型、不同型號(hào)設(shè)備的綜合檢測(cè)，采取了一些軟件措施。

（1）subpanel調(diào)用技術(shù)。利用LabVIEW軟件平臺(tái)的subpanel技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一的程序框架，對(duì)所有相機(jī)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的程序入口和交互接口，軟件上構(gòu)建了一對(duì)多的程序體系。

（2）Sub VI封裝。軟件充分運(yùn)用自定義的sub VI對(duì)子程序進(jìn)行封裝，增強(qiáng)了軟件模塊化的整體水平，同時(shí)提高了程序的運(yùn)行效率。采用的封裝主要有交互界面類封裝、429板卡類封裝、PCI1710板卡類封裝等。其中交互界面類封裝包括自定義的對(duì)話框、信息指示窗口；429板卡類封裝主要包括429板卡的設(shè)置、各通道的收發(fā)程序以及429狀態(tài)字處理程序等；PCI1710板卡類封裝包括對(duì)各類相機(jī)的開/關(guān)機(jī)控制、供、斷電控制程序等。

（3）數(shù)據(jù)隔離。由于一臺(tái)檢測(cè)儀同時(shí)進(jìn)行多類型偵察相機(jī)檢測(cè)，為避免用戶誤操作或機(jī)型轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)據(jù)的干擾，運(yùn)用了大量數(shù)據(jù)隔離的方法，如交互可用檢測(cè)、數(shù)據(jù)封裝隔離等。①交互可用檢測(cè)。程序可以檢測(cè)前面板相機(jī)類型按鍵或觸摸屏Tab頁(yè)，確定當(dāng)前相機(jī)檢測(cè)界面是否可用。同時(shí)，被檢測(cè)相機(jī)所處當(dāng)前狀態(tài)也決定檢測(cè)界面交互按鈕的可用性，即當(dāng)相機(jī)處于某一狀態(tài)時(shí)，該狀態(tài)不允許的操作被屏蔽，增強(qiáng)了對(duì)被檢測(cè)相機(jī)的保護(hù)，也增加了檢測(cè)操作的規(guī)范性。②數(shù)據(jù)封裝隔離。每型相機(jī)的交互數(shù)據(jù)、相機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)、指令數(shù)據(jù)封裝在各自的數(shù)據(jù)簇中。每種數(shù)據(jù)簇都有自己的標(biāo)識(shí)，保證指定數(shù)據(jù)簇只能被指定相機(jī)或指定程序辨識(shí)，不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)混淆導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤的現(xiàn)象，從根本上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的隔離。

3.2 被檢測(cè)設(shè)備供電監(jiān)控設(shè)計(jì)

航空偵察相機(jī)在通電狀態(tài)必須按規(guī)定流程操作，從“開機(jī)”、“準(zhǔn)備”、“拍照”、“傳輸”、“啟動(dòng)自檢”、“關(guān)機(jī)”等指令的發(fā)送時(shí)機(jī)有嚴(yán)格條件。各型偵察相機(jī)必須接到“關(guān)機(jī)”指令正常關(guān)機(jī)后，方可切斷交直流電源，否則對(duì)相機(jī)控制器系統(tǒng)造成損壞，使得相機(jī)出現(xiàn)故障。例如相機(jī)在“準(zhǔn)備”狀態(tài)下，相機(jī)掃描頭組件、調(diào)焦組件處于工作狀態(tài)，突然斷電會(huì)造成硬件損傷；相機(jī)制冷系統(tǒng)工作，關(guān)機(jī)斷電前相機(jī)必須退出“準(zhǔn)備”狀態(tài)，而不能直接關(guān)機(jī)斷電，否則對(duì)制冷系統(tǒng)、探測(cè)器模塊造成硬件損傷。因此為保證偵察相機(jī)的供電安全，檢測(cè)儀設(shè)計(jì)了電源監(jiān)控單元，通過(guò)對(duì)直流電源、三相交流電源電壓波動(dòng)的測(cè)量，當(dāng)滿足供電參數(shù)指標(biāo)要求時(shí)，啟動(dòng)電源控制單元給偵察相機(jī)供電。

電源電壓信號(hào)經(jīng)電壓傳感器及PCI1710板卡的A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入電壓信號(hào)處理階段。由于受到外界和負(fù)載的影響，電壓檢測(cè)數(shù)據(jù)總是處于干擾狀態(tài)。為消除干擾對(duì)電壓測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，避免供電監(jiān)控的虛警，供電電壓測(cè)量數(shù)據(jù)處理分兩個(gè)階段。

（1）首先對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)采用算數(shù)平均值算法處理。由于外部干擾和測(cè)量誤差是白噪聲擾動(dòng)，因此可以采用求取算數(shù)平均值的方法消除。時(shí)間窗口設(shè)定為100 ms，對(duì)四路電源電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均值處理。

（2）經(jīng)第一步處理后得到了每100 ms一組的電壓數(shù)據(jù)，用數(shù)組表示為（D，A1，A2，A3），其中D為直流電壓數(shù)據(jù)，A1，A2，A3為交流三相電壓數(shù)據(jù)。偵察相機(jī)的功率不恒定，在工作周期內(nèi)，會(huì)有諸如轉(zhuǎn)筒電機(jī)、快門電機(jī)、反射鏡電機(jī)、調(diào)焦電機(jī)等器件的啟動(dòng)或停止，負(fù)載耗電功率的波動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)有一定影響，在短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)是允許的。因此為避免虛警，電壓數(shù)據(jù)每10組做為一個(gè)連續(xù)判斷區(qū)間，當(dāng)有2/3數(shù)據(jù)超差（＞±8%）即認(rèn)為供電電源異常，提示電源告警，并進(jìn)入供電控制單元。

供電控制單元是在交直流電源滿足要求時(shí)，由工控機(jī)經(jīng)PCI1710的輸出端口，經(jīng)PLCD8710和PCLD885驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器控制電源輸出，為偵察相機(jī)供電。在供電控制單元中，需要考慮多型相機(jī)供電和電壓異常處理的問題。在偵察相機(jī)檢測(cè)過(guò)程中的供電控制，當(dāng)電源電壓有超差異常時(shí)，顯示交流供電電壓異常的告警信息，并發(fā)出“停拍照”和“停準(zhǔn)備”指令，然后自動(dòng)控制偵察相機(jī)關(guān)機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)的航空偵察裝備綜合檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用ARINC429總線技術(shù)、LabView的subpanel軟件封裝設(shè)計(jì)、以及數(shù)據(jù)隔離等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一型檢測(cè)設(shè)備對(duì)航空偵察全系統(tǒng)設(shè)備的通電檢測(cè)。大大簡(jiǎn)化了內(nèi)場(chǎng)操作，縮短了航空偵察的飛行保障時(shí)間，并解決了航空偵察設(shè)備在內(nèi)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)通電檢查的問題。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路對(duì)實(shí)現(xiàn)其他多設(shè)備的綜合檢測(cè)具有一定的借鑒意義。

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〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.50