錢 偉,王海斌,楊 江
(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠,廣漢618300)
隨著航空技術(shù)的發(fā)展和需要,基于大規(guī)模集成電路、微處理機(jī)、總線傳輸接口技術(shù)及多路切換技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代飛機(jī)駕駛艙普遍用數(shù)字式顯示計(jì)算機(jī)替代以往機(jī)電式顯示儀表如地平儀、航道羅盤、電動(dòng)高度表、馬赫空速表等,并將飛行、導(dǎo)航等大量信息進(jìn)行綜合,形成電子飛行儀表系統(tǒng)(EFIS)。EFIS主要顯示內(nèi)容包括主飛行顯示參數(shù):如飛機(jī)姿態(tài)、高度信息、速度信息、A/P和A/T銜接狀態(tài)及工作方式、重要的警告信息;主要導(dǎo)航信息:包括各種導(dǎo)航參數(shù)與飛行計(jì)劃、系統(tǒng)故障信息等。這些數(shù)據(jù)信息主要通過(guò) RS232、RS485、Arinc429、以及以太總線接口技術(shù)與航電系統(tǒng)其它部件進(jìn)行交聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)。飛行駕駛員通過(guò)EFIS顯示信息實(shí)時(shí)地對(duì)飛機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程操控,因此EFIS系統(tǒng)失效對(duì)于飛行安全影響很大。
如何實(shí)現(xiàn)對(duì)EFIS系統(tǒng)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的性能測(cè)試及完成相應(yīng)的故障自動(dòng)診斷一直是航空維修領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),自從20世紀(jì)80年代以來(lái),文獻(xiàn)[1]開(kāi)始航空總線測(cè)試相關(guān)的研究。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,功能更先進(jìn)的總線測(cè)試裝備被相繼開(kāi)發(fā)[2-3],但是大多數(shù)測(cè)試平臺(tái)存在通用性差、可繼承性差的問(wèn)題[4],而西方國(guó)家應(yīng)用各類總線技術(shù)開(kāi)展的裝備測(cè)試技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、實(shí)用性強(qiáng)、擴(kuò)展能力好等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。對(duì)于航空維修單位通常需要面對(duì)多種型號(hào)EFIS設(shè)備,如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種適用于多種型號(hào)EFIS設(shè)備的測(cè)試平臺(tái)對(duì)于提高測(cè)試平臺(tái)的通用性與維修效率意義重大。
針對(duì)上述現(xiàn)狀,本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的機(jī)載EFIS系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)Ρ粶y(cè)設(shè)備性能進(jìn)行記錄及故障判斷,具有檢測(cè)自動(dòng)化程度高、通用性好、測(cè)試效率高、故障自動(dòng)辨識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。
自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要分為硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn),硬件平臺(tái)提供測(cè)試所需的物理資源接口,主要由計(jì)算機(jī),繼電器控制板,通訊板卡,UUT適配器接口、連接電纜,程控電源,外置通用儀器(提供EFIS信號(hào)、導(dǎo)航信號(hào)、音頻信號(hào)等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源以及電氣參數(shù)測(cè)量、信號(hào)完整性分析等功能的儀器設(shè)備)構(gòu)成。軟件平臺(tái)利用虛擬儀器軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)測(cè)試界面設(shè)計(jì)、總線協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、測(cè)試流程實(shí)現(xiàn)、測(cè)試結(jié)果分析,故障自動(dòng)診斷,資源配置(包括啟動(dòng)電源適配模塊,調(diào)用外部測(cè)試計(jì)量通用儀器、信道切換等)等功能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多型號(hào)EFIS系統(tǒng)的測(cè)試,設(shè)計(jì)了多種被測(cè)設(shè)備接口,為了方便測(cè)試結(jié)果的存儲(chǔ)、打印及后續(xù)測(cè)試擴(kuò)展,系統(tǒng)預(yù)留了VXI接口與USB接口。測(cè)試平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 測(cè)試平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of auto test platform
整個(gè)測(cè)試平臺(tái)以工控計(jì)算機(jī)為核心,采用研華工控機(jī)通過(guò)總線方式與各物理資源和被測(cè)設(shè)備進(jìn)行通訊連接,內(nèi)置了PCI總線、GPIB總線、IEEE1394總線、VXI總線及USB串行總線等接口。通過(guò)PCI接口連接航空專用Arinc429總線通訊板卡,RS232/RS485串行通訊板卡以及AD/DA數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡實(shí)現(xiàn)與被測(cè)試件的通訊以及相應(yīng)的信號(hào)控制、數(shù)據(jù)讀取與協(xié)議轉(zhuǎn)換,利用AD/DA數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡實(shí)現(xiàn)內(nèi)部虛擬信號(hào)源與虛擬示波器,以減少外部設(shè)備需求,節(jié)約測(cè)試成本。
GPIB(general purpose interface bus)總線是程控儀器與控制儀器常用標(biāo)準(zhǔn)接口,測(cè)試平臺(tái)通過(guò)GPIB總線調(diào)用所需的外部通用儀器資源,包括調(diào)用射頻信號(hào)源、多功能萬(wàn)用表、GPS模擬器、Arinc429數(shù)據(jù)發(fā)生器、波形發(fā)生器、示波器、通訊/導(dǎo)航綜合測(cè)試儀等。
通過(guò)VXI總線對(duì)相應(yīng)控制器模塊、數(shù)字I/O板卡、32×24路繼電器矩陣開(kāi)關(guān)板進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道資源、電源適配器的多路切換,以減少測(cè)控電纜的數(shù)量,還可對(duì)系統(tǒng)連接板上的各路電信號(hào)進(jìn)行自定義,滿足后續(xù)的擴(kuò)展需求。
測(cè)試平臺(tái)接口板與被測(cè)設(shè)備之間設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)通用航空常裝備的幾類EFIS設(shè)備的接口測(cè)試電纜,在測(cè)試過(guò)程中根據(jù)需要進(jìn)行選用。接口板共設(shè)計(jì)了420路插針接口,現(xiàn)有的需求占用了220路插針,預(yù)留200路插針為以后擴(kuò)展使用,該冗余設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不斷增加的其它類型EFIS設(shè)備的接口需求。
通過(guò)系統(tǒng)USB串行數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和打印,只需要安裝相應(yīng)驅(qū)動(dòng)即可使用。系統(tǒng)的測(cè)試硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 測(cè)試平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Test platform hardware structure diagram
LabVIEW是NI公司研制基于圖形化編輯語(yǔ)言Gui編寫而成的一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境,被廣泛應(yīng)用于測(cè)量及控制領(lǐng)域,并且集成了強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以被直接調(diào)用,還包括GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能,因此平臺(tái)選擇以NI LabVIEW 2011為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。
測(cè)試平臺(tái)所需完成的功能是能夠?qū)Χ嘈吞?hào)EFIS系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)性能測(cè)試以及根據(jù)被測(cè)設(shè)備的性能進(jìn)行故障自動(dòng)判別。程序設(shè)計(jì)按照模塊化設(shè)計(jì)思路在LabVIEW集成環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā),主要包括驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)及功能應(yīng)用模塊程序設(shè)計(jì),如圖3所示。
圖3 測(cè)試程序軟件構(gòu)架Fig.3 Structure of test software
驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)主要包括GPIB底層驅(qū)動(dòng),以及Arinc429,RS232/485 等通訊數(shù)據(jù)板卡驅(qū)動(dòng),便于在應(yīng)用模塊程序中進(jìn)行調(diào)用。在LabVIEW內(nèi)部集成了大量可供調(diào)用的底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù),通過(guò)對(duì)Windows環(huán)境下DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)調(diào)用。對(duì)于EFIS模塊中的復(fù)雜虛擬顯示模塊,如飛行水平狀態(tài)指示器EHSI,它需要實(shí)時(shí)顯示EFISVOR方位,LOC/GS等導(dǎo)航參數(shù)信息,需要在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行模塊開(kāi)發(fā),然后存儲(chǔ)到函數(shù)庫(kù)方便調(diào)用。數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄UUT的件號(hào)、序號(hào)信息,測(cè)試數(shù)據(jù),故障信息等,平臺(tái)開(kāi)發(fā)選用Access數(shù)據(jù)庫(kù)。在應(yīng)用模塊程序中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、性能測(cè)試模塊、故障診斷模塊、工作模式選擇模塊等。
系統(tǒng)自檢模塊用于驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)硬件的可靠性,通過(guò)自檢程序產(chǎn)生測(cè)試指令對(duì)硬件系統(tǒng)的輸出響應(yīng)進(jìn)行讀取,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試平臺(tái)硬件平臺(tái)的狀態(tài)檢測(cè)。
模式選擇可以選擇設(shè)備的工作狀態(tài),是進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試模式還是進(jìn)入人工半自動(dòng)測(cè)試模式,方便對(duì)測(cè)試程序進(jìn)行修正及對(duì)被測(cè)機(jī)件進(jìn)行故障診斷。
最核心的模塊為性能測(cè)試模塊、故障診斷模塊及數(shù)據(jù)管理模塊,每個(gè)核心模塊下都可以選擇所需要測(cè)試的UUT類型子模塊,每個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)的測(cè)試程序及參考合格參數(shù)都嚴(yán)格對(duì)應(yīng)維修大綱所要求的性能。
性能測(cè)試模塊通過(guò)調(diào)用GPIB儀器提供測(cè)試信號(hào)源及對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)量測(cè)試,通過(guò)數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)UUT的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)維修工作單所有的性能測(cè)試,并調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的參考性能參數(shù)對(duì)每一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì),以判斷性能是否合格。
測(cè)試軟件嵌入了基于知識(shí)的故障專家系統(tǒng)模塊,對(duì)被測(cè)故障UUT進(jìn)行故障診斷。該故障診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)以維修中心現(xiàn)有的大量EFIS設(shè)備維修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行故障診斷,并設(shè)計(jì)有知識(shí)獲取模塊,隨著不斷增加案例,其故障診斷率將會(huì)逐漸提高。為了提高故障診斷率,在推理機(jī)中并行設(shè)計(jì)了貝葉斯概率統(tǒng)計(jì)的診斷算法,在實(shí)際應(yīng)用中能夠具有70%的故障診斷正確率。
測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、打印、數(shù)據(jù)分析、測(cè)試報(bào)告生成等。
(1)GPIB 儀器驅(qū)動(dòng)程序
LabVIEW集成了大部分知名測(cè)試儀器品牌如安捷倫、羅德施瓦茲、HP等廠家的測(cè)試計(jì)量?jī)x器的GPIB驅(qū)動(dòng)程序,以子VI的形式儲(chǔ)存于函數(shù)庫(kù)。在編寫程序時(shí)對(duì)各調(diào)用子VI進(jìn)行配置即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器的程控。以測(cè)試中需要用到的羅德施瓦茲R&S 57綜合通訊測(cè)試儀的GPIB調(diào)用為例,其GPIB接口函數(shù)位于主菜單Functions目錄下Instrument I/O文件路徑中,分別調(diào)用GPIB Write和GPIB Read 2個(gè)子VI,完成對(duì)儀器GPIB接口的初始化。通過(guò)調(diào)用的子VI的前面板輸入窗口可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行讀寫配置,如設(shè)置所需要的信號(hào)源頻率、電平、選擇測(cè)試信噪比、失真度等,當(dāng)變換參數(shù)進(jìn)行配置時(shí),只需將所有參數(shù)按照測(cè)試流程加入循環(huán)延時(shí)函數(shù)寫入子VI即可滿足自動(dòng)測(cè)試需要。
(2)性能檢測(cè)程序
性能檢測(cè)程序是通過(guò)改變輸入?yún)?shù)及切換UUT工作狀態(tài)進(jìn)行性能參數(shù)采集的過(guò)程。EFIS系統(tǒng)性能檢測(cè)主要分為控制功能測(cè)試與顯示測(cè)試,控制功能需要測(cè)試控制面板按鍵、旋鈕的切換功能、不同顯示方式以及參數(shù)設(shè)定功能是否正常。顯示測(cè)試主要用于測(cè)試各數(shù)據(jù)通道通訊是否正常,包括測(cè)試各種總線數(shù)據(jù)傳輸性能,顯示參數(shù)譯碼是否正確等。典型的EFIS系統(tǒng)性能檢測(cè)流程如圖4所示,每項(xiàng)測(cè)試相對(duì)獨(dú)立,測(cè)試時(shí)長(zhǎng)用延時(shí)函數(shù)控制,完成所有測(cè)試所需時(shí)間約10 min。測(cè)試過(guò)程中每測(cè)試一項(xiàng)后將獲取的性能參數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),對(duì)用Pass、Fail對(duì)每一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果都進(jìn)行標(biāo)識(shí),從而判定UUT的狀態(tài)。
圖4 典型EFIS性能測(cè)試流程Fig.4 Typical EFIS system test flow chart
性能檢測(cè)需要對(duì)EFIS系統(tǒng)的各路輸出信號(hào)進(jìn)行讀取、分析、譯碼,EFIS系統(tǒng)通訊協(xié)議信號(hào)主要包括 RS232、RS485、Arinc429、以太等格式數(shù)據(jù)。 其中Arinc429總線協(xié)議主要用于設(shè)置工作參數(shù)、相關(guān)軟硬件配置及傳輸某些飛行參數(shù)。在LabVIEW提供的函數(shù)庫(kù)中沒(méi)有集成Arinc429協(xié)議數(shù)據(jù)的相關(guān)函數(shù),為了方便LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫,在計(jì)算機(jī)與被測(cè)設(shè)備之間利用Arinc429-PCI協(xié)議板卡對(duì)EFIS設(shè)備的Arinc429總線數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,計(jì)算機(jī)可以在LabVIEW內(nèi)部函數(shù)庫(kù)中直接調(diào)用PCI相關(guān)的功能模塊即可完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。RS232、RS485總線協(xié)議主要用于導(dǎo)航參數(shù)指示,飛機(jī)姿態(tài)與高度、速度信息;以太數(shù)據(jù)作為冗余備份通道用以增加飛行數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。相關(guān)總線函數(shù)模塊可直接在LabVIEW函數(shù)庫(kù)中調(diào)用。
測(cè)試軟件流程如圖5所示,啟動(dòng)系統(tǒng)后,首先運(yùn)行系統(tǒng)自檢程序,檢測(cè)相關(guān)的硬件系統(tǒng)工作狀態(tài)是否良好,如果自檢通過(guò)系統(tǒng)將進(jìn)入工作方式選擇頁(yè)面,包括數(shù)據(jù)管理、性能測(cè)試、故障診斷、工作模式選擇。實(shí)際的測(cè)試工作首先需要判斷相關(guān)的功能按鍵是否正常,此時(shí)需要選擇工作模式為人工測(cè)試模式,人工測(cè)試通過(guò)后再進(jìn)入性能測(cè)試的自動(dòng)測(cè)試頁(yè)面。進(jìn)入自動(dòng)性能測(cè)試頁(yè)面,選擇相應(yīng)的被測(cè)型號(hào)后系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)對(duì)資源進(jìn)行配置,點(diǎn)擊啟動(dòng)性能測(cè)試即可完成如圖4的所有測(cè)試流程。測(cè)試過(guò)程中,計(jì)算機(jī)會(huì)將測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),利用Pass和Fail對(duì)測(cè)試項(xiàng)性能進(jìn)行標(biāo)識(shí),測(cè)試完成后關(guān)閉資源并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
若被測(cè)設(shè)備性能測(cè)試未通過(guò),則需要進(jìn)行故障診斷。計(jì)算機(jī)人工智能的發(fā)展使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊理論、傳感器信息融合技術(shù)、粗糙集理論、小波包分析等人工智能技術(shù)開(kāi)始被工程師應(yīng)用于電子電路智能故障診斷中[9-11],本測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于知識(shí)的專家故障診斷系統(tǒng),主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)獲取、人機(jī)交互界面、解釋器等幾個(gè)部分組成。故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)有大量故障樣本作為專家知識(shí)庫(kù),被測(cè)設(shè)備存在故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)從測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用其故障性能數(shù)據(jù)與故障信息,然后檢索知識(shí)庫(kù)預(yù)報(bào)相應(yīng)的故障原因。為了改善推理機(jī)無(wú)法檢索到匹配故障樣本信息的情況,在故障推理機(jī)中并行設(shè)計(jì)了基于先驗(yàn)概率的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷程序,各模塊的故障概率由維修歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)賦值。故障診斷流程如圖6所示。
圖5 測(cè)試軟件運(yùn)行流程Fig.5 Test software running flow chart
圖6 故障診斷流程Fig.6 Fault diagnosis flow chart
在實(shí)際維修過(guò)程中該測(cè)試平臺(tái)極大提高了EFIS系統(tǒng)的測(cè)試、排故效率,加快了維修周期,提高航材周轉(zhuǎn)率,產(chǎn)生工程價(jià)值的同時(shí)也帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí),該測(cè)試平臺(tái)采用總線協(xié)議方式,對(duì)開(kāi)發(fā)其它類別機(jī)載電子設(shè)備如機(jī)載測(cè)距機(jī)、收發(fā)機(jī)、應(yīng)答機(jī)、自動(dòng)駕駛儀等部件提供了一個(gè)基本框架平臺(tái),可以通過(guò)擴(kuò)展軟硬件應(yīng)用到更多航電測(cè)試維修領(lǐng)域,解決了現(xiàn)有的航電測(cè)試儀器擴(kuò)展性能差的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)踐證明,在測(cè)試平臺(tái)中嵌入故障專家系統(tǒng),通過(guò)錄入長(zhǎng)期的維修經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠?yàn)榫S修人員提供可靠的故障定位,顯著提高排故效率。綜上所述,該測(cè)控平臺(tái)具有自動(dòng)化測(cè)試程度高,故障識(shí)別率好,可擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
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