基于虛擬儀器的航電測試系統研究(通訊)

                              段容宜a，  王海斌b

    （中國民航飛行學院，a．航空工程學院，b．飛機修理廠，四川廣漢618307）

摘要：研究了我國航電測試系統的現狀及問題，討論了虛擬儀器在航電測試系統的開發上的優勢以及系統結構，在系統設計上采用結構化、模塊化設計思想。以CPIB儀器為依托完成硬件方面的設計；在軟件方面，利用直接和間接調用方法實現對測試儀器的控制。

關鍵詞：航電測試系統；虛擬儀器；維修平臺；系統設計

中圖分類號：V443    文章編號：1671 -637X(2016)05 -0080 -04

0  引言

    航電系統又稱為“綜合航空電子系統”，是現代飛機的一個重要組成部分，其性能高低直接影響到飛機的整體性能。綜合航電系統功能先進、可靠性高，但系統相對較為復雜，特別是綜合化的設計思想，使得航電系統深度維修的很多新技術問題仍待解決。

    本文應用了虛擬儀器技術，使測試系統實現對各種測試儀器的自動控制，從而為整個測試系統實現自動測試奠定基礎，并應用數據庫引擎以及故障診斷技術，實現系統性能測試信息存儲以及故障定位、診斷等功能。結合綜合航電測試系統的研制過程，詳細闡述其系統組成構架、工作原理、軟硬件關鍵技術及其工程應用結果。

1  系統總體結構

航電測試系統總體結構如圖1所示。

    航電測試系統主要分為硬件平臺和軟件平臺兩部分。其中，硬件平臺為系統測試提供了物理資源。從綜合航電系統工作原理和結構特性出發，根據所有功能子部件的測試需求、測試資源性能和接口類型，確定所需測試資源，并對連接系統功能的適配系統進行優化設計，實現重復的物理資源共享，這樣既可以降低硬件成本投入，又可以簡化硬件平臺搭建工作，有利于測試系統排故，提高測試的準確性和可靠性。

    測試系統以高性能的工控機為中心，控制各類測試儀器、設備來完成硬件平臺的搭建。軟件平臺的功能是為測試提供開發、調試及運行環境，該測試系統的軟件開發在Windows XP操作系統下，以NI Lab VIEW201 1為集成開發環境。

    測試系統完成功能包括：能夠對整個航電系統及各功能子部件進行功能、性能檢測，對測試結果進行自動判別、故障診斷，并進一步將故障定位到電路板級。

    工作原理：系統自檢通過后，利用適配系統，完成測試平臺硬件資源與被測系統匹配連接。通過測試程序對相關測試儀器進行調用，為被測系統提供激勵。系統對輸出響應進行評估，完成性能測試和故障診斷。對于測試數據，根據用戶需求進行存儲、查詢和打印。

2  系統結構

2.1硬件平臺

    硬件平臺由控制模塊和資源模塊組成，其結構如圖2所示。

    控制模塊包括測控計算機及外設，測控計算機采用研華工控機，內置各類控制板卡，完成整個測試系統軟硬件資源控制。資源模塊包括系統測試所需的物理資源，分為(GPIB總線儀器和適配模塊。其中，GPIB總線儀器采用分立式結構，其獨立儀器的選用均為目前市場上同類儀器中精度最高的，包括通導綜合測試儀、頻譜分析儀、程控電源、峰值功率計和數字板卡等；適配模塊由主控計算機通過串行總線進行控制，其功能是將資源模塊與被測系統進行匹配連接．主要由控制、轉換、電源、識別和調理電路組成。被測航電系統的功能子部件多達十幾部，各子部件測試在資源需求方面存在著重復性，此類測試資源包括測試儀器、測試線路和供電模塊。在適配模塊中設計轉換和電源電路，實現了同一資源被分配到多個節點，在很大程度上節約了測試資源和硬件線路連接。在信號匹配方面，考慮到被測系統個別功能子部件所需激勵信號存在特殊性，與通用測試源無法直接供給，因此，在適配模塊中設計了調理電路，將通用測試源輸出信號進行一定的轉換處理，以滿足系統測試需求。此外，在適配模塊中，還設計有控制和識別電路，分別完成測試儀器、被測子部件的供電控制和狀態監測。

2.2軟件平臺

2.2.1  系統軟件框架

    在Lab VIEW集成開發環境下，將測試系統進行層次化、模塊化設計。系統軟件平臺包括底層驅動與應用層測試兩部分。驅動部分對硬件資源進行管理，為上層程序運行提供支持；應用層測試部分完成操作人員與測試平臺的信息交互，由相對獨立且具有單一功能的模塊組成，這樣保證了軟件系統的持續增長性與靈活性，其框架如圖3所示。

2.2.2軟件功能模塊

    下面對各層及內部模塊組成做進一步闡釋。

    1)底層驅動部分。

    ①運行環境：利用Lab VIEW集成開發環境提供的界面庫，可以較容易地設計出符合工程要求且美觀的操作界面；利用Lab VIEW提供的豐富函數庫進行各類數據的獲取和分析處理。在Lab VIEW集成開發環境基礎上，最終實現了對整機航電系統傳輸的上千個飛行參數處理和模擬顯示。

    ②設備驅動模塊：該模塊主要實現GPIB總線儀器驅動程序的編寫，完成主控機與測試儀器間的數據傳輸，以實現對儀器的程控。

    GPIB總線儀器驅動程序離不開VISA庫的支持，VISA是虛擬儀器軟件結構(Virtual Instrument SoftwareArchitecture)的縮寫，是一個標準I/O接口函數，其運行獨立于OS、軟件運行環境及總線協議。

    利用VISA設計開發GPIB總線儀器驅動程序時，考慮到其通信方式是建立在寄存器基礎上的，因此選用的庫函數均基于寄存器操作。GPIB總線儀器驅動程序開發流程如圖4所示。

    首先使GPIB卡進入初始狀態，在地址寄存器中寫入本機地址；然后在尋址寄存器中設置尋址方式；接著打開中斷寄存器，使得中斷情況出現時，完成中斷請求；最后設置方式寄存器，完成讀、寫工作方式的配置。

    ③數據庫模塊：本系統采用Access數據庫技術，為故障診斷專家系統的設計提供知識庫支持。此外，通過對數據庫操作，將被測系統的相關信息、測試數據以及測試結論進行存儲及相關處理。

    2)應用層測試部分，該部分包括如下5個功能模塊。

    ①平臺自檢模塊：完成對維修測試平臺的所有物理資源（總線儀器、適配系統）的檢測，對測試平臺的工作狀態進行判斷。

    ②模式選擇模塊：完成各功能子部件的獨立測試模式和綜合航電系統測試模式的選擇，軟件測試平臺即可完成各功能子部件單獨測試，也可在航電系統交聯情況下進行綜合測試。

    ③性能測試模塊：該模塊是系統軟件平臺的核心部分，系統通過主控機控制信號發生器、數字信號板卡，分別為被測系統提供模擬、數字信號激勵，并對系統輸出信息進行處理。系統在測試程序中實現了性能參數指標函數曲線描繪，并利用該曲線算法對輸出響應數據進行判斷，輸出判斷結果及誤差，從而完成性能測試。

    綜合航電系統的傳輸信號包括串口數據( RS232/RS422/RS485)、CAN總線、ARINC429和Ethernet等4種數據格式。每種數據格式都包含了幾十甚至上百種飛機參數，在性能測試過程中要對每種數據格式所含的飛行參數進行讀取、分析和判斷。雖然綜合航電系統輸出數據格式較多，包含參數量較大，但在實現性能測試時，對其處理過程基本一致。

    以ARINC429總線協議一種參數測試（空速）為例，對其程序執行過程進行說明，如圖5所示。

    該參數程序實現包括總線配置和數據處理2個模塊，總線配置實現了通道選擇、傳輸速度、數據格式和奇偶校驗設置，再調用open函數模塊打開相應通道；數據處理模塊實現了參數的寫入和讀取，對讀取的數據進行判斷，將數據判定算法利用程序語言進行描述，并將判斷結果進行存儲和顯示處理。

    ④故障診斷模塊：采用基于專家系統的故障診斷技術完成該模塊功能，其總體結構如圖6所示。

    專家系統主要包括故障知識學習和故障診斷兩部分。其中：故障知識學習包括知識管理、獲取、驗證和知識庫等功能模塊；故障診斷則包括推理機、診斷結果、解釋模塊、診斷流程和人機界面等功能模塊。

    在設計故障診斷專家系統時，最重要是完成知識庫構建和推理機的設計。知識庫的設計優劣程度直接決定專家系統性能，根據綜合航電系統故障知識的特點，且考慮到最大程度減少知識冗余，將知識庫構建為現象庫、原因庫和規則庫3類，分別用于存儲被測系統的故障規則、現象和原因的知識表達式和獲取方法。

    在推理機設計方面，針對故障診斷流程的結構特點，將故障樹技術引入診斷流程圖中，并將診斷流程轉化成故障診斷二叉樹，存儲轉換方法、步驟和規則，實現了基于二叉樹的故障推理機。

    ⑤在線幫助：為用戶使用和培訓提供便利。

2.2.3  測試平臺界面

    利用虛擬儀器Lab VIEW提供大量的圖形控件，能夠設計出滿足工程需求的測試界面，且其人機界面較為友好。圖7所示為系統主測試界面，能夠將性能參數測試情況實時地顯示在各類模擬儀表上。

3  實測結果

    利用該測試系統對6部綜合航電系統進行實際工程測試，將不同被測系統的同一參數進行提取比較，驗證測試系統的誤差精度?？紤]篇幅原因，本文僅列舉了部分主要參數，其實測數據如表1所示。

    根據實測數據，被測系統的數據誤差均在性能指標范圍內，測試精度滿足測試需求。

4結束語

    本文從系統構成的角度，討論了航電測試系統的基本設計思路，設計研發了綜合航電系統維修測試平臺。該平臺不僅能夠對綜合航電系統進行功能和性能測試，而且還內嵌故障診斷專家系統，能夠將綜合航電系統的故障定位到電路板級。

    維修人員利用此維修測試平臺，結合目前掌握的相關維修資料，可實現部件級修理。該系統改變了當今國內航電測試系統完全依靠進口的局面，解決了國外品牌整機價格昂貴、維修周期長、使用成本高且為硬件定制式、后續擴展性能極差等問題，經過實踐證明，該航電測試系統在檢驗、效率以及可靠性等方面都取得了滿意的效果。