一種通用航空測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法

秦碩

（1.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410200；2.湖南省飛機(jī)維修工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410200）

0 引言

采用航空測(cè)試儀器對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行維修和測(cè)試，是確保飛行安全的重要環(huán)節(jié)和舉措[1-2]。目前航空測(cè)試儀很多采用NI公司的PXI、NXI等測(cè)試總線，該總線結(jié)構(gòu)硬件測(cè)試資源豐富，但是產(chǎn)品成本較高。本文基于嵌入式技術(shù)，提出了一種分布式低成本的通用航空測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了信號(hào)分配主板、功能電路板等，大大降低了測(cè)試儀器的成本、減小了設(shè)備體積。

1 設(shè)計(jì)需求分析

在航空測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)一個(gè)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行功能檢查，通常需要模擬該系統(tǒng)的電氣工作環(huán)境和條件，并且需要對(duì)系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷機(jī)載設(shè)備的性能[3-4]。對(duì)于飛行控制系統(tǒng)的檢測(cè)，要模擬慣導(dǎo)系統(tǒng)向飛控系統(tǒng)提供飛機(jī)的航向角、飛機(jī)的位置、飛機(jī)偏離預(yù)定航線的距離等信號(hào)；要模擬大氣機(jī)向飛控系統(tǒng)提供的飛機(jī)高度、速度等信號(hào)；要模擬航姿系統(tǒng)向飛機(jī)提供的飛機(jī)滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和航向角等信號(hào)。這些信號(hào)通常以各種電壓、電流、同步器或總線形式傳送，測(cè)試儀器需要能夠?qū)S422、ARINC429和1553B等各種通訊接口進(jìn)行測(cè)試、產(chǎn)生被測(cè)設(shè)備需要的電流信號(hào)、電壓信號(hào)、角度信號(hào)，同時(shí)對(duì)被測(cè)設(shè)備輸出的電壓、電流、開(kāi)關(guān)指令、總線信號(hào)等進(jìn)行檢測(cè)。

2 測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)

由于航空測(cè)試需求復(fù)雜，很多檢測(cè)儀器都是針對(duì)被測(cè)設(shè)備專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，每一臺(tái)測(cè)試儀器滿足一個(gè)被測(cè)設(shè)備的測(cè)試需求，導(dǎo)致航空測(cè)試儀種類(lèi)多、數(shù)量大，通用性和擴(kuò)展性不強(qiáng)。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種模塊化的航空測(cè)試儀設(shè)計(jì)思想：功能劃分模塊化、通訊接口標(biāo)準(zhǔn)化、供電接口統(tǒng)一化。在模塊化設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，航空測(cè)試儀電路結(jié)構(gòu)由底板，控制板、多個(gè)功能板和電源模塊等組成。底板負(fù)責(zé)向各板卡供電和進(jìn)行信號(hào)分配，功能板在控制板的控制下產(chǎn)生各種測(cè)試信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試設(shè)備電路板安裝示意和實(shí)物圖

圖1中，左邊是示意圖，右邊是實(shí)物圖。航空測(cè)試儀機(jī)箱內(nèi)部包含CPU控制板、底板、各功能板卡（通訊板卡、繼電器板卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡等），各板卡通過(guò)96針高密插座安裝在底板上，底板通過(guò)96針高密插座向各功能板和控制板提供電源和控制信號(hào)。該電路結(jié)構(gòu)可以根據(jù)不同的測(cè)試需求，更換測(cè)試功能板，從而實(shí)現(xiàn)航空測(cè)試設(shè)備的快速開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)升級(jí)。采用該方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀的可擴(kuò)展性，可根據(jù)實(shí)際情況和測(cè)試需要增加、減少功能板卡。當(dāng)測(cè)試儀器出現(xiàn)故障時(shí)，只需要更換相應(yīng)的板卡，極大地提高了設(shè)備的維護(hù)性。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出硬件電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2中，下位機(jī)控制板負(fù)責(zé)和上位機(jī)通訊，接收控制命令，并將交互式信息發(fā)送至底板；底板信息包括CAN總線（負(fù)責(zé)和各功能板上的CPU板通訊）、電源線和GPIO地址線、數(shù)據(jù)線，這些信號(hào)通過(guò)96針高密插座和各功能板連接，控制板通過(guò)設(shè)定的地址區(qū)別各功能板，通過(guò)數(shù)據(jù)線向各功能板發(fā)送控制指令，或接收來(lái)自功能板的信號(hào)；各功能板對(duì)控制板發(fā)送的地址信號(hào)進(jìn)行譯碼，從而接收對(duì)應(yīng)的控制指令和數(shù)據(jù)信號(hào)，并對(duì)控制指令進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，或?qū)⒉杉男盘?hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送回控制板。功能板包括STM單片機(jī)小系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的485接口、422接口通訊板、模擬量輸入輸出板、以及由FPGA譯碼電路構(gòu)成的干觸點(diǎn)輸入輸出板等。該電路結(jié)構(gòu)能夠很容易的實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和模塊化設(shè)計(jì)。

■3.2 內(nèi)部信號(hào)接口電路

功能板和底板的通訊接口電路接口形式為96針高密插座。包含總線信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和供電電源，信號(hào)分配如圖3所示。

圖3 內(nèi)部信號(hào)接口電路圖

圖3是各功能電路板和底板通訊接口模塊，圖中JIN1插座上包含了CAN總線信號(hào)、電源信號(hào)和GPIO信號(hào)，其中GPIO信號(hào)包含地址總線和數(shù)據(jù)總線，由D1至D24構(gòu)成，將D1至D8分配為地址線，D9至D24設(shè)為數(shù)據(jù)線，通過(guò)功能板上的FPGA對(duì)地址線進(jìn)行譯碼，確定每個(gè)命令發(fā)送對(duì)象，通過(guò)數(shù)據(jù)線確認(rèn)命令內(nèi)容。避免了直接采用GPIO引腳去控制繼電器和電流信號(hào)的產(chǎn)生芯片，將面臨引腳難以分配和編程的混亂，且占用GPIO引腳過(guò)多。信號(hào)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)于設(shè)備的擴(kuò)展和模塊化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

4 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)測(cè)試程序和硬件底層驅(qū)動(dòng)程序，上位機(jī)測(cè)試程序提供人機(jī)測(cè)試軟件界面和系統(tǒng)控制功能包程序塊等，硬件底層驅(qū)動(dòng)程序包括422/485通訊模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)自監(jiān)測(cè)保護(hù)等。測(cè)試軟件流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試軟件流程圖

上位機(jī)人機(jī)界面程序運(yùn)行后，通過(guò)選擇測(cè)試功能，發(fā)送相應(yīng)的測(cè)試信號(hào)，比如選擇RS422通訊測(cè)試，進(jìn)入通訊測(cè)試界面，下位機(jī)接收控制指令，向相關(guān)功能板卡發(fā)送控制指令和接收傳回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。上位機(jī)測(cè)試軟件DEMO界面如圖5所示。

圖5 測(cè)試儀主界面示意圖

圖5是一種航空測(cè)試儀的軟件界面，包含使能控制模塊、警告燈狀態(tài)模塊、總線信息顯示模塊等。其中使能控制按鈕，按下?tīng)顟B(tài)表示使能信號(hào)輸出，此時(shí)該按鈕為綠色，沒(méi)有輸出為紅色。告警燈信號(hào)表示輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，該燈變?yōu)榧t色?？偩€信息顯示框，顯示422或232等數(shù)據(jù)總線接收和需要發(fā)送的信息。

上位機(jī)、測(cè)試儀器和被測(cè)設(shè)備，通過(guò)測(cè)試電纜連接，接通測(cè)試儀和被測(cè)設(shè)備電源，啟動(dòng)上位機(jī)進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制軟件，開(kāi)始測(cè)試，連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 測(cè)試連接示意圖

5 總結(jié)

提出了一種分布式通用航空測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了集中供電和信號(hào)分配的底板，統(tǒng)一和規(guī)范了控制板、底板和功能板卡的電氣接口，實(shí)現(xiàn)了航空測(cè)試儀的模塊化、通用化和可擴(kuò)展設(shè)計(jì)；通過(guò)基于虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了某航空測(cè)試儀上位機(jī)的測(cè)試軟件界面；采用FPGA和ARM相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了功能板卡的核心電路，并采用MDK5等開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)了底層硬件驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)方法降低了測(cè)試儀的硬件開(kāi)發(fā)難度和成本，提高了測(cè)試儀的可靠性和可維護(hù)性。