飛機(jī)座艙空氣調(diào)節(jié)分系統(tǒng)測試儀設(shè)計(jì)

應(yīng)朝龍，楊 凡，宋偉健

（海軍航空工程學(xué)院a.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部；b.研究生管理大隊(duì)；c.科研部，山東煙臺(tái)264001）

飛機(jī)座艙空氣調(diào)節(jié)分系統(tǒng)在為飛行員提供舒適和安全的工作環(huán)境的同時(shí)，也要保障機(jī)載電子設(shè)備的正常工作。飛機(jī)座艙空調(diào)分系統(tǒng)的電源、電阻和時(shí)間參數(shù)能否達(dá)到規(guī)定的要求，是衡量空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能優(yōu)劣和工作是否正常的重要指標(biāo)。因此，對飛機(jī)座艙空調(diào)分系統(tǒng)工作性能進(jìn)行測試顯得尤為重要[1]。目前，雖然以自動(dòng)測試系統(tǒng)（ATS）[2-3]為典型代表的維護(hù)保障設(shè)備已裝備部隊(duì)，但對座艙空氣調(diào)節(jié)分系統(tǒng)的測試還沒有納入ATS的保障范圍。本文基于單片機(jī)和總線技術(shù)[4-5]，設(shè)計(jì)了某型飛機(jī)座艙空氣調(diào)節(jié)分系統(tǒng)測試儀。該儀器能夠很好地完成對分系統(tǒng)多個(gè)被測設(shè)備工作性能的檢測，滿足飛機(jī)維護(hù)工作的需求。

1 測試需求分析與硬件電路總體設(shè)計(jì)

某型飛機(jī)座艙空氣調(diào)節(jié)分系統(tǒng)測試儀（以下簡稱測試儀）主要完成對機(jī)上座艙調(diào)節(jié)分系統(tǒng)及其部附件（以下簡稱被測對象）電源、電阻和時(shí)間測試項(xiàng)目的檢測。

主要測試項(xiàng)目包括：完成對被測對象交流供電電源電壓、電流和頻率的檢測；完成對被測對象直流供電電源電壓和電流的檢測；完成對某型渦輪限速控制器在不同高度時(shí)的增壓和減壓信號(hào)的檢測，主要測試增壓電阻和減壓電阻；完成對2種型號(hào)的調(diào)壓閥門電動(dòng)機(jī)構(gòu)從全開到全關(guān)和從全關(guān)到全開的時(shí)間。

針對測試需求，確定測試儀的總體框圖見圖1。圖1中，CPU為本測試儀的控制核心，主要完成人機(jī)接口、總線信號(hào)采集、信號(hào)反饋與測量控制等功能，它采用帶WTD（看門狗）電路的AT89C55WD[6]型單片機(jī)。這樣，既可保證其允許可靠性，又因其有20k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器而方便中文提示信息的顯示。圖1中的程控電阻模塊也隱含著另一個(gè)CPU，它也是采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其型號(hào)為AT89C2051。

圖1 測試儀硬件設(shè)計(jì)總體框圖Fig.1 Block diagram of the tester hardware

采用帶RS485總線的交直流電壓和電流的測量[7]的工業(yè)測量儀表來實(shí)現(xiàn)，以便提高系統(tǒng)的可靠性和測量精度。為了減少測試儀體積，～115 V/400 Hz的電壓、電流和頻率采用三合一的儀表來測量。

對被測設(shè)備增壓和減壓電阻的檢測，主要是要提供一路精密電阻輸出，同時(shí)要檢測在不同輸出電阻時(shí)的反饋信號(hào)，然后確定其狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的電阻阻值。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在測試儀中配置了帶RS232總線的程控電阻模塊[8]。

對于電動(dòng)機(jī)構(gòu)的測試，主要是要測量其從全開到全關(guān)和從全關(guān)到全開的時(shí)間，這些項(xiàng)目的測試主要由控制信號(hào)輸出電路和反饋信號(hào)輸入電路來實(shí)現(xiàn)。首先，按照要求給被測對象提供所需的控制信號(hào)；然后，檢測反饋回來的信號(hào)，通過判別其狀態(tài)變化的時(shí)間值來完成測試。

整個(gè)測試儀的信息提示和結(jié)果顯示都用19264型點(diǎn)陣LCD（液晶顯示器）[9]來實(shí)現(xiàn)。其測試控制過程和信息輸入則通過4′4鍵盤來實(shí)現(xiàn)。

2 測試儀硬件電路設(shè)計(jì)

除了測量交流電源和直流電源參數(shù)以及壓力的工業(yè)測量儀表（帶RS485總線）外，測試儀的硬件電路主要包括主控板、程控電阻模塊、反饋信號(hào)輸入電路、控制信號(hào)輸出電路、RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路、直流穩(wěn)壓電源、顯示器和鍵盤。其中，后4種電路是電子系統(tǒng)最常用的部件，在許多文獻(xiàn)中都有介紹[10-11]；而由單片機(jī)、繼電器和精密電阻構(gòu)成的程控電阻模塊，也已在機(jī)載電子設(shè)備的測試中得到了廣泛應(yīng)用，對這些內(nèi)容，本文不作贅述。

2.1 主控板設(shè)計(jì)

主控板是本測試儀的核心部件，主要完成對各個(gè)測量和控制電路的控制，其電路原理框圖如圖2所示。

圖2 主控板電路原理框圖Fig.2 Block diagram of the main board

主控板采用AT89C55WD型單片機(jī)作為CPU 芯片。為了實(shí)現(xiàn)RS232總線通信，采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232電平之間的轉(zhuǎn)換[12]。主控板的外形設(shè)計(jì)成與19264型LCD顯示器相同大小，并且其固定孔和連接器位置也與LCD直接對應(yīng)，這樣便于將其與LCD直接固定為一體，從而既可以縮小測試儀的體積，也便于設(shè)備維護(hù)。

主控板設(shè)計(jì)的核心問題是CPU的I/O端口的分配問題。

綜合考慮I/O端口特性、管腳位置以及軟件編程方便等因素，設(shè)計(jì)CPU的I/O資源分配如表1所示。

表1 單片機(jī)I/O口資源分配表Tab.1 Microcontroller I/O resource allocation table

從表1可見，測試儀所需的信號(hào)數(shù)量正好為32個(gè)，因而一個(gè)單片機(jī)即可滿足需要。

2.2 反饋信號(hào)輸入電路

被測設(shè)備輸入到本測試儀的反饋信號(hào)均為“+28 V/懸空”類開關(guān)信號(hào)，如果將這些信號(hào)直接經(jīng)分壓送給本測試儀的主控板，就會(huì)帶來大量的干擾信號(hào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)意外復(fù)位等故障現(xiàn)象，尤其是在測試過程中當(dāng)外部有氣泵運(yùn)行或停止等動(dòng)作時(shí)，對系統(tǒng)的干擾更大。

為了消除外部信號(hào)對本測試儀的影響，本測試儀的所有對外控制信號(hào)和輸入進(jìn)來的反饋信號(hào)都要進(jìn)行光電隔離。

反饋信號(hào)輸入電路如圖3所示。圖3中共有4路輸入信號(hào)，輸入信號(hào)類型為“28 V/懸空”開關(guān)信號(hào)，經(jīng)光電隔離和波形整形后，輸出為TTL電平信號(hào)。當(dāng)輸入為+28 V時(shí)，輸出為“1”；當(dāng)輸入為懸空時(shí)，輸出為“0”。

圖3 反饋信號(hào)輸入電路原理圖Fig.3 Circuit of feedback signal

2.3 控制信號(hào)輸出電路

對被測設(shè)備的測試需要4路開關(guān)量控制信號(hào)，其中2路為“+28 V/懸空”類信號(hào)，一路為“+12 V/懸空”信號(hào)，一路為“通/斷”信號(hào)。這些信號(hào)通過繼電器隔離和驅(qū)動(dòng)來輸出，以保證電路的可靠運(yùn)行?？刂菩盘?hào)輸出電路——繼電器輸出板電路原理如圖4所示。

圖4 繼電器輸出板（JDQ）電路原理圖Fig.4 Circuit of relay output（JDQ）

一個(gè)繼電器輸出板（JDQ）共有4路，如圖4所示。在繼電器板上，將+5 V 電源、數(shù)字地（GND）和4個(gè)控制信號(hào)連接到一個(gè)插頭，作為輸入信號(hào)。信號(hào)的輸出分成3個(gè)部分，分別用3個(gè)插頭連接。首先，將2個(gè)繼電器的COM11連接到一起再接到+28 V；再將它們的第1路常開點(diǎn)（NO11）作為信號(hào)輸出端，共同連接到一個(gè)3 芯的輸出插頭上；然后，將第3 和第4個(gè)繼電器的公共端COM11 和第1路常開點(diǎn)（NO11）分別用一個(gè)2芯的輸出插頭座連接，2個(gè)插頭座型號(hào)相同，但方向相反，這樣以免插錯(cuò)。其中，第3 通道用于控制反饋開關(guān)，第4 通道用于通過機(jī)箱中的輸出繼電器來控制泵的運(yùn)行，輸出繼電器采用+12 V 電源來驅(qū)動(dòng)。

3 測試儀軟件設(shè)計(jì)

測試儀要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，必須要有完善的軟件系統(tǒng)支持。測試儀中的人機(jī)接口、項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)處理等程序的設(shè)計(jì)與其他單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常相似[12]，而其中的測試控制模塊則具有非常鮮明的特色。

3.1 全開和全關(guān)時(shí)間測試程序設(shè)計(jì)

有2個(gè)被測對象需要測試調(diào)壓閥門電動(dòng)機(jī)構(gòu)從全開到全關(guān)和從全關(guān)到全開的時(shí)間，簡稱為全開時(shí)間和全關(guān)時(shí)間，這2個(gè)時(shí)間的測試程序框圖如圖5所示。

圖5 全開和全關(guān)時(shí)間測試程序框圖Fig.5 Flow chart of the open and close time test

圖5中，全開和全關(guān)信號(hào)的檢測在主程序中進(jìn)行，而0.1 s時(shí)間的延時(shí)則由定時(shí)器中斷產(chǎn)生，因而能保證很高的延時(shí)精度。在測試過程中，時(shí)間顯示以0.1 s為遞進(jìn)單位，顯示屏上可以動(dòng)態(tài)地顯示時(shí)間測試過程。

3.2 供電電壓和電流測試程序

各個(gè)被測對象都需要測試其直流供電電壓和消耗的電流。其中，2個(gè)調(diào)壓閥門的電壓測量和電流測量需要進(jìn)行較復(fù)雜的處理，其測試程序框圖如圖6所示。測試電壓和電流原只要直接讀取總線式電壓表和電流表的數(shù)據(jù)就可以了，但在測試2個(gè)調(diào)壓閥門時(shí)，由于其消耗電流值需要測試其在閥門動(dòng)作過程中的值而非靜態(tài)時(shí)的值，因而本程序的關(guān)鍵就是要讓閥門動(dòng)起來再測電壓和電流。因?yàn)殚y門的原始狀態(tài)不明，所以程序上就要通過檢查全開信號(hào)和全關(guān)信號(hào)的狀態(tài)來控制閥門的運(yùn)動(dòng)。

圖6 調(diào)壓閥門的電壓和電流測量程序框圖Fig.5 Flow chart of the voltage and current test of the valve

4 結(jié)束語

本測試儀以解決部隊(duì)實(shí)際使用需要為出發(fā)點(diǎn)，著力提高設(shè)備的實(shí)用性和可靠性。實(shí)際使用表明，本測試儀能夠完成對被測對象的各項(xiàng)指標(biāo)的精確測試，并且具有電纜連接快捷、人機(jī)界面友好、操作使用方便、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足對某型飛機(jī)空氣調(diào)節(jié)分系統(tǒng)多個(gè)被測對象的工作性能檢測的要求。目前，測試儀樣機(jī)已通過驗(yàn)收并交付某部使用。

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