基于ATE的飛機(jī)外掛裝置電路板故障診斷測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)

朱健亮， 劉 銳， 羅運(yùn)虎

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210016； 2.蕪湖天航裝備科技有限公司，安徽 蕪湖 241000)

作為飛機(jī)外掛裝置的關(guān)鍵部件，電路板承擔(dān)著信號(hào)采集、運(yùn)算和處理任務(wù)，一旦發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致其電氣與機(jī)械機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)、拒動(dòng)等不良后果，因而對(duì)其進(jìn)行測(cè)試與故障診斷顯得至關(guān)重要。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)電路板的研究主要集中在邊界掃描[1]、圖像處理[2]、無(wú)損探傷[3]、紅外成像[4]、EDA[5]和ATE[6]等技術(shù)在電路板快速檢測(cè)與維修保障中的應(yīng)用研究方面，對(duì)有關(guān)電路板測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的研究較少[7-8]。

目前，有關(guān)飛機(jī)武器外掛裝置的研究主要集中在測(cè)試系統(tǒng)研究[9-13]，對(duì)其內(nèi)部電路板的測(cè)試與故障診斷尚屬空白。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]分別基于PXI與PC104總線(xiàn)設(shè)計(jì)外掛裝置與掛架測(cè)試系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]基于LabWindows/CVI與工控機(jī)，對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[13]針對(duì)目前有關(guān)飛機(jī)武器外掛裝置的檢測(cè)設(shè)備種類(lèi)繁多、功能單一、測(cè)試資源互不通用、檢測(cè)效率較低等問(wèn)題，研制了一臺(tái)電氣性能綜合試驗(yàn)臺(tái)。迄今為止，針對(duì)飛機(jī)武器外掛裝置內(nèi)部各型電路板進(jìn)行測(cè)試與故障診斷的研究一直被長(zhǎng)期忽視。

目前，X系列飛機(jī)外掛裝置修理工廠(chǎng)對(duì)其內(nèi)部電路板的修理與測(cè)試依然采用手動(dòng)方式，測(cè)試流程煩瑣，測(cè)試效率和測(cè)試精度較低。為滿(mǎn)足X系列飛機(jī)各型外掛裝置電路板故障診斷、維修保障和綜合測(cè)試需要，本文基于自動(dòng)測(cè)試?yán)碚?，研制了一臺(tái)X系列飛機(jī)外掛裝置電路板故障診斷測(cè)試臺(tái)。

1 測(cè)試臺(tái)總體測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.1 外掛裝置電路板分類(lèi)

本測(cè)試臺(tái)要測(cè)試的9種外掛裝置電路板可分為模擬板、數(shù)字板以及總線(xiàn)板三類(lèi)。

(1) 模擬板。

該類(lèi)電路板由運(yùn)放、三極管、二極管、電容、電阻和模擬開(kāi)關(guān)等器件組成，實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電壓變換、帶通濾波、基準(zhǔn)電壓±0.5 V誤差檢測(cè)、相位和頻率變換等功能。

(2) 數(shù)字板。

該類(lèi)電路板由各種門(mén)電路、三極管、光耦、MAX186等器件組成，實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)信號(hào)的讀取、光耦通/斷控制、A/D轉(zhuǎn)換和矩形波的產(chǎn)生與變換等功能。

(3) 總線(xiàn)板。

該類(lèi)電路板以DSP(TMS320F240)、GAL20V8B等為處理器，以1553B總線(xiàn)協(xié)議芯片(BU61580)、ARINC429協(xié)議芯片(DEI1016)、MAX232為總線(xiàn)接口芯片，實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收。

1.2 外掛裝置電路板測(cè)試需求

(1) 模擬板測(cè)試需求。

針對(duì)各型模擬板，能夠完成待測(cè)電路板自動(dòng)識(shí)別、引腳導(dǎo)通性和不同電壓信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。

(2) 數(shù)字板測(cè)試需求。

針對(duì)各型數(shù)字板，能夠完成待測(cè)電路板自動(dòng)識(shí)別、引腳導(dǎo)通性和各種狀態(tài)信號(hào)的讀取與各種邏輯控制信號(hào)的輸出。

(3) 總線(xiàn)板測(cè)試需求。

針對(duì)各型總線(xiàn)板，能夠完成待測(cè)電路板自動(dòng)識(shí)別、引腳導(dǎo)通性和各種總線(xiàn)信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的發(fā)送與接收。

1.3 測(cè)試臺(tái)測(cè)試架構(gòu)

基于上述測(cè)試需求，所設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)采用“工控機(jī)+適配器箱/各種程控部件+轉(zhuǎn)接板+測(cè)試底板”分層架構(gòu)。其中，工控機(jī)內(nèi)嵌多塊PCI型多通道模擬量輸出卡(PCI-1721)、非隔離型多通道數(shù)字輸入/輸出卡(PCI-1753)、隔離型多通道數(shù)字輸入/輸出卡(PCI-1756)、多通道串口卡(PCI-1612C-CE)、1553B總線(xiàn)板卡(CAV-1553B-PCIB-2M-C)和ARINC429總線(xiàn)板卡(CAV-A429-PCIB-8DCH-C)；適配器箱內(nèi)嵌多塊矩陣開(kāi)關(guān)板(注：共計(jì)6塊，每塊板實(shí)現(xiàn)4通道×32路選擇)和1塊AO卡輸出信號(hào)調(diào)理板；各種程控部件由數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字示波器、多通道程控直流電源組成；轉(zhuǎn)接板用于將適配器箱/各種程控部件的輸出信號(hào)引至一塊板用于資源分配；測(cè)試底板用于測(cè)試待測(cè)電路板，并與轉(zhuǎn)接板相對(duì)插，其測(cè)試架構(gòu)如圖1所示。

1.4 外掛裝置電路板測(cè)試方法

① 首先，通過(guò)導(dǎo)軌將與待測(cè)電路板相對(duì)插的測(cè)試底板與轉(zhuǎn)接板相對(duì)插。

② 其次，通過(guò)不同的插座，將待測(cè)電路板與測(cè)試底板相對(duì)插(注：不同的插座，對(duì)應(yīng)不同的型號(hào)識(shí)別電阻)。

③ 然后，打開(kāi)工控機(jī)、數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字示波器、多通道程控直流電源和適配器箱電源開(kāi)關(guān)，并打開(kāi)電路板測(cè)試軟件。

④最后，運(yùn)行測(cè)試軟件，對(duì)待測(cè)電路版的各模塊進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)保存/查看/打印，測(cè)試結(jié)果用指示燈進(jìn)行提示，其中綠燈表示測(cè)試通過(guò)，紅燈表示測(cè)試不通過(guò)。

2 硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

針對(duì)測(cè)試需求及其測(cè)試精度，本測(cè)試臺(tái)所選用的測(cè)試部件包括各種程控部件和板卡，具體介紹如下。

2.1.1 各種程控部件選型

① 數(shù)字萬(wàn)用表Keysignt34461A；

② 多通道程控直流電源IT6322A(2通道0～30 V/3 A、1通道0～5 V/3 A)；

③ 數(shù)字示波器DS1104Z。

硬件選型原則：

圖1 測(cè)試臺(tái)架構(gòu)示意圖

① 選擇數(shù)字萬(wàn)用表時(shí)，需要滿(mǎn)足電壓/電阻值的測(cè)試精度要求，所以選擇6位半的數(shù)字萬(wàn)用表。

② 選擇多通道程控直流電源時(shí)，其輸出電壓與電流要能滿(mǎn)足待測(cè)電路板的工作狀態(tài)，即輸入電壓0～27 V，輸入電流0～2 A，考慮預(yù)留一定的容量，選擇輸出為0～30 V/3 A、0～5 V/3 A。

③ 選擇數(shù)字示波器時(shí)，其測(cè)試性能需要滿(mǎn)足待測(cè)電路板的頻率等要求(100 kHz)，考慮預(yù)留一定的容量，選擇100 MHz，其采樣率為1 GS/s。

2.1.2 各種程控板卡選型

① 多通道模擬量輸出卡(PCI-1721)。

② 非隔離型多通道數(shù)字輸入/輸出卡(PCI-1753)。

③ 隔離型多通道數(shù)字輸入/輸出卡(PCI-1756)。

④ 1553B總線(xiàn)板卡(CAV-1553B-PCIB-2M-C)。

⑤ ARINC429總線(xiàn)板卡(CAV-A429-PCIB-8DCH-C)。

⑥ 多通道串口卡(PCI-1612C-CE)。

硬件選型原則：

① 選擇多通道模擬量輸出卡時(shí)，需要考慮待測(cè)電路板需要模擬信號(hào)的電壓范圍及其通道數(shù)。

② 非隔離/隔離型多通道數(shù)字輸入/輸出卡時(shí)，需要考慮待測(cè)電路板的數(shù)字輸入/輸出通道數(shù)。

③ 選擇1553B總線(xiàn)/ARINC429總線(xiàn)/串口卡時(shí)，需要考慮待測(cè)電路板需要的1553B總線(xiàn)/ARINC429總線(xiàn)/串口通道數(shù)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 適配器板設(shè)計(jì)

適配器箱由6塊矩陣開(kāi)關(guān)板、1塊AO調(diào)理板、1塊電源板和底板組成，其中矩陣開(kāi)關(guān)板架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 矩陣開(kāi)關(guān)板架構(gòu)框圖

該板采用型號(hào)為EP1C6Q240C8的FPGA作為處理器，采用SN74LVC4245ADBR的電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)3.3 V和5 V的電平轉(zhuǎn)換，采用型號(hào)為ULN2803的驅(qū)動(dòng)芯片用以驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作；AO調(diào)理板用以將內(nèi)嵌于工控機(jī)的2塊AO卡經(jīng)運(yùn)放輸出不同范圍的電壓信號(hào)；電源板負(fù)責(zé)將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換為5 V和24 V直流電壓，其中5 V用于向適配器箱內(nèi)部6塊矩陣開(kāi)關(guān)板的FPGA與G5V-1繼電器供電；+24 V用于向AO調(diào)理板內(nèi)部的運(yùn)放供電；底板則通過(guò)多片74HC245將ISA總線(xiàn)信號(hào)同向驅(qū)動(dòng)后接至各分板，它能夠使6塊矩陣開(kāi)關(guān)板、1塊AO調(diào)理板和1塊電源板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與相互通信，并在ISA總線(xiàn)通信卡的控制下有效協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2.2.2 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)接板一方面將各種程控部件、板卡和適配器箱的各種輸入/輸出信號(hào)集中在一起，另一方面將上述信號(hào)引至測(cè)試底板相應(yīng)測(cè)試待測(cè)電路板的插座上。

2.2.3 測(cè)試底板設(shè)計(jì)

測(cè)試底板一方面通過(guò)與轉(zhuǎn)接板相對(duì)插，將信號(hào)資源引至測(cè)試待測(cè)電路板的插座上，另一方面用于安裝固定待測(cè)電路板。

3 軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

3.1 軟件需求分析

① 測(cè)試軟件應(yīng)具有良好的人機(jī)交互界面，測(cè)試項(xiàng)目完整，測(cè)試邏輯流暢。

② 為防止測(cè)試者誤操作，通過(guò)軟件保護(hù)來(lái)防止誤操作對(duì)產(chǎn)品造成損壞。

③ 測(cè)試結(jié)果能夠保存為Excel或PDF格式文件，且所保存文件具有密碼保護(hù)，防止測(cè)試數(shù)據(jù)被篡改。

基于上述需求分析，為提高軟件開(kāi)發(fā)效率，選用VC++6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷胧褂梦④浕A(chǔ)類(lèi)庫(kù)(MFC)進(jìn)行軟件界面開(kāi)發(fā)，同時(shí)利用多線(xiàn)程編程來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件之間的信息交互[14]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)原則

① 軟件布局設(shè)計(jì)要合理，把功能相近的按鈕放到一起，減少操作流程，并且工作界面要具有舒適性。

② 軟件開(kāi)發(fā)需要便于后期維護(hù)與擴(kuò)展，在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)要降低軟件的復(fù)雜性，運(yùn)用模塊化編程思想設(shè)計(jì)軟件，有利于提高程序后期的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性[15]。

③ 軟件需要能夠監(jiān)視硬件狀態(tài)，在測(cè)試每個(gè)項(xiàng)目時(shí)，先讀取適配器箱內(nèi)部板卡狀態(tài)，如果板卡狀態(tài)有誤，則停止測(cè)試并彈出錯(cuò)誤信息。

3.3 軟件功能測(cè)試

① 測(cè)試臺(tái)內(nèi)部各電路板與板卡自檢測(cè)試。

② 待測(cè)電路板自動(dòng)識(shí)別。

③ 待測(cè)電路板各種模擬信號(hào)測(cè)試，包括正弦信號(hào)特性(頻率、有效值等)、不同正弦信號(hào)的相位差等測(cè)試。

④ 待測(cè)電路板各種數(shù)字信號(hào)測(cè)試，包括各種電平數(shù)字信號(hào)之間轉(zhuǎn)換、邏輯門(mén)性能和模數(shù)轉(zhuǎn)換等測(cè)試。

⑤ 待測(cè)電路板各種總線(xiàn)信號(hào)測(cè)試，包括1553B/ARINC429總線(xiàn)/RS232發(fā)送/接收測(cè)試等。

3.4 軟件開(kāi)發(fā)流程

限于篇幅，這里僅給出矩陣開(kāi)關(guān)板自檢測(cè)試流程圖，如圖3所示。

圖3 矩陣開(kāi)關(guān)板自檢測(cè)試流程圖

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 測(cè)試條件

所研制的測(cè)試臺(tái)實(shí)物如圖4所示。測(cè)試臺(tái)測(cè)試操作步驟如下。

① 打開(kāi)測(cè)試設(shè)備電源總開(kāi)關(guān)，確認(rèn)電源指示燈處于點(diǎn)亮狀態(tài)。

② 打開(kāi)上位機(jī)測(cè)試軟件，并依次打開(kāi)數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字示波器、多通道程控直流電源和適配器箱開(kāi)關(guān)。

③ 通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)各程控部件與板卡進(jìn)行自檢，自檢成功后，將待測(cè)電路板與測(cè)試底板進(jìn)行對(duì)插。

④ 對(duì)所測(cè)電路板進(jìn)行型號(hào)識(shí)別，識(shí)別成功后進(jìn)入到相應(yīng)測(cè)試界面并按照測(cè)試需求進(jìn)行功能測(cè)試，限于篇幅，這里僅就模/數(shù)轉(zhuǎn)換的PC端結(jié)果進(jìn)行顯示。

圖4 測(cè)試臺(tái)外觀圖

⑤ 測(cè)試完成后，將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行保存/查看/打印。

4.2 測(cè)試結(jié)果

4.2.1 測(cè)試臺(tái)適配器箱內(nèi)部各電路板自檢測(cè)試

測(cè)試臺(tái)自檢具體包括各種程控部件、內(nèi)嵌于研華工控機(jī)內(nèi)部的板卡和適配器箱內(nèi)部各種自制板卡(包括6塊矩陣開(kāi)關(guān)板和1塊AO調(diào)理板)。限于篇幅，這里以其中1塊矩陣開(kāi)關(guān)板為例。該矩陣開(kāi)關(guān)板共128個(gè)繼電器，兩兩一組(如1#繼電器與33#繼電器為一組，2#繼電器與34#繼電器為一組，以此類(lèi)推，共計(jì)64組)，對(duì)其相互導(dǎo)通性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試臺(tái)自檢測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 測(cè)試臺(tái)自檢測(cè)試結(jié)果

由圖5可以看出，回路電阻值為0～5 Ω(注：矩陣開(kāi)關(guān)板內(nèi)部線(xiàn)路電阻大約為0～4 Ω)，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

4.2.2 待測(cè)模擬電路板功能測(cè)試

這里以不同正弦信號(hào)之間的相位差測(cè)試為例進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)數(shù)字示波器，利用程控手段對(duì)某待測(cè)模擬電路板兩路相位差電路進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。從圖6中可以看出，輸入波形為f=8.5 Hz，A=10 V的正弦波；輸出波形經(jīng)變換后幅值在1.8 V左右，相位滯后原波形約68.64°，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

4.2.3 待測(cè)數(shù)字電路板功能測(cè)試

該待測(cè)電路板模數(shù)轉(zhuǎn)換器件為12位的MAX186芯片，其時(shí)序與SPI接口兼容。這里以通道0為例，命令字為0x8f(表示0通道，單極性，采用外部時(shí)鐘進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換)。所加輸入電壓為2.140 V。模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果如圖7所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換PC顯示結(jié)果如圖8所示。由圖7可以看出，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出結(jié)果為0x42，0xf0，去掉第一位與最后三位的0，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果為100001011110，參考電壓為4.096 V，最終結(jié)果為2.142 V，滿(mǎn)足測(cè)試需求。

圖6 不同正弦模擬信號(hào)之間的相位差測(cè)試

圖7 模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果

圖8 模數(shù)轉(zhuǎn)換PC顯示結(jié)果

4.2.4 待測(cè)總線(xiàn)電路板功能測(cè)試

限于篇幅，這里以1553B總線(xiàn)電路板為例進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)1553B總線(xiàn)板卡，利用程控手段對(duì)某待測(cè)電路板1553B總線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。1553B總線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖9所示，由圖9可以看出，命令字0x0821表示遠(yuǎn)程終端地址為1,RT端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，子地址為1，接收1個(gè)數(shù)據(jù)字,校驗(yàn)位為0，數(shù)據(jù)字為0xa5a5，校驗(yàn)位為1。待測(cè)電路板接收到的數(shù)據(jù)字為0xa5a5，經(jīng)該板DSP解析后輸出1010,0101,1010，0101,滿(mǎn)足測(cè)試要求(注：限于篇幅，這里僅給出DSP對(duì)1553B總線(xiàn)協(xié)議芯片(BU61580)的RT初始化流程圖，如圖10所示)。

圖9 1553B總線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)測(cè)試結(jié)果

圖10 RT端初始化流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿(mǎn)足X系列飛機(jī)各型外掛裝置電路板故障診斷、維修保障以及綜合測(cè)試需要，基于自動(dòng)測(cè)試?yán)碚?，研制了一臺(tái)X系列飛機(jī)外掛裝置電路板故障診斷測(cè)試臺(tái)，并開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件，測(cè)試結(jié)果表明其有效性。由于受時(shí)間等諸多因素的影響，所研制的測(cè)試臺(tái)后續(xù)要在測(cè)試精度、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展性等方面加以改善。所做研究對(duì)于其他飛機(jī)外掛裝置電路板測(cè)試具有借鑒意義與參考價(jià)值，具有廣泛的應(yīng)用前景。