繼電器盒自動(dòng)測(cè)試設(shè)備研究

王益，王彥蕾，高光波，曹龍，巴瑞章

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所，北京 100024)

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繼電器盒自動(dòng)測(cè)試設(shè)備研究

王益，王彥蕾，高光波，曹龍，巴瑞章

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所，北京 100024)

摘要：由于某型直升機(jī)繼電器盒內(nèi)繼電器較多，且大多數(shù)繼電器都不是獨(dú)立供電，采用人工接線通電檢測(cè)的方式給該型裝備的檢測(cè)和試驗(yàn)工作帶來諸多不便，為此，綜合集成多項(xiàng)成熟先進(jìn)的測(cè)試軟硬件技術(shù)，設(shè)計(jì)出該型直升機(jī)繼電器盒的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繼電器盒各邏輯功能部件的邏輯功能準(zhǔn)確無誤的測(cè)試及故障定位。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；繼電器盒；自動(dòng)測(cè)試

0引言

FD型發(fā)動(dòng)機(jī)控制繼電器盒和XT型系統(tǒng)電氣控制繼電器盒隸屬于某型直升機(jī)配電系統(tǒng)。前者用于完成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及控制功能，后者用于機(jī)電控制切換，完成各系統(tǒng)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。

在上述兩型產(chǎn)品試驗(yàn)、驗(yàn)收等工作中，需對(duì)其通斷邏輯功能進(jìn)行測(cè)試。人工測(cè)試時(shí)，一般采用手動(dòng)接線方式對(duì)各器件供電，再用萬用表依次測(cè)試各觸點(diǎn)通斷狀況，整個(gè)測(cè)試過程涉及近200對(duì)線路搭接，耗時(shí)數(shù)小時(shí)。當(dāng)產(chǎn)品在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需提前將各器件的供電線路和測(cè)試線路接出試驗(yàn)箱外部，操作起來十分不便。特別是在產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)前后5分鐘振動(dòng)環(huán)節(jié)，采用上述測(cè)試方法無法實(shí)現(xiàn)。

此外，產(chǎn)品內(nèi)部部分器件存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，測(cè)試時(shí)需多個(gè)器件同時(shí)通電，這樣很容易操作失誤，進(jìn)而導(dǎo)致器件損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失。

顯然，手動(dòng)測(cè)試既浪費(fèi)時(shí)間，又操作不便，研制自動(dòng)測(cè)試設(shè)備非常必要。為此，本文采用當(dāng)前較先進(jìn)的電子器件搭建硬件平臺(tái)，利用VB語言編寫控制軟件，通過先進(jìn)電子技術(shù)將硬軟件有效結(jié)合，設(shè)計(jì)出兩型產(chǎn)品自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。該設(shè)備可對(duì)兩型產(chǎn)品進(jìn)行功能檢測(cè)和故障診斷，提高了產(chǎn)品驗(yàn)收、試驗(yàn)和維修等環(huán)節(jié)相關(guān)測(cè)試工作的效率和安全性。

1測(cè)試對(duì)象分析

FD型發(fā)動(dòng)機(jī)控制繼電器盒由17支電磁繼電器、2支開關(guān)、2支指示燈和9支相關(guān)續(xù)流隔離二極管等組成。XT型系統(tǒng)電氣控制繼電器盒由18支電磁繼電器、17支續(xù)流隔離二極管和3支穩(wěn)壓二極管組成。對(duì)上述兩型產(chǎn)品進(jìn)行邏輯功能測(cè)試主要涉及繼電器相關(guān)邏輯測(cè)試。

雖然兩型產(chǎn)品內(nèi)部繼電器邏輯狀態(tài)、連線關(guān)系各不相同，但歸納起來共有以下三種基本連線類型，即電路切換控制、控制電路接地、控制電路接電源正，分別如圖1～3所示[1]。

圖1是繼電器盒中最常用的連線方式。J1不通電，公共端與電路1相連；J1通電，公共端與電路1斷開而與電路2相連，實(shí)現(xiàn)電路切換功能。

圖1　電路切換控制

在圖2中，J1不通電時(shí)，公共端與電路1相連；J1通電時(shí)，公共端與電路1斷開并接地。

圖2　電路接地控制

在圖3中，J1不通電時(shí)，公共端與電路1相連；當(dāng)J1通電時(shí)，公共端與電路1斷開并接電源正。

其他連線形式均以此三類電路為基本原形演變或組合而來。實(shí)際測(cè)試時(shí)，只需解決好此三類電路繼電器供電電路和觸點(diǎn)通斷測(cè)試電路的匹配關(guān)系即可。

2自動(dòng)測(cè)試設(shè)備總體方案

依據(jù)以上分析，兩型產(chǎn)品邏輯功能測(cè)試過程主要涉及被測(cè)器件供電、觸點(diǎn)通斷測(cè)試等工作。

本測(cè)試設(shè)備采用人機(jī)界面友好的便攜式計(jì)算機(jī)，按預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)發(fā)送相應(yīng)指令，控制測(cè)試終端為相應(yīng)器件通斷電，同時(shí)接收測(cè)試終端的測(cè)試結(jié)果，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示、記錄和故障診斷。測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4　繼電器盒自動(dòng)測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)組成圖

其中，測(cè)試終端是本測(cè)試設(shè)備的核心部件。其主控芯片接收上位機(jī)指令后，將其I/O口電平置為“1”或“0”來控制相關(guān)器件供電線路通斷，并通過其I/O接口監(jiān)測(cè)邏輯功能測(cè)試結(jié)果。

本文選用單片機(jī)(MCU)作為主控芯片。由于MCU通用I/O口數(shù)量較少，為滿足兩型產(chǎn)品共58組供電和136組測(cè)試線路需求，本設(shè)計(jì)采用FPGA來擴(kuò)展MCU的I/O口完成測(cè)試工作。測(cè)試終端功能模塊組成如圖5所示。

圖5　測(cè)試終端功能模塊組成圖

其中，電源模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為28，5，14，3.3 V等直流電為供電功能模塊、測(cè)試功能模塊、MCU和FPGA等供電。

本設(shè)備具備單點(diǎn)、多點(diǎn)及自動(dòng)測(cè)試等測(cè)試策略，以適應(yīng)多場(chǎng)景應(yīng)用。測(cè)試流程如圖6所示。

圖6　測(cè)試儀測(cè)試工作流程圖

3測(cè)試終端硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試終端采用通用化和模塊化設(shè)計(jì)，能同時(shí)滿足前述三類繼電器測(cè)試時(shí)的供電和測(cè)試需求。其主要完成通信、供電、測(cè)試三大功能。

3.1　供電功能實(shí)現(xiàn)

本測(cè)試終端供電功能模塊通過FPGA的I/O口電平高低，控制光耦驅(qū)動(dòng)MOSFET通斷電源。

實(shí)際測(cè)試中，有些器件的供電端點(diǎn)的某一端共線，還有些器件供電端點(diǎn)是其他器件測(cè)試端點(diǎn)，為避免相互影響，本供電電路輸出兩端分別用一個(gè)N溝道和P溝道COMSFET同時(shí)控制供電電路通斷。如圖7所示，F(xiàn)PGA通用I/O口通過圖7中的IO1連接至光耦控制Q1Q2通斷。當(dāng)I/O口電平為“1”時(shí)，Q1Q2導(dǎo)通，連接在J1上的被測(cè)器件電源接通。反之，器件電源斷開。

采用這種方案，可使連入電路器件不通電時(shí)供電引線與電源和地之間的連接徹底切斷，使得供電端點(diǎn)某一端共路的多個(gè)器件單獨(dú)測(cè)試時(shí)不會(huì)相互影響，同時(shí)也避免供電端點(diǎn)作為測(cè)試端點(diǎn)時(shí)發(fā)生短路危險(xiǎn)。本測(cè)試設(shè)備58組供電線路均采用此電路實(shí)現(xiàn)。

圖7　測(cè)試器件供電電路原理圖

3.2　測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)

兩型繼電器盒邏輯功能測(cè)試主要涉及繼電器觸點(diǎn)通斷測(cè)試。本設(shè)計(jì)將光耦與被測(cè)端點(diǎn)組串聯(lián)，采用小電流測(cè)試被測(cè)端點(diǎn)組通斷狀態(tài)，避免了測(cè)試過程對(duì)產(chǎn)品壽命和性能的影響。圖8即為一組測(cè)試電路。

圖8　測(cè)試器件測(cè)試電路原理圖

從圖8中可以看出，當(dāng)J1的1和2接通，且3和4接通，光耦將工作，IO1將為低電平，即邏輯“0”。當(dāng)J1的1和2及3和4有一組不導(dǎo)通時(shí)，光耦不工作，IO1將為高電平，即邏輯“1”。只需將待測(cè)觸點(diǎn)對(duì)與J1的1和2或3和4接通，即可對(duì)待測(cè)觸點(diǎn)的通斷進(jìn)行檢測(cè)。

由于測(cè)試點(diǎn)是繼電器一對(duì)無阻觸點(diǎn)，故兩端點(diǎn)間只存在一端接電源正一端浮空、一端接地一端浮空、兩端均浮空三種情況。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)一端已連接電源正時(shí)，直接將該端點(diǎn)接至J1-3，另一端接至J1-2，同時(shí)將J1-2與J1-1短接，J1-4浮空；當(dāng)被測(cè)端點(diǎn)一端已連接地時(shí)，直接將該端點(diǎn)接至J1-2，另一端接至J1-3，同時(shí)將J1-3與J1-4短接，J1-1浮空；當(dāng)被測(cè)點(diǎn)兩端均浮空時(shí)，直接將被測(cè)兩端點(diǎn)分別接至J1-2和J1-3，同時(shí)將J1-3與J1-4短接，J1-1至J1-2短接。

3.3　通信功能實(shí)現(xiàn)

在本測(cè)試設(shè)備中，選用的是Microchip公司的PIC18F4550型單片機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。該MCU內(nèi)置符合USB 2.0規(guī)范的通用串行總線通信模塊，支持控制、中斷、同步和批量數(shù)據(jù)傳輸[2]。此外，該MCU還有一個(gè)增強(qiáng)型可尋址USART串行通信模塊，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RS-232通信并支持LIN總線協(xié)議。因此，本測(cè)試終端與上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)USB和RS-232兩種通信方式。

本設(shè)計(jì)采用FPGA擴(kuò)展I/O口，MCU和FPGA采用并行通信協(xié)議進(jìn)行通信。

4測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試設(shè)備共涉及兩類軟件，即上位機(jī)軟件和測(cè)試終端軟件。

4.1　上位機(jī)軟件

上位機(jī)測(cè)試軟件是整個(gè)測(cè)試過程的組織者，它負(fù)責(zé)發(fā)送測(cè)試指令和接收、顯示并記錄測(cè)試結(jié)果。根據(jù)前述總體方案，該軟件應(yīng)具備測(cè)試策略管理、通信、測(cè)試過程組織等功能。

Visual Basic是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，其可視化編程環(huán)境為開發(fā)人員提供了極大方便。利用ActiveX控件和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫，可十分方便地實(shí)現(xiàn)串口、以太網(wǎng)和USB等通信協(xié)議，其ADO控件還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、查詢等功能[3]。此外，還可調(diào)用Windows標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)擴(kuò)展功能[4]。本測(cè)試設(shè)備上位機(jī)軟件采用VB編寫，其界面如圖9所示。

圖9　繼電器盒測(cè)試設(shè)備測(cè)試界面

4.2　測(cè)試終端軟件

測(cè)試終端軟件主要涉及MCU上運(yùn)行的程序和FPGA中運(yùn)行的邏輯代碼。

MCU主要完成與上位機(jī)和FPGA之間通信，即實(shí)現(xiàn)串口、USB、并口通信功能。程序代碼通過Microchip公司的MPLAB IDE開發(fā)平臺(tái)采用C語言編寫完成。

FPGA的邏輯代碼主要完成與MCU間的通信和I/O口邏輯狀態(tài)的變換、監(jiān)測(cè)功能，并對(duì)邏輯關(guān)系進(jìn)行比較。本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司Spartan3系列XC3S400型FPGA，其代碼利用Xilinx ISE Design Suite開發(fā)套件使用VHDL語言編寫完成。

5實(shí)測(cè)符合性分析

本設(shè)備可對(duì)單一器件進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試，也可對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，還可對(duì)全機(jī)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。后兩種測(cè)試功能實(shí)際是以第一種測(cè)試功能為基礎(chǔ)，按照一定的順序進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)。下面以FD型發(fā)動(dòng)機(jī)控制繼電器盒內(nèi)37W“Ng差延時(shí)告警”繼電器和38W“聯(lián)響切除”繼電器的組合測(cè)試為例，對(duì)自動(dòng)測(cè)試儀的測(cè)試原理符合性和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1　符合性分析

FD型發(fā)動(dòng)機(jī)控制繼電器盒內(nèi)37W“Ng差延時(shí)告警”繼電器和38W“聯(lián)響切除”繼電器的連線關(guān)系如圖10所示。兩器件的連線關(guān)系可以分解為圖1所示的電路切換電路(有一路電路懸空)。

圖10　FD發(fā)動(dòng)機(jī)控制繼電器盒37 W和38 W原理圖

從圖10中可以看出，37 W繼電器和38 W繼電器的供電正端與b-AA(FD繼電器盒插座b的AA插針，下同)相連，其供電負(fù)端分別與b-t和b-v相連，采用兩組如圖7所示的供電電路就能實(shí)現(xiàn)37 W和38 W的單獨(dú)供電，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)器件通斷電操作時(shí)，不會(huì)影響另一器件。

37 W一組觸點(diǎn)的公共端點(diǎn)與b-u連接，其常開閉點(diǎn)和38 W一組觸點(diǎn)公共端點(diǎn)一起與b-NN相連，38 W的常閉觸點(diǎn)與b-w相連。此三端點(diǎn)均未與繼電器的電源正或電源負(fù)相連，屬于本文第3.2節(jié)中所列的第三類情況，依據(jù)上文分析，測(cè)試電路可對(duì)37 W和38 W的兩組觸點(diǎn)的通斷情況進(jìn)行檢測(cè)。

5.2　實(shí)測(cè)結(jié)果分析

將37 W繼電器電源端的通斷電狀態(tài)標(biāo)記為A，38 W繼電器電源端通斷電狀態(tài)標(biāo)記為B，37 W一對(duì)常開觸點(diǎn)3-5的通斷狀態(tài)標(biāo)記為C，38 W的常閉觸點(diǎn)A2-A3的通斷狀態(tài)標(biāo)記為D，用“0”代表斷路，用“1”代表通路?？梢钥闯?7 W和38 W工作正常時(shí)，其組合狀態(tài)下存在表1所示的邏輯關(guān)系。

表1　37 W和38 W正常通斷邏輯

使用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備對(duì)37 W和38 W的四種組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試軟件顯示的測(cè)試結(jié)果分別如圖11中(a)，(b)，(c)，(d)所示。圖11中下框的數(shù)值表示繼電器通電狀態(tài)，“0”表示斷電，“1”表示通電。上框中的數(shù)值表示測(cè)試點(diǎn)的通斷狀態(tài)，“0”表示斷路，“1”表示導(dǎo)通，框底色表示測(cè)試結(jié)果，綠色(圖中顯示為淺灰色)表示“正?！?，紅色(圖中顯示為深灰色)表示“故障”。

圖11　繼電器正常工作時(shí)測(cè)試設(shè)備實(shí)測(cè)結(jié)果

從圖11中可以看出，37 W和38 W正常工作時(shí)，使用測(cè)試設(shè)備測(cè)試的結(jié)果與表1所示的通斷邏輯一致，觸點(diǎn)狀態(tài)框底色也均為綠色(淺灰色)，表明37 W和38 W邏輯功能正常。為驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備的故障診斷能力，將b-NN與37 W的常開觸點(diǎn)“5”斷開，此時(shí)，37 W和38 W組合狀態(tài)下存在表2所示的邏輯關(guān)系。

再次使用自動(dòng)測(cè)試儀對(duì)37 W和38 W的四種組合狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試軟件顯示的測(cè)試結(jié)果分別如圖

12中(a)，(b)，(c)，(d)所示。從圖12中可以看出，37 W的常閉觸點(diǎn)“5”在37 W通電時(shí)“無法閉合”。測(cè)試結(jié)果與表2所示通斷邏輯一致，37 W觸點(diǎn)狀態(tài)底色在器件通電時(shí)為紅色(深灰色)，表明37 W邏輯功能不正常，測(cè)試設(shè)備對(duì)37 W的故障部位進(jìn)行了定位。

表2　37 W和38 W故障通斷邏輯

圖12　繼電器故障時(shí)測(cè)試設(shè)備實(shí)測(cè)結(jié)果

6結(jié)論

1)本文中，繼電器盒內(nèi)復(fù)雜的繼電器線路被巧妙地分解為三類基本連線方式，并采用同一供電電路和測(cè)試電路同時(shí)滿足三類連線方式的邏輯測(cè)試。

2)供電電路中，分別通過N溝道和P溝道的兩個(gè)COMSFET同時(shí)控制供電電源和地的通斷，避免供電端點(diǎn)作為測(cè)試端點(diǎn)時(shí)發(fā)生短路危險(xiǎn)。

3)利用現(xiàn)代信息技術(shù)將先進(jìn)的軟硬件技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩型繼電器盒邏輯功能全面、準(zhǔn)確的測(cè)試及故障定位；自動(dòng)測(cè)試耗時(shí)不到2 min，大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)測(cè)試時(shí)間，提高了生產(chǎn)和試驗(yàn)過程中的測(cè)試效率。

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Research on Auto-test Equipment of Relay Boxes

WANG Yi，WANG Yanlei，GAO Guangbo，CAO Long，BA Ruizhang

(AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China)

Abstract：A certain helicopter’s relay boxes contain a large number of relays and most of the relays don’t use independent power supply.As a consequence，it is inconvenient to do tests and experiments manually.To overcome this，a new automatic test device is designed，which integrates multiple mature and advanced techniques，including software techniques and hardware techniques.Using this new test device，logical functions of each unit of the relay boxes can be accurately tested and faults can be precisely located.

Key words：helicopter；relay box；auto-test

作者簡(jiǎn)介：王益(1981-)，男，湖北洪湖人，高級(jí)工程師，主要從事光電系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)以及機(jī)載電子設(shè)備開發(fā)和相關(guān)測(cè)試技術(shù)等方面的研究。

收稿日期：2015-08-25

中圖分類號(hào)：TB97；TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5795(2015)05-0044-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.10