大氣數(shù)據(jù)計算機自動測試系統(tǒng)研究

羅云林，任文杰

（中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300）

大氣數(shù)據(jù)計算機輸出的大氣數(shù)據(jù)信息直接影響航空器的飛行狀態(tài)。準確有效地檢測大氣數(shù)據(jù)計算機，能夠提高飛行控制系統(tǒng)的性能，保證飛行安全。本文設(shè)計開發(fā)大氣數(shù)據(jù)計算機自動測試系統(tǒng)，給出硬件開發(fā)及軟件實現(xiàn)方案，對系統(tǒng)進行誤差分析，采用誤差修正的方法消除實際測量中的誤差，實現(xiàn)大氣數(shù)據(jù)計算機自動測試，提高測試精度。測試系統(tǒng)有自主保障功能，能夠可靠地保障測試系統(tǒng)的正常運行。

1 大氣數(shù)據(jù)計算機測試系統(tǒng)功能描述

大氣數(shù)據(jù)計算機測試系統(tǒng)是證實大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)及其部件是否滿足規(guī)定要求。測試系統(tǒng)以大氣數(shù)據(jù)計算機為測試對象，通過控制器向大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)施加靜壓、總溫和攻角等模擬信號，利用大氣數(shù)據(jù)計算機的對外交聯(lián)接口，對其輸出的信號進行監(jiān)測、調(diào)理、分析及處理；通過信息比較對其進行性能測試，實現(xiàn)大氣數(shù)據(jù)計算機系統(tǒng)軟硬件故障的全面測試。

大氣數(shù)據(jù)計算機測試系統(tǒng)具有以下功能：①在離位狀態(tài)下完成對大氣數(shù)據(jù)計算機的性能測試、功能測試和定期維修性檢測；②系統(tǒng)的輸出精度檢查，檢測系統(tǒng)對大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的輸出精度進行檢查；③自動測試功能，測試過程在計算機控制下自動完成，記錄存儲測試數(shù)據(jù)及故障顯示；④人工干預(yù)輔助測試，允許人工介入，對被測對象的關(guān)鍵信號點進行手動激勵或測試；⑤測試系統(tǒng)本身的自檢和自校功能。

2 大氣數(shù)據(jù)計算機測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

大氣數(shù)據(jù)計算機測試系統(tǒng)采用以PXI總線結(jié)構(gòu)主控機為測試控制器，自主定義的信號接口裝置實現(xiàn)自動測試設(shè)備與被測大氣數(shù)據(jù)計算機的連接，配以信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸入輸出模塊、電源模塊等測試儀器資源構(gòu)成測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework diagram of general structure of test system

測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由工控機、測試部件大氣數(shù)據(jù)計算機、ARINC429總線驅(qū)動卡、開關(guān)模塊、控制邏輯模塊、離散量信號驅(qū)動、模擬信號驅(qū)動、電源模塊構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of test system

2.2 硬件模塊

開關(guān)模塊與測試儀器采用外部連接。本測試系統(tǒng)中采用的是矩陣多路開關(guān)，根據(jù)UUT測試要求在適配器中配置儀器資源與開關(guān)系統(tǒng)的連接。

信號調(diào)理模塊將被測組件與工控機聯(lián)系起來，將調(diào)理好的大氣數(shù)據(jù)信號，送至主控計算機，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。

可編程電阻卡，大氣數(shù)據(jù)計算機總溫測量范圍為-55～100℃，對應(yīng)的電阻范圍為396.1～691.6 Ω，為實現(xiàn)自動給出電阻值，采用了可編程電阻板卡輸出。

模擬量信號模塊，大氣數(shù)據(jù)計算機的模擬量輸出參考電壓范圍是-20～20 V，需要測量AC模擬電壓，采用數(shù)值電壓表測試，為此采用24路SPDT繼電器板卡，由來自工控機PXI擴展卡的數(shù)字量直接控制。

離散量信號測試模塊，對離散信號的輸入控制采用DB24RD/12繼電器板卡實現(xiàn)。

電源箱由交流電源和DVM模塊組成，為系統(tǒng)提供+5 V、+12 V、+15 V和+28 V四路直流電源。

壓力控制器，為大氣數(shù)據(jù)計算機提供所需的靜壓和全壓，配置的壓力控制器的壓力精度高達0.02%，可以輸出全壓、靜壓、氣壓高度、速度、M及升降速率，高度可以給定到30000 m，馬赫數(shù)達到3，可以在主機控制下自動改變輸出的動、靜壓壓力，實現(xiàn)真正意義的自動測試工作。

2.3 系統(tǒng)軟件

根據(jù)測試系統(tǒng)的功能要求，軟件采用模塊化、分層次設(shè)計。

2.3.1 軟件模塊組成

測試系統(tǒng)的軟件部分主要包括主控軟件模塊、硬件驅(qū)動模塊、大氣數(shù)據(jù)計算機測試模塊、指示儀表測試模塊等，軟件開發(fā)采用虛擬儀器vs.net平臺。

對被測件進行測試時，測試項目由主控程序控制有序進行；主控程序先命令基本硬件進行BIT自檢，保證測試程序能順利加載到ADC中；ADC測試程序則用其認同的機器語言完成具體的測試命令步驟。

2.3.2 大氣數(shù)據(jù)測試軟件模塊

大氣數(shù)據(jù)測試軟件模塊包括ARINC429輸入輸出模塊的測試、故障燈測試、輸入輸出離散量模塊的測試、BIT模塊測試等測試模塊。

就ARINC429輸入輸出模塊為例介紹，民用航空飛機上ARINC-429數(shù)據(jù)傳速為12～14.5 kb/s，屬低速發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸是以電脈沖形式發(fā)送的，一個電脈沖為1位，一個數(shù)字字（32位）之間分為5段，一個數(shù)字字傳輸一個參數(shù)。ARINC-429輸入通道27條，輸出通道11條。測試輸入通道需要測試通道的暢通性并測試通道截止電壓是否有效，測試通道的暢通性使用測試字（ 0AAAA892）16和（ 15555492）16，測試截止電壓采用衰減電壓±7.5 Vdc。

測試中用轉(zhuǎn)化ARINC串行字為并行字后比較的方法測試，按圖3規(guī)則將測試字（0AAAA892）16和（15555492）16分別轉(zhuǎn)化成并行字進行比較，兩次轉(zhuǎn)化后的字 2是“ 1”、“ 0”相對的，兩個字 1中，ID 碼不一樣，其余不變。在實際數(shù)據(jù)傳輸中，標識、奇校驗位及信號狀態(tài)矩陣位幾乎不變，ID碼變更不頻繁，且一般發(fā)生在高3位，而數(shù)據(jù)塊是隨機變化的。這樣就更科學(xué)的測試了通道的情況。

圖3 串并行字轉(zhuǎn)換Fig.3 Conversion of serial to parallel character

在輸出通道測試中要測試通道的暢通情況及輸出信號的波形特征，測試過程為：先由測試臺命令大氣數(shù)據(jù)計算機發(fā)送測試字，然后檢查由ARINC輸出通道得到的數(shù)據(jù)，將它和期待值比較，得出結(jié)論。

2.4 系統(tǒng)誤差校準

對于大氣數(shù)據(jù)計算機自動測試系統(tǒng)來說，測量過程中產(chǎn)生的誤差大小關(guān)系到系統(tǒng)的精度和準確度，從而關(guān)系到測試系統(tǒng)的整體性能。對大氣數(shù)據(jù)計算機各參量和電壓測試信號進行誤差分析和誤差校準研究，有效的消除自動測試系統(tǒng)存在的誤差是至關(guān)重要的。

結(jié)合大氣數(shù)據(jù)計算機各參量分析誤差，大氣壓力、開關(guān)信號、總溫電阻的誤差皆是由系統(tǒng)硬件設(shè)備產(chǎn)生，定期檢查設(shè)定使之達到系統(tǒng)測量所需的精度。

電壓測試信號誤差，在大氣數(shù)據(jù)計算機中數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓信號的支路很多，如角度信號，大氣數(shù)據(jù)計算機輸入的攻角等信號是自整角機提供的同步信號，輸出信號如高度、空速、馬赫數(shù)以自整角機形式傳送到顯示儀表，同步角位置信號是由三線交流同步傳送，把三相同步交流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。大氣數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)中電壓信號是由AD轉(zhuǎn)換采集來實現(xiàn)。通過誤差修正方法消除電壓測試信號的誤差。

電壓采樣通道等效示意圖如圖4所示，R1為系統(tǒng)接線等效電阻，R2、R3為信號調(diào)理電路的分壓電阻，U1、U2為信號輸入端，AH、AL為AD采樣輸出端， 數(shù)據(jù)采集通道的分壓比ρ=R3/（R1+R2+R3）。

圖4 電壓采樣通道等效圖Fig.4 Equivalent cireait of voltage sample channel

此時設(shè)U1、U2端輸入為0時，AD采集電壓為零點漂移電壓V0；當U1、U2入以標準電壓值Vi時，AD采集電壓為 Vc，于是

當U1、U2端輸入任意電壓V時，AD采集電壓為Vf，于是得出

其中V0和ρ為固定值，不受輸入電壓影響，在實際校準過程中通過多次測量求平均值的方法來減少測量的隨機誤差，提高電壓測試的精度。

3 測試結(jié)果分析

在標準大氣壓下對大氣數(shù)據(jù)自動測試系統(tǒng)的測量結(jié)果進行評估，用大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)輸出的大氣數(shù)據(jù)與測試系統(tǒng)測量的大氣數(shù)據(jù)進行比較，可檢驗系統(tǒng)的精度。首先對大氣數(shù)據(jù)檢測進行仿真，記錄仿真結(jié)果，然后再對大氣數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)進行測試，記錄測試系統(tǒng)的測量結(jié)果，進行比較。這里選了9組接收高度值，比較的結(jié)果如表1所示。

表1 高度誤差精度Tab.1 Error accuracy of height

量高度的誤差在2 m之內(nèi)，誤差精度達到了0.03%FS以內(nèi)，與標準指標0.05%FS比較，有較高的測量精度。應(yīng)用同樣方法對大氣數(shù)據(jù)計算機輸出的其它信號進行評估，證明其均具有很高的精度。

4 結(jié)語

本文研究了大氣數(shù)據(jù)計算機的工作原理，介紹一種大氣數(shù)據(jù)計算機自動測試系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，對自動測試系統(tǒng)進行誤差分析，消除測試過程中電壓測試信號的誤差，有效提高系統(tǒng)測試的精度和準確度，在理論上和實際上解決了大氣數(shù)據(jù)計算機自動測試系統(tǒng)的一些技術(shù)難題。

[1]樊尚春，呂俊芳.航空測試系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

[2]趙淑榮，羅云林.大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2004.

[3]徐子荔，陳 明.基于DataSocket技術(shù)的大氣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)[J].計測計術(shù)，2006，26（ 1）：65-67.

[4]TONG GUANGQIU.High Accurate Test Standard of ADC，DAC and its Experiment Results，CPEM Digest[C]//Conference on Precision Electromagnetic Measurements，2005：369-370.

[5]DAVID TAGGART，RAJENDRA KUMAR，SRINI RAGHAVAN.Analog-to-Digital Converter Loading Analysis and Overloading Considerations for Communications Systems[C]//26th International Communications Satellite Systems Conference(ICSSC)，San Diego，CA，2008.