某型無人機(jī)航空電子系統(tǒng)綜合測(cè)試儀設(shè)計(jì)

趙遠(yuǎn)鵬，林凡涌

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065）

無人機(jī)由于體積小、重量輕、隱蔽性好、且不必考慮飛行員的生理因素和零傷亡等特點(diǎn)，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的用途越來越廣泛[1～2]。在“無人機(jī)系統(tǒng)”概念的不斷深入和“六性”設(shè)計(jì)被廣泛要求的情況下，無人機(jī)地面測(cè)試設(shè)備不再是配套附屬地位，已成為衡量一套無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要組成部分[3～4]。

現(xiàn)有無人機(jī)系統(tǒng)地面測(cè)試通過檢測(cè)表和地面控制站觀測(cè)遙測(cè)數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)問題，手段簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度較低、效率不高，難以對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行全方位檢測(cè)，而且檢驗(yàn)需要較長(zhǎng)時(shí)間和豐富經(jīng)驗(yàn)。隨著無人機(jī)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，為豐富無人機(jī)系統(tǒng)地面檢測(cè)手段，提高無人機(jī)地面保障的效率，降低用戶對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)保障的門檻，提升無人機(jī)系統(tǒng)的戰(zhàn)斗力，研制一種自動(dòng)化程度較高的綜合測(cè)試儀變得尤為重要。

1 綜合測(cè)試儀組成

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)高度集成性，最大程度地提高系統(tǒng)的綜合功能，減少系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，同時(shí)考慮實(shí)際使用方便，要求系統(tǒng)能夠便于移動(dòng)[5]。

綜合測(cè)試儀通過PC104和PCI雙總線實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換，由CPU組件、A/D組件、D/A組件、RS-232組件、RS-422組件、信號(hào)測(cè)控組件、電源組件和人機(jī)交互組件組成，如圖1所示。

圖1 綜合測(cè)試儀組成Fig.1 Compose of integrated detecting instrument

2 信號(hào)測(cè)控組件設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)控組件硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要由以下幾部分構(gòu)成：MSP430F149核心控制模塊、RS-232 模塊、TCP/IP模塊、模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速模塊、模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫模塊、電源控制模塊以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫采集模塊等。

充分考慮系統(tǒng)成本、體積、功耗及處理速度，采用TI公司的MSP430F149作為控制核心。MSP430F149是一款為一般應(yīng)用提供低功耗、高性能微處理器解決方案的小尺寸芯片，低功耗、簡(jiǎn)單、精致和全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合對(duì)于成本和功耗敏感的應(yīng)用；其外設(shè)資源豐富、技術(shù)成熟、開發(fā)方便、處理速度快，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

MSP430F149微處理器接收CPU板卡發(fā)送的命令，進(jìn)行幀頭查找、數(shù)據(jù)解算，按照CPU板卡發(fā)送的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如按照一定的頻率模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過繼電器切換模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫的電阻值，利用I/O口控制綜合測(cè)試儀內(nèi)部電源是否給被測(cè)對(duì)象供電，實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫，并通過RS-232模塊將采集值發(fā)送給CPU板卡。

圖2 信號(hào)測(cè)控板卡原理Fig.2 Principle figure of the signal measurement and control module

2.1 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電路設(shè)計(jì)

通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電路將處理器輸出0 V～3.3 V方波轉(zhuǎn)換為-8 V～+8 V的方波，其關(guān)系如式（1）所示，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電路如圖3所示。

式中：Upx為處理器輸出的電壓值；Vref為參考電壓值；Uout為輸出的電壓值。

圖3 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電路Fig.3 Simulation circuit of engine speed

MSP430F149處理器端口輸出電壓Upx為0 V時(shí)，通過電壓轉(zhuǎn)換后輸出為-8 V，其關(guān)系為

MSP430F149處理器端口輸出電壓Upx為3.3 V時(shí)，通過電壓轉(zhuǎn)換后輸出為+8 V，其關(guān)系為

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值表以及式（2）和式（3），選定電阻R1阻值為200 k，電阻R2阻值為75 k，電阻R3阻值為100k，電阻R4阻值為3.3k，電阻R5阻值為16k。

2.2 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫電路設(shè)計(jì)

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫電路如圖4所示，該電路通過芯片74HC138擴(kuò)展了核心處理器MSP430F149控制通道數(shù)。當(dāng)置P2口輸出寄存器為0x20時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器K1吸合，輸出電阻阻值100 Ω，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫溫度為0℃；當(dāng)置P2口輸出寄存器為0x40時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器K2吸合，輸出電阻阻值150 Ω，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫溫度為131.5℃。模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫電路共模擬5路發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫，每路輸出阻值為80 Ω、100 Ω、130 Ω、150 Ω、200 Ω，分別模擬溫度為-50.5 ℃、0 ℃、77.5℃、131.5℃和265.5℃。

圖4 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫電路Fig.4 Simulation circuit of engine cylinder temperature

3 綜合測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)

綜合測(cè)試儀以Windows XP為操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件以Visual C++和SQLServer2000為軟件開發(fā)平臺(tái)[6]。綜合測(cè)試儀應(yīng)用軟件由6大模塊組成，如圖5所示，運(yùn)行于測(cè)試儀加電到斷電的整個(gè)運(yùn)行過程，測(cè)試流程如圖6所示。

圖5 綜合測(cè)試儀軟件組成Fig.5 Software compose of integrated detecting instrument

綜合測(cè)試儀啟動(dòng)后自動(dòng)調(diào)用設(shè)備自檢模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備A/D組件、D/A組件、RS-232組件、RS-422組件和信號(hào)測(cè)控組件的功能檢查，若自檢時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，就會(huì)顯示故障警示來提示操作人員，保證所有檢測(cè)結(jié)果都是在測(cè)試儀正常工作狀態(tài)下完成。

綜合測(cè)試儀通過自檢，調(diào)用測(cè)試對(duì)象選擇模塊，根據(jù)測(cè)試對(duì)象選擇相應(yīng)的檢測(cè)模塊。首先，測(cè)試模塊調(diào)用測(cè)試策略；然后根據(jù)測(cè)試策略控制D/A組件或信號(hào)測(cè)控組件輸出激勵(lì)信號(hào)，通過RS-232組件或RS-422組件輸出控制命令、接收反饋數(shù)據(jù)，利用A/D組件和信號(hào)測(cè)控組件采集反饋信號(hào)；最后根據(jù)采集和接收的數(shù)據(jù)與制定的測(cè)試策略相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較和計(jì)算，得出測(cè)試結(jié)果，并將測(cè)試結(jié)果顯示出來。

圖6 綜合測(cè)試儀軟件流程Fig.6 Flow chart of the software about integrated detecting instrument

4 結(jié)語

本文介紹的航空電子綜合測(cè)試儀已交付用戶使用，綜合測(cè)試儀能夠完成機(jī)載計(jì)算機(jī)、機(jī)載傳感器、伺服設(shè)備和ECU等設(shè)備的故障判定，檢測(cè)過程無需人工干預(yù)，具有較高的智能化水平；綜合測(cè)試儀體積小、重量輕、且滿足單人手提移動(dòng)要求，便于野外現(xiàn)場(chǎng)使用；硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中都預(yù)留了相關(guān)接口，能滿足一定階段內(nèi)系統(tǒng)升級(jí)要求。

[1]祝小平.無人機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[2]朱安石，路平，邱金剛，等.某型無人機(jī)飛控機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2010（12）：119-121.

[3] 薛艷峰.基于Windows+RTX的便攜式無人機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015，36（2）：91-94.

[4]叢書全，蔣志華，陳劍濤.基于計(jì)算機(jī)控制的無人機(jī)裝備自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2014，34（3）：65-68.

[5]魯希團(tuán)，田雪濤，呂慧.無人機(jī)地面站綜合檢測(cè)臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（4）：57-59.

[6]張小林，池久，周軍濤.某型無人機(jī)地面站綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（10）：2244-2246.