直升機無線電系統(tǒng)可重構(gòu)測試平臺技術(shù)研究

宋武濤

(哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱 150066)

直升機無線電系統(tǒng)可重構(gòu)測試平臺技術(shù)研究

宋武濤

(哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱 150066)

本文簡單的闡述了直升機機載無線電系統(tǒng)通用測試手段的研究,采用可重構(gòu)技術(shù),解析了測試平臺設(shè)備硬件的搭建及測試軟件框架。

總線data bus 采集 可重構(gòu)Reconfigurable 自動測試系統(tǒng)ATS

隨著直升機無線電系統(tǒng)產(chǎn)品不斷升級換代，常用的無線電系統(tǒng)測試設(shè)備都是分立式儀器，通常依靠組合儀器的方法來測試多功能的產(chǎn)品性能，而大量新產(chǎn)品采取“數(shù)字化”、“綜合化”、“模塊化”為方式設(shè)計，測試內(nèi)容多、工作量大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，模塊化是實現(xiàn)高度綜合化的基礎(chǔ)，離開了模塊化，航空電子系統(tǒng)就不可能進行功能綜合，不可能實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)，也不可能實現(xiàn)維護體制[1]。因此，研究可重構(gòu)的以通用化、系列化、模塊化為標(biāo)準(zhǔn)的無線電通用測試平臺成為解決問題的最佳手段。

1 簡介

機載無線電產(chǎn)品在裝機、維護過程中需要進行檢測工作，產(chǎn)品之間接口不同、參數(shù)不同、邏輯形式不同，每個產(chǎn)品需要配備一套專用檢測設(shè)備，通常采用專用測試臺與傳統(tǒng)儀器的組合形式，其測試功能基本滿足部分產(chǎn)品檢測和維護需要，由于儀器數(shù)量多、種類雜、重量重，人工操作精度低，易產(chǎn)生人為差錯，出現(xiàn)差錯時也難以查找，同類設(shè)備之間不能復(fù)用等等諸多因素，導(dǎo)致不同時期的新舊設(shè)備混合使用，存在同類設(shè)備重復(fù)配備的情況，浪費了大量資金，浪費嚴(yán)重人力和物力，尤其是在當(dāng)前以數(shù)字化、綜合化、模塊化為主的先進電子設(shè)備面前，更是顯得無能為力。

通過對可重構(gòu)的直升機無線電系統(tǒng)通用測試平臺的研究，解決一套設(shè)備適應(yīng)多種直升機、不同廠家生產(chǎn)的無線電產(chǎn)品的通用試驗需要，又能調(diào)整測試程序軟件重新構(gòu)成不同型號產(chǎn)品性能指標(biāo)的檢測要求，完成裝機前產(chǎn)品檢測和系統(tǒng)交聯(lián)試驗以及產(chǎn)品單機檢測和實物/部分實物交聯(lián)試驗任務(wù)，在試驗室內(nèi)構(gòu)建與直升機無線電系統(tǒng)工作環(huán)境相類似的試驗環(huán)境，把系統(tǒng)問題解決在裝機之前，為提高無線電系統(tǒng)裝機質(zhì)量和電磁兼容性奠定基礎(chǔ)。

2 測試需求

通過分析直升機無線電系統(tǒng)信號類型和參數(shù)，制定通用測試平臺的技術(shù)指標(biāo)：

A.直流電壓輸出：

電壓范圍：0～33VDC，誤差：±0.1VDC;

輸出功率：1200W;

圖1 系統(tǒng)功能配置框圖

B.交流電壓輸出：

電壓范圍：0～270VAC，誤差：±0.1Vrms;

頻率范圍：45～500Hz，誤差：±0.1Hz;

輸出功率：800VA;

C.隔離模擬輸出：

范圍：±20V，分辨率：12位;

D.數(shù)字I/O信號：

5V TTL/COMS;

E.音頻信號輸出：

幅度范圍：0.5mV～5Vrms，幅度誤差：±1mV;

頻率范圍：20～20000Hz，頻率誤差：±1Hz;

F.射頻信號輸出：

頻率范圍：100kHz～1.05GHz，頻率誤差：±10Hz;

幅度范圍：-141dBm～+5dBm，幅度誤差：±0.1dBm;

G.電壓測量：

直流電壓：范圍：0V～300V，誤差：±1%;

交流電壓：范圍：0mVrms～50Vrms，誤差：±1%;

H.電流測量：

范圍0-1ADC，0-1ACC，誤差：±100μA;

范圍0-20ADC，0-6ACC，誤差：±0.1A;

I.電阻測量：

范圍：0Ω～100MΩ，誤差：±0.1%;

J.波形測量：

帶寬：500MHz，分辨率：8位;

測量范圍：±25mV～±25V;

K.同步輸入/輸出信號：

基準(zhǔn)：26VAC/400Hz;

角度范圍：0～360°;

角度輸出誤差：±0.1°;

角度測量誤差：±0.1°;

圖2 軟件的層次結(jié)構(gòu)圖

圖3 軟件的邏輯圖

圖4 測試平臺結(jié)構(gòu)圖

圖5 通用測試平臺外觀圖

L.數(shù)據(jù)總線信號：

具備ARINC429、RS422、RS485、1553B和GPIB串口總線;

M.傳輸功能;

具有單工、半雙工、全雙工方式，分成高速和低速速率傳輸。

3 技術(shù)分析

3.1 框架設(shè)計

設(shè)備可重構(gòu)就是在不改變設(shè)備現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整測試程序軟件改變成適應(yīng)另外一種產(chǎn)品的測試設(shè)備，逐步形成使用同一套設(shè)備改變不同連接方式、應(yīng)用不同測試軟件達到適應(yīng)直升機無線電系統(tǒng)各類產(chǎn)品檢測的目的。在外部看來，測試方法和過程沒有任何變化，只是對程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，使其適應(yīng)性更強、測試更容易，測試模式和架構(gòu)更趨合理，提高測試設(shè)備的擴展性和維護性。

測試平臺架構(gòu)的可重構(gòu)性是研究的技術(shù)關(guān)鍵，包括測試平臺的硬件構(gòu)架和軟件構(gòu)架，主要研究以國內(nèi)外成熟的總線測試方法為基礎(chǔ)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，基于數(shù)字化和離散信號的測試?yán)碚?，以PXI總線規(guī)范概念和相關(guān)軟件為鏈路，結(jié)合多種直升機機載無線電系統(tǒng)的特點，研制功能齊全、性能可靠的通用測試平臺，同時充分利用現(xiàn)有配置的硬件設(shè)備和結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，增加少量附件，調(diào)整局部連接，就可以方便地完成功能擴展和軟件升級的目的。

無線電系統(tǒng)產(chǎn)品具有信號幅度弱、頻域?qū)?，調(diào)制信號種類多、穩(wěn)定度要求高的特點，采用專用設(shè)備來滿足信號發(fā)生、調(diào)制信號的解調(diào)、高頻信號傳輸、收發(fā)功能轉(zhuǎn)換等需求。通用測試平臺是集成的高性能的功能測試系統(tǒng)，其主要包括PXI總線儀器、GPIB總線儀器、計算機外設(shè)等資源組成。檢測系統(tǒng)包含電源信號、角度信號、音頻射頻信號、數(shù)字信號、模擬信號，開關(guān)信號等各種資源，可測試范圍覆蓋數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌稀⑽⒉ǘ蔚碾娐钒?、模塊以及設(shè)備。通用測試平臺功能配置框圖參見圖1。

無線電通用測試平臺設(shè)計了一套完整的TPS開發(fā)和執(zhí)行的平臺，在該平臺上可獨立完成被測設(shè)備的TPS開發(fā)、調(diào)試和故障檢測診斷。執(zhí)行環(huán)境調(diào)用開發(fā)完成的TPS，自動完成對被測試設(shè)備的測試和診斷，同時在執(zhí)行環(huán)境內(nèi)提供了手動測試接口，測試人員可以以手動的方式對測試設(shè)備進行測試和診斷。開放式設(shè)計、友好的人機界面、操作簡單不需要特殊培訓(xùn);采用測試功能逐層劃分方式，布局合理、美觀，符合使用習(xí)慣;采用連續(xù)檢測方式，檢測文件自動生成。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 設(shè)計思想

測試軟件選用VC++開發(fā) ，結(jié)合Lab Windows/CVI特點，內(nèi)置了GPIB、RS232串口和插入式DAQ辦的庫函數(shù)，提供多種界面的生成、編程、調(diào)試工具。按照軟件工程的要求和測試的過程，對軟件進行模塊化設(shè)計，確保開發(fā)過程與結(jié)果的工程化、規(guī)范化，充分利用面向?qū)ο?、測試流程交叉鏈接等軟件設(shè)計方法，采取框架式的軟件結(jié)構(gòu)把數(shù)據(jù)和測試流程分開，數(shù)據(jù)(包括系統(tǒng)配置參數(shù)和測試結(jié)果數(shù)據(jù))由關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行管理，遵循分層設(shè)計思想，采用模塊化組件設(shè)計思路，保證程序的擴展性和可維護性，適合并行開發(fā)，同時可提高軟件的重用性和可維護性。而且模塊劃分采用局部化思想，要求在一個模塊內(nèi)集中邏輯上相互關(guān)聯(lián)的計算資源，從而保證系統(tǒng)模塊之間具有松散的耦合關(guān)系，在模塊內(nèi)部具有較強的內(nèi)聚性，能夠有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度。同時，利用組件開發(fā)測試系統(tǒng)應(yīng)用程序的過程與搭積木的過程相似，一般是先構(gòu)筑系統(tǒng)的總體框架、然后構(gòu)造各個組件，并依次把組件組裝到系統(tǒng)中去。

3.2.2 物理結(jié)構(gòu)

按照總體結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，將軟件在物理上實現(xiàn)分層，各層結(jié)構(gòu)相對獨立，功能相對集中。各層具有相對統(tǒng)一的接口，只能與相鄰層發(fā)生直接交互，接收上層的命令，提供相應(yīng)的服務(wù)，或向下層發(fā)出命令，提出服務(wù)請求。從根本上保障程序的可維護性和擴展性，依據(jù)測試平臺的特點，將軟件劃分為五個層，它們自頂向下依次是應(yīng)用層、應(yīng)用接口層、組件層、驅(qū)動層、資源層。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

應(yīng)用層：是該軟件的最頂層，直接面向用戶，具有圖形化的界面，提供豐富的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，使用人性化的向?qū)Ш吞崾拘畔橛脩舨僮魈峁┲С?。它完成用戶輸入?shù)據(jù)的記錄，響應(yīng)用戶的各種觸發(fā)(包括鼠標(biāo)和鍵盤)，顯示操作狀態(tài)和結(jié)果。

應(yīng)用接口層：包含一系列的規(guī)范和函數(shù)，依據(jù)測試平臺的特點和規(guī)范，按照功能和類別定義了對上層(應(yīng)用層)的接口，應(yīng)用層的對外訪問依據(jù)這些接口定義和規(guī)范，包括數(shù)據(jù)庫訪問接口、文件訪問接口、面向信號的測量資源接口、面向路徑的開關(guān)資源接口、面向信號的激勵接口、通信總線接口、其他接口。本層只是定義層，目的是規(guī)范應(yīng)用層的設(shè)計和實現(xiàn)，應(yīng)用層的規(guī)范化的服務(wù)請求經(jīng)過解析，向下層(組件層)傳遞。本層同時接收下層(組件層)的服務(wù)信息數(shù)據(jù)，并進行規(guī)范化，然后向上層(應(yīng)用層)傳遞。

組件層：包含按類別區(qū)分的各種函數(shù)庫(COM組件、dll文件等)。主要功能包括：數(shù)據(jù)庫的訪問，文件讀寫，硬件設(shè)備驅(qū)動，通用管理功能，通用算法實現(xiàn)。本層接收上層(應(yīng)用接口層)的請求，完成相應(yīng)的功能和操作，把得到的結(jié)果傳遞給上層(應(yīng)用接口層)。

驅(qū)動層：本層包括各種硬件設(shè)備的驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)庫自動化接口(ADO)。硬件驅(qū)動程序完成對硬件資源的控制和通信，數(shù)據(jù)庫接口能夠?qū)崿F(xiàn)對指定數(shù)據(jù)庫的訪問：數(shù)據(jù)添加，數(shù)據(jù)修改，數(shù)據(jù)刪除，數(shù)據(jù)表創(chuàng)建，數(shù)據(jù)表刪除。本層被組件層調(diào)用，控制資源層的軟硬件資源。

資源層：本層包括數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)的硬件資源，是該軟件的最底層，使用ACCESS數(shù)據(jù)庫，硬件資源包括各種臺式儀器、板卡、適配器、和被測部品(UUT)。

3.2.3 邏輯結(jié)構(gòu)

軟件的邏輯關(guān)系體現(xiàn)了軟件各部分相互依存、數(shù)據(jù)傳遞的狀態(tài)，如圖3所示，對上面的軟件結(jié)構(gòu)進行邏輯關(guān)系分析，可以得到三條主要關(guān)系路徑：

(1)數(shù)據(jù)庫文件---數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序---數(shù)據(jù)庫組件---(系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)日志、數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)、幫助信息、故障診斷);(2)數(shù)據(jù)庫文件---數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序---數(shù)據(jù)庫組件---系統(tǒng)管理---管理組件;(3)數(shù)據(jù)庫文件---數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序---數(shù)據(jù)庫組件---(開機自檢、系統(tǒng)自檢系統(tǒng)校準(zhǔn)、虛擬面板、自動測試)---硬件驅(qū)動組件---硬件驅(qū)動程序、函數(shù)庫---(臺式儀器、板卡、適配器、UUT)。

其中第(1)和第(2)條關(guān)系與硬件驅(qū)動無直接關(guān)系，第3條關(guān)系覆蓋了軟件大部分結(jié)構(gòu)，是本軟件的主要邏輯關(guān)系。3條關(guān)系中都包含“數(shù)據(jù)庫文件---數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序---數(shù)據(jù)庫組件”，所以數(shù)據(jù)庫設(shè)計是本軟件的重要部分，數(shù)據(jù)庫設(shè)計需要綜合考慮整個軟件的需求，數(shù)據(jù)庫設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到軟件的成敗。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試平臺采用以PXI、GPIB總線為基礎(chǔ)的混合總線方式。系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)采集、信號轉(zhuǎn)換、狀態(tài)控制、標(biāo)準(zhǔn)信號激勵等采用PXI總線儀器，而電源、射頻、微波等儀器資源則采用GPIB總線接口設(shè)備。測試時，專用接口適配器一端接入系統(tǒng)，另一端接被測產(chǎn)品，完成從系統(tǒng)通用接口到產(chǎn)品專用接口的轉(zhuǎn)換。主要包括主控計算機、PXI總線儀器、GPIB總線儀器、適配器單元、電源單元、接口單元和擴展單元等組成。系統(tǒng)儀器設(shè)備以PXI插卡形式為主，儀器的顯示面板及操作則運用虛擬儀器技術(shù)統(tǒng)一由計算機顯示屏以軟面板的形式實現(xiàn)，這樣既避免了儀器設(shè)備在機箱、電源、面板等方面的重復(fù)配置，又大大降低了系統(tǒng)的體積和重量。系統(tǒng)基于PXI總線，能把GPIB和串口總線儀器平臺集成到PXI測試系統(tǒng)中[2]，使系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐量大、系統(tǒng)組建靈活、易擴展、資源復(fù)用性和標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點。GPIB總線控制儀器均為標(biāo)準(zhǔn)上架裝配，方便根據(jù)測試任務(wù)的不同拆卸組成適應(yīng)不同測試任務(wù)的測試系統(tǒng)。

平臺采用標(biāo)準(zhǔn)可移動的機柜架構(gòu)，控制總線采用PXI/GPIB混合總線，資源主要為PXI、GPIB和PCI總線儀器，選用VPC公司標(biāo)準(zhǔn)接口作為系統(tǒng)檢測標(biāo)準(zhǔn)接口，測試平臺結(jié)構(gòu)框圖參見圖4。

(1)通用測試平臺包括兩部分，一部分是嵌入式處理器，負責(zé)對計算機軟硬件資源和測試平臺模塊化儀器的軟硬件資源進行配置及管理;另一部分是測試平臺的模塊化儀器，包括程控電源模塊、通用開關(guān)模塊、多路通用開關(guān)模塊、矩陣開關(guān)模塊、波形發(fā)生器模塊、數(shù)字I/O模塊、多通道D/A轉(zhuǎn)換模塊、角度信號仿真器和角度位置指示模塊等。模塊化儀器都通過專用電纜接入ATE接口適配器。

(2)通用測試平臺的處理器通過GPIB總線接口控制電源，自動實現(xiàn)部品升降壓實現(xiàn)、激勵信號的線性變化和階躍變化。電源信號通過電纜接入PXI接口適配器。

(3)接口適配器包括兩部分，一部分是緊固安裝的機械夾具，包括信號模塊的墊塊和測試適配器的緊固件。其中模塊墊塊有多種型號，以“?！睘閱挝欢攘浚?模、10模、25模、50模等大小不同的規(guī)模，根據(jù)信號點的多少，選取不同大小的墊塊。根據(jù)被測對象的需求及充分考慮系統(tǒng)的擴展性，本系統(tǒng)選用18模的墊塊。測試適配器的緊固件一是保證測試適配器與本適配器信號的安全接觸，二是具有一定的負載能力，能承受測試適配器的重量，降低組建自動測試平臺的復(fù)雜程度。另一部分是不同的信號模塊連接器，主要分為電源模塊、信號模塊、微波信號模塊等，不同的模塊具有不同的大小，一般一個模塊占1個“?！钡目臻g，也有一個模塊占2個“?！钡目臻g。根據(jù)信號多少、信號種類選取不同的信號模塊，靈活配置，是結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想的體現(xiàn)，同時也符合經(jīng)濟原則要求。

(4)專用測試適配器是模塊化設(shè)計思想的重要體現(xiàn)，是通用接口平臺與被測部品的信號“紐帶”，起著連接、轉(zhuǎn)換、補充通用平臺信號與被測部品之間的重要作用。專用測試適配器一方面實現(xiàn)部品獨有激勵信號的產(chǎn)生、調(diào)理，是通用平臺資源的有效補充，另一方面實現(xiàn)被測部品輸出信號調(diào)理，使之適合于通用平臺的測試，從而有效減少通用平臺的資源浪費，降低平臺的成本。

4 研究應(yīng)用

研究無線電通用測試平臺結(jié)合了多型直升機的測試需要，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思路，選取計算機程序控制手段，應(yīng)用總線通訊、信號采集處理和無線電信號解析技術(shù)，構(gòu)建測試平臺的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)。依據(jù)測試需求分析和性價比的要求，選擇基于總線儀器、信號處理模塊與工控機組合的方案，提供詳細的檢測數(shù)據(jù)，幫助專業(yè)人員快速、準(zhǔn)確的判斷、排除故障，提高工作效率，有效的控制成本。同時，平臺具有體積小、操作簡便、連接可靠等特點，具備極強的延續(xù)開發(fā)能力，只需添加相應(yīng)的適配模塊，而不必對整個測試設(shè)備進行改動，即可建立相應(yīng)產(chǎn)品的試驗?zāi)芰?，可延續(xù)擴充其他項目的檢測，逐步豐富平臺的檢測能力，為多型號直升機生產(chǎn)和維護提供有利保障。通用測試平臺外觀圖參見圖5。

5 結(jié)語

以通用化、系列化、模塊化為基準(zhǔn)研制的無線電通用測試平臺，已經(jīng)在哈飛公司某型機無線電設(shè)備的定檢級和維修級性能測試與輔助故障診斷中投入使用，提高了公司機載無線電系統(tǒng)測試設(shè)備的自動化、通用化和自主維修保障能力，比以往分立式儀器有了質(zhì)的飛躍，為直升機生產(chǎn)和維護提供有利保障，實用性強，可靠性高，具有推廣價值。無線電系統(tǒng)通用測試平臺結(jié)合飛機生產(chǎn)檢測、維護需要和自身機載附件的修理經(jīng)驗，運用先進測控技術(shù)在通用測試設(shè)備開發(fā)方面做了一些有益的嘗試，逐步完善成為通用ATE(自動測試設(shè)備) /ATS(自動測試系統(tǒng))，希望在經(jīng)濟、實用、可靠的前提下開發(fā)提供技術(shù)上領(lǐng)先、經(jīng)濟上實惠的測試設(shè)備，用自己綿薄之力推動國內(nèi)航空測試技術(shù)的向前發(fā)展。

[1]熊華鋼.先進航空電子綜合技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社,2009(1)：14.

[2]秦紅磊.自動測試系統(tǒng)硬件及軟件技術(shù)[M].高等教育出版社,2007(10)：126.

宋武濤(1969—),男,本科,高級工程師,致力于航空電子產(chǎn)品測量及其技術(shù)研究。