基于PC104的某型航空相機(jī)綜合檢測系統(tǒng)

趙育良 蘇媛媛 劉建東 王淑娟

摘 ?要： 針對某新型航空相機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出基于PC104單板機(jī)的綜合檢測系統(tǒng)，介紹檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與組成，描述系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用嵌入式工控機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、總線數(shù)據(jù)仿真技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對相機(jī)機(jī)身、操縱器的單獨(dú)測試;相機(jī)的聯(lián)試以及飛機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的仿真等功能，能夠輔助機(jī)務(wù)人員快速地進(jìn)行通電檢測，并給出排故建議。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該綜合檢測系統(tǒng)可按維護(hù)規(guī)程要求實(shí)現(xiàn)對相機(jī)系統(tǒng)性能的全面檢查，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 航空相機(jī); PC104; 綜合檢測系統(tǒng); 嵌入式工控機(jī)技術(shù); 數(shù)據(jù)采集技術(shù); 虛擬儀器技術(shù)

中圖分類號： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0007?04

Abstract： In allusion to the characteristics of a new?type aerial camera system， an integrated detection system based on the PC104 single board computer is proposed. The overall structure and composition of the detection system are introduced. The hardware and software designs of the system are described. The embedded industrial computer technology， data acquisition technology， bus data simulation technology and virtual instrument technology are adopted for the system to realize the functions of separate tests of the camera body and manipulator， joint test of cameras， and simulation of airplane navigation data. The system can assist the aircraft crew to quickly conduct electricity circuit detection and give the troubleshooting advice. The experimental results show that the integrated detection system can realize the complete performance inspection of the camera system according to the requirements of its maintenance procedure， which can meet the design requirement.

Keywords： aerial camera; PC104; integrated detection system; embedded industrial computer technology; data acquisition technology; virtual instrument technology

0 ?引 ?言

某型航空相機(jī)改型后，作為新型偵察設(shè)備的代表，大量采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和總線技術(shù)，成功與飛機(jī)總線數(shù)據(jù)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)曝光、自動(dòng)調(diào)焦及自動(dòng)速高比引入等功能。其自動(dòng)化水平及技術(shù)性能指標(biāo)較傳統(tǒng)設(shè)備有明顯提升，從信號采集、傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制都較原相機(jī)復(fù)雜得多，對日常維護(hù)使用的要求也高得多。為了實(shí)現(xiàn)該型航空相機(jī)的全面檢測，利用嵌入式工控機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、總線數(shù)據(jù)仿真技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了該型相機(jī)綜合檢測設(shè)備。用戶通過設(shè)備面板上的軟件界面，可以實(shí)現(xiàn)對相機(jī)機(jī)身、操縱器的單獨(dú)測試，相機(jī)的聯(lián)試以及飛機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的仿真等功能，能夠輔助機(jī)務(wù)人員快速地進(jìn)行通電檢測，定位故障代碼，并給出排故建議。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與組成

該型航空相機(jī)綜合測試設(shè)備是一臺(tái)復(fù)雜的模擬信號測試及數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，主要由兩大部分組成，即測試部分和導(dǎo)航數(shù)據(jù)仿真部分。根據(jù)其6大功能模塊，系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成包括嵌入式工控機(jī)、觸控顯示屏、模擬數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、總線數(shù)據(jù)仿真板、開關(guān)及逆變電源等組成。其系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

1.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測設(shè)備硬件的構(gòu)建是基于研祥PC/104?Plus工控機(jī)104?1816CL2NA虛擬儀器系統(tǒng)，分為串口數(shù)據(jù)通信模塊、電流電壓采集模塊、ARINC429總線接口模塊、ARINC407總線接口模塊、人機(jī)交互接口模塊等。檢測設(shè)備硬件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1.1 ?串口數(shù)據(jù)通信模塊

相機(jī)操縱器及機(jī)身是通過串口聯(lián)接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，為完成對操縱器及機(jī)身的檢測，檢測設(shè)備需設(shè)置串口數(shù)據(jù)通信模塊，采集大量操縱器或機(jī)身的性能數(shù)據(jù)。檢測設(shè)備的串口數(shù)據(jù)通信是借助于PC104工控機(jī)的串口接口實(shí)現(xiàn)的，但由于飛機(jī)上的串口信號與PC104工控機(jī)串口信號電平不匹配，信號體制存在差異，因此不能直接將工控機(jī)的串口與操縱器或機(jī)身的串口進(jìn)行聯(lián)接，否則無法實(shí)現(xiàn)正常通信。為此，專門設(shè)計(jì)了串口調(diào)理板來解決這一矛盾。串口調(diào)理板的核心為3片RS 232電平調(diào)理芯片，用以將PC104串口信號的電平與操縱器和機(jī)身串口信號的電平進(jìn)行調(diào)理匹配，從而保證檢測設(shè)備與相機(jī)各部分能夠正常通信。

1.1.2 ?電流電壓采集模塊

在地面進(jìn)行相機(jī)通電檢查時(shí)，通常是通過觀察相機(jī)工作狀態(tài)是否正常來判斷相機(jī)是否存在故障，缺少直觀、準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn)。檢測設(shè)備通過設(shè)置電流電壓采集模塊，利用機(jī)身發(fā)出的中斷請求信號準(zhǔn)確地獲取相機(jī)工作周期，采樣并存儲(chǔ)相機(jī)周期內(nèi)的工作電流，在觸控屏和表頭上直觀顯示曲線和數(shù)據(jù)，可以輔助實(shí)現(xiàn)對相機(jī)狀態(tài)的評估及故障的預(yù)測。

電流電壓采集模塊利用中泰PL2360A型板卡，符合PC104?Plus堆棧式的接口設(shè)計(jì)，在檢測設(shè)備內(nèi)通過PC104?Plus接口直接與工控機(jī)或429?PC104?Plus板卡進(jìn)行連接。

1.1.3 ?總線接口模塊

為使檢測設(shè)備能夠在地面沒有與飛機(jī)導(dǎo)航及大氣機(jī)相聯(lián)的條件下，完成以往在飛機(jī)上才能完成的機(jī)上檢測工作，檢測設(shè)備必須具備導(dǎo)航及大氣機(jī)數(shù)據(jù)的仿真功能。429總線數(shù)據(jù)模塊就是依據(jù)ARINC429標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)規(guī)范，模擬機(jī)載慣性導(dǎo)航設(shè)備（LNT）及GPS的導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出，輔助完成操縱器及聯(lián)試功能。檢測設(shè)備的429總線接口模塊采用正鴻航科429?PC104?Plus總線板卡，符合PC104?Plus堆棧式的接口設(shè)計(jì)，在檢測設(shè)備內(nèi)通過PC104?Plus接口直接與工控機(jī)或PL2360A板卡進(jìn)行連接。檢測設(shè)備對飛機(jī)大氣機(jī)數(shù)據(jù)的仿真采用的是407總線接口模塊，自行設(shè)計(jì)了407總線接口板，采用12SZZ三相同步器（26 V/400 Hz激磁）發(fā)生信號模擬機(jī)上大氣機(jī)數(shù)據(jù)，通過輸入12數(shù)字量，輸出三線同步器信號表示氣壓高度。407總線接口板的核心為12SZZ數(shù)字/自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器，利用單片機(jī)和逆變電源實(shí)現(xiàn)TTL到ARINC407同步信號的轉(zhuǎn)換。

1.1.4 ?人機(jī)交互接口

人機(jī)交互接口是設(shè)備使用的直接途徑，必須涵蓋對設(shè)備的各項(xiàng)功能操作、數(shù)據(jù)的輸入/輸出、后期拓展等方面。某型航空相機(jī)綜合檢測設(shè)備的人機(jī)交互接口包括觸控屏、開關(guān)、按鍵、多功能表頭、電纜接口及USB接口等，設(shè)計(jì)的前、后面板如圖3所示。

1） 觸控屏。采用F104?S系列嵌入式超薄工業(yè)平板顯示器觸控屏幕采用高溫五線電阻式及高精度四線電阻式，通過串口或USB端口與PC104工控機(jī)進(jìn)行通信。

2） 開關(guān)及按鍵。檢測設(shè)備設(shè)計(jì)了4組雙向開關(guān)，分別為總開關(guān)、飛機(jī)/地面開關(guān)及相機(jī)或操縱器開關(guān)，分別控制檢測設(shè)備通電，進(jìn)行飛機(jī)/地面檢測選擇，在聯(lián)試時(shí)控制相機(jī)或操縱器的選擇;同時(shí)，還設(shè)計(jì)了單張、復(fù)位、艙門3個(gè)單項(xiàng)檢測按鈕，通過按壓按鈕，完成對這3個(gè)單項(xiàng)的檢測功能。

3） 多功能表頭。利用多功能表頭顯示當(dāng)前供電電壓情況，并能顯示聯(lián)試時(shí)相機(jī)工作電流情況，使用戶能及時(shí)掌握相機(jī)電流變化情況，結(jié)合電流電壓變化曲線進(jìn)行檢測判斷。

4） 電纜接口及USB接口。檢測設(shè)備模擬相機(jī)及工作狀態(tài)，采用電纜的形式與相機(jī)操縱器或機(jī)身進(jìn)行連接，完成正常的供電及數(shù)據(jù)通信。設(shè)備共設(shè)計(jì)4個(gè)電纜接口：設(shè)備供電接口，用以對檢測設(shè)備通220 V交流電;相機(jī)電源電纜接口，用以對相機(jī)檢測或進(jìn)行聯(lián)試時(shí)為相機(jī)供電;操縱器通信電纜接口，根據(jù)某型航空操縱器電纜接口定義設(shè)計(jì)，采用機(jī)配相機(jī)操縱器電纜即可實(shí)現(xiàn)對接;相機(jī)通信電纜接口，根據(jù)某型航空相機(jī)機(jī)身電纜接口定義設(shè)計(jì)，采用機(jī)配相機(jī)機(jī)身電纜即可實(shí)現(xiàn)對接。此外，后面板上還設(shè)置了2個(gè)USB 2.0接口，方便用戶導(dǎo)入、導(dǎo)出聯(lián)試數(shù)據(jù)以及后期系統(tǒng)升級維護(hù)。

圖3 系統(tǒng)前、后面板

1.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

某型航空相機(jī)綜合檢測設(shè)備的軟件部分是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)顯示的核心。設(shè)備的軟件部分是基于Windows Embedded XP操作系統(tǒng)開發(fā)，該操作系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，適合高速數(shù)據(jù)采集及信號處理需求。在此基礎(chǔ)上安裝100 kB A/D數(shù)據(jù)采集卡及ARINC429板卡驅(qū)動(dòng)程序，主要采用應(yīng)用設(shè)計(jì)平臺(tái)—美國國家儀器公司的LabVIEW圖形化編程軟件進(jìn)行軟件開發(fā)。該圖形化編程軟件具有編程效率高、開放性強(qiáng)的特點(diǎn)，并具有豐富的數(shù)字信號處理與顯示控件，可實(shí)現(xiàn)研制周期短、數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算準(zhǔn)確，同時(shí)具有良好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)支持。根據(jù)設(shè)備的功能模塊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件主要能夠完成相機(jī)機(jī)身測試、相機(jī)操縱器測試、相機(jī)聯(lián)合測試、飛機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)仿真及其他輔助功能。圖4為主程序流程圖。

1.2.1 ?相機(jī)機(jī)身檢測

相機(jī)機(jī)身檢測功能是建立在模擬相機(jī)操縱器，與相機(jī)機(jī)身進(jìn)行通信，然后分析收發(fā)數(shù)據(jù)的過程。因此，進(jìn)入相機(jī)機(jī)身檢測子系統(tǒng)完成登錄等系統(tǒng)操作后，首先，需要對與相機(jī)操縱器相關(guān)的基本參數(shù)進(jìn)行配置，配置好串口通信參數(shù)，打開與相機(jī)通信的串口;然后，根據(jù)相機(jī)檢測步驟，通過串口對相機(jī)進(jìn)行一系列參數(shù)的收發(fā)，以上兩步均為軟件后臺(tái)執(zhí)行;最后，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成在顯示屏上進(jìn)行相機(jī)狀態(tài)、故障的顯示。檢測結(jié)束后，及時(shí)關(guān)閉串口通信。圖5為機(jī)身檢測流程圖。

圖4 主程序流程圖

圖5 機(jī)身檢測流程圖

1.2.2 ?相機(jī)操縱器檢測

相機(jī)操縱器檢測功能是模擬相機(jī)機(jī)身并配合大氣機(jī)及導(dǎo)航仿真數(shù)據(jù)，完成對相機(jī)操縱器檢測的過程。該子系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上可分為三個(gè)部分：一是通過與相機(jī)通信檢測操縱器基本功能;二是通過總線數(shù)據(jù)仿真檢測操縱器與飛機(jī)通信是否正常;三是檢測操縱器單張、復(fù)位信號是否正常。第一部分與相機(jī)通信檢測操縱器基本功能的軟件設(shè)計(jì)流程與相機(jī)機(jī)身檢測軟件設(shè)計(jì)流程基本一致，僅是程序初始時(shí)對相機(jī)進(jìn)行配置，總線數(shù)據(jù)的配置也有不同;第二部分軟件流程首先對總線數(shù)據(jù)仿真板卡進(jìn)行參數(shù)配置，然后，按照ARINC407及ARINC429協(xié)議將待發(fā)送數(shù)據(jù)按照指定數(shù)據(jù)格式發(fā)送給操縱器，最后，對數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)進(jìn)行比對、分析完成操縱器與飛機(jī)通信狀態(tài)的檢測;第三部分流程較為簡單，通過程序截獲操縱器向相機(jī)發(fā)出的單張、復(fù)位信號，比對信號是否正常即可。操縱器檢測流程圖見圖6。

圖6 操縱器檢測流程圖

1.2.3 ?相機(jī)聯(lián)試

相機(jī)聯(lián)試功能主要是采集相機(jī)工作時(shí)的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該子系統(tǒng)的軟件流程首先是對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行參數(shù)配置，然后采集一個(gè)或多個(gè)工作周期的電壓、電流數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算及處理，最后在液晶屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)曲線的顯示，并提供接口使用戶可以對進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。聯(lián)試流程圖如圖7所示。

2 ?系統(tǒng)測試

利用該綜合檢測系統(tǒng)對某型相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通電檢測，檢測內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)：

1） 操縱器設(shè)置狀態(tài)參數(shù)，檢測設(shè)備利用串口差分信號接收;

2） 模擬操縱器指令及相關(guān)參數(shù)，通過串口對相機(jī)狀態(tài)進(jìn)行檢測;

3） 利用檢測設(shè)備模擬兩類航空總線數(shù)據(jù)，操縱器通過接口板接收后，通過串口送至檢測設(shè)備;

4） 利用PC104PL2360A轉(zhuǎn)換卡的I/O端口，檢測操縱器按鍵信息;

5） 檢測設(shè)備向操縱器模擬發(fā)送相機(jī)狀態(tài)，利用操縱器顯示面板觀察狀態(tài)顯示;

6） 對相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)試。

圖7 聯(lián)試流程圖

綜合檢測系統(tǒng)對兩部相機(jī)進(jìn)行檢測，完成上述6項(xiàng)檢測的同時(shí)，成功檢測出其中1臺(tái)操縱的ARINC429總線數(shù)據(jù)接口故障及1部相機(jī)機(jī)身的測光故障。經(jīng)測試，檢測設(shè)備可靠、有效。

3 ?結(jié) ?論

基于PC104研制的某型相機(jī)綜合檢測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對相機(jī)機(jī)身、操縱器的單獨(dú)測試、相機(jī)的聯(lián)試以及飛機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的仿真等功能，能夠輔助機(jī)務(wù)人員快速地進(jìn)行通電檢測，定位故障代碼，并給出排故建議。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該綜合檢測系統(tǒng)可按維護(hù)規(guī)程要求實(shí)現(xiàn)對相機(jī)系統(tǒng)性能的全面檢查，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓云東，周紅進(jìn)，黃謙，等.基于LabVIEW的艦艇導(dǎo)航裝備綜合檢測系統(tǒng)研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（2）：103?106.

HAN Yundong， ZHOU Hongjin， HUANG Qian， et al. Development of LabVIEW?based comprehensive detection system for warship navigation equipment [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（2）： 103?106.

[2] 趙育良，張國棟.基于ARINC429總線的某型CCD航空相機(jī)總線數(shù)據(jù)接口板[J].兵工自動(dòng)化，2008，27（8）：7?8.

ZHAO Yuliang， ZHANG Guodong. Bus data interface board of certain CCD aerial camera based on ARINC429 bus [J]. Ordnance industry automation， 2008， 27（8）： 7?8.

[3] 范秀英，范鵬飛，谷峰，等.基于ARINC429總線接口卡的航空相機(jī)綜合控制系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化，2010，29（1）：72?73.

FAN Xiuying， FAN Pengfei， GU Feng， et al. An integrated control system of aerial camera based on ARINC429 bus interface card [J]. Ordnance industry automation， 2010， 29（1）： 72?73.

[4] 李喆，周建江.便攜式機(jī)載設(shè)備故障檢測儀設(shè)計(jì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2016，27（6）：44?47.

LI Zhe， ZHOU Jianjiang. Design of portable fault detection system for airborne equipment [J]. Aeronautical science & technology， 2016， 27（6）： 44?47.

[5] 付霖宇，程永茂，張鑫，等.基于PC104總線的實(shí)時(shí)信號采集處理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（10）：150?152.

FU Linyu， CHENG Yongmao， ZHANG Xin， et al. Real?time signal acquisition and processing system based on PC104 [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（10）： 150?152.

[6] 朱欣穎，袁煥麗.基于PC104總線的性能檢測系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（8）：186?188.

ZHU Xinying， YUAN Huanli. Performance testing system based on PC104 bus [J]. Electronic design engineering， 2014， 22（8）： 186?188.

[7] 屈汝祥，劉成強(qiáng)，胡喬朋，等.PC104總線在測試設(shè)備中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2014，33（4）：107?109.

QU Ruxiang， LIU Chengqiang， HU Qiaopeng， et al. Application of PC104 bus in test equipment [J]. Measurement & control technology， 2014， 33（4）： 107?109.

[8] 文濤，左東廣，李站良.基于PC104總線的綜合測試系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（18）：72?74.

WEN Tao， ZUO Dongguang， LI Zhanliang. Research of a comprehensive test system based on PC104 bus [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（18）： 72?74.

[9] 于劍超，于相斌，李清亮.基于嵌入式計(jì)算機(jī)的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)檢查儀的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（17）：92?94.

YU Jianchao， YU Xiangbin， LI Qingliang. Design of atmosphere data computer tester based on embedded computer [J]. Microcomputer & its applications， 2014， 33（17）： 92?94.

[10] 熊云，剡建建，寧飛，等.基于PC104總線的電子設(shè)備便攜式故障檢測儀[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2014，43（1）：160?162.

XIONG Yun， YAN Jianjian， NING Fei， et al. Portable fault testing device of electronic instrument based on PC 104 bus [J]. Machine building & automation， 2014， 43（1）： 160?162.