某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備原位測試儀設(shè)計(jì)

蔣國峰,周　剛,宋　一

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安　710072； 2.95965部隊(duì)，河北 故城　253800；3.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽廣電設(shè)備研究所，河南 洛陽　471000)

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某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備原位測試儀設(shè)計(jì)

蔣國峰1,周剛2,宋一3

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安710072； 2.95965部隊(duì)，河北 故城253800；3.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽廣電設(shè)備研究所，河南 洛陽471000)

摘要：針對某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備在外場的測試需求，設(shè)計(jì)了以PC-104為顯示、控制和數(shù)據(jù)處理核心，并擴(kuò)展程控?cái)?shù)字表、多通道矩陣板，構(gòu)建了原位測試儀的硬件電路；根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和硬件電路特性，利用LabWindows/CVI虛擬儀器平臺編制了人機(jī)接口界面和測試程序，控制硬件電路對某慣導(dǎo)設(shè)備的靜態(tài)電阻和在線電壓進(jìn)行測試，并接收、分析、處理慣導(dǎo)原位工作時(shí)輸出的實(shí)時(shí)串行數(shù)據(jù)，完成對慣導(dǎo)設(shè)備的靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備原位測試過程的自動(dòng)化和測試結(jié)果管理的智能化，提高了測試效率和精度；通過改變或控制測試儀器的類別，可實(shí)現(xiàn)對多路信號多種性能指標(biāo)的測試；應(yīng)用結(jié)果表明，該測試儀具有性能穩(wěn)定、操作簡便、應(yīng)用領(lǐng)域廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)測試; 動(dòng)態(tài)監(jiān)測; 原位測試; 虛擬儀器

0引言

慣導(dǎo)設(shè)備是飛機(jī)上重要的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，為保證其工作性能，當(dāng)更換設(shè)備后或進(jìn)行換季檢查時(shí)，需要檢測其測試接口的某些管腳在離線狀態(tài)下的23路靜態(tài)電阻，在線檢測其測試接口輸出的典型電壓信號，在線狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測測試接口輸出的串行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對慣導(dǎo)設(shè)備的靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，完成對慣性導(dǎo)航設(shè)備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測試[1]。目前，測試人員對靜態(tài)電阻的測試需要兩人配合逐對找準(zhǔn)測試接口電纜插座的46個(gè)管腳，利用萬用表進(jìn)行手動(dòng)檢測并手動(dòng)記錄測試結(jié)果，工作效率非常低下。因而，根據(jù)某慣導(dǎo)設(shè)備測試接口測試需求和管腳信號定義，以PC-104為核心，通過擴(kuò)展程控?cái)?shù)字表、多通道矩陣開關(guān)、數(shù)字IO模塊，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)?3路靜態(tài)電阻和6路在線電壓進(jìn)行自動(dòng)測試并能實(shí)時(shí)監(jiān)測慣導(dǎo)輸出串行數(shù)據(jù)的設(shè)備，可大大降低對操作人員技能要求，減輕人員工作負(fù)擔(dān)，使維護(hù)保障效率和保障能力得以大幅度提高。

1硬件設(shè)計(jì)

1.1硬件組成框圖及原理

根據(jù)系統(tǒng)的功能性能需求，并考慮到設(shè)備在外場使用要求的便攜性、低功耗等特點(diǎn)，選用PC-104為系統(tǒng)的顯示和控制核心，人機(jī)接口控制信號輸入采用觸摸屏和實(shí)體開關(guān)相結(jié)合的方式[2-3]。根據(jù)某設(shè)備接口需要測試的電阻值包括2～5 Ω、12～25 Ω、144～200 Ω、600～200 000 Ω及動(dòng)態(tài)電壓的測試需求，測試儀器部分選用帶有程控接口的數(shù)字表，多通道切換采用矩陣板進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，PC-104通過擴(kuò)展數(shù)字IO接口實(shí)現(xiàn)對矩陣板多路信號通道的切換控制。其硬件組成原理如圖1所示。

圖1　電路硬件組成框圖

待測信號和電纜識別信號輸入矩陣開關(guān)，PC-104根據(jù)人機(jī)接口輸入的控制信號，通過USB接口選擇待測信號輸入到程控?cái)?shù)字表進(jìn)行測試，并讀取測試結(jié)果。電纜識別信號用于測試電纜連接的正確性和測試系統(tǒng)的自檢，其原理就是將電纜的某兩個(gè)管腳接入固定阻值的電阻，通過測試該兩個(gè)管腳的電阻值進(jìn)行判斷電纜連接的正確性和系統(tǒng)的初步自檢情況。PC-104通過RS-232接口和被測設(shè)備進(jìn)行通信，接收被測設(shè)備輸出的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、解讀后向操作者輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。電源電路主要用于將27V直流或者220V交流轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)工作所需的電壓，并完成電能的存儲，以保證系統(tǒng)在沒有外接電源時(shí)3小時(shí)的持續(xù)工作時(shí)間。

1.2數(shù)字IO

數(shù)字IO是PC-104控制矩陣開關(guān)的橋梁，選用宏拓公司研制的采用光電隔離技術(shù)的32路開關(guān)量輸出板HT-7507，它符合PC-104總線標(biāo)準(zhǔn)，適合于全系列工控機(jī)及兼容機(jī)或品牌機(jī)，它可以提供電平輸出，也可以提供功率輸出，其每一路輸出最大功率24 V/200 mA(或12 V/200 mA)，即可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥。各路輸出信號均具有鎖存功能，CPU通過OUT指令即可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號輸出，非常便于對由繼電器組成的多路矩陣板的控制。

1.3矩陣開關(guān)

矩陣開關(guān)采用32個(gè)雙刀雙擲繼電器組成的2×32路矩陣，由于HT-7507數(shù)字IO能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因而矩陣開關(guān)電路只需將32個(gè)繼電器的公共觸點(diǎn)接在一起，即可實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的控制下對32對待測輸入信號的路由功能，將繼電器的公共觸點(diǎn)端接入程控?cái)?shù)字表，完成對32對信號的分時(shí)接入測試功能。

1.4程控?cái)?shù)字表

程控?cái)?shù)字表是測試儀的關(guān)鍵，它的測試速度和精度直接決定了測試過程和測試結(jié)果。根據(jù)某慣導(dǎo)設(shè)備測試電阻要求精度高、測試量程范圍寬的特點(diǎn)，程控?cái)?shù)字表選用安捷倫公司生產(chǎn)的U1272A工業(yè)化手持式數(shù)字表，可通過USB程控接口與電腦相連，電阻測試具有30~300 MΩ的量程，測試精度可達(dá)到測試讀數(shù)的0.2%，測試速率較快，較好的滿足了高效、高精度且可以程控的測試需求。實(shí)際使用時(shí)，將該數(shù)字表嵌入測試儀面板，計(jì)算機(jī)既可以程控讀取測試數(shù)據(jù)，以便于保存和處理，又便于人工監(jiān)視測試過程，確保測試過程和測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.5電磁兼容性設(shè)計(jì)

由于要對慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行原位測試，因而，首先必須保證測試儀不能影響機(jī)上設(shè)備的工作特性和電磁兼容性，因而測試儀機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)的滿足外場電磁兼容特性的專用機(jī)箱，機(jī)箱外部的接插件均采用帶有濾波器的電纜連接件。用于在線測試慣導(dǎo)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的導(dǎo)線均采用屏蔽線；另外，在對矩陣開關(guān)分配測試通道時(shí)，根據(jù)被測信號的特性，將相互易產(chǎn)生干擾的信號分配給間隔較遠(yuǎn)的通道，以減少相互之間的干擾。電源電路采用專用的屏蔽盒與系統(tǒng)進(jìn)行隔離，電源地、模擬地和數(shù)字地各自連接，最后進(jìn)行匯總，以減弱或避免通過地線進(jìn)行相互干擾的可能性。通過上述措施，較好的實(shí)現(xiàn)了測試儀與機(jī)上慣導(dǎo)之間的電磁兼容性設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和性能的穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1人機(jī)接口設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)利用LabWindows/CVI作為測試程序的開發(fā)平臺，它提供了各種常用的虛擬儀器面板和類似于C語言的編程環(huán)境，具有較好的人機(jī)交互能力和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。利用該平臺設(shè)計(jì)的某機(jī)載慣導(dǎo)設(shè)備原位測試儀人機(jī)界面如圖2所示[4-5]。

圖2　人機(jī)界面圖

人機(jī)界面采用菜單式結(jié)構(gòu)，主要供操作者進(jìn)行選擇相應(yīng)的模式和狀態(tài)，包括測試設(shè)置、測試項(xiàng)目、數(shù)據(jù)管理和幫助等；其中測試設(shè)置包括測試人、測試機(jī)件號、退出等項(xiàng)；測試項(xiàng)目包括靜態(tài)電阻、在線電壓和動(dòng)態(tài)監(jiān)測等，選擇不同的測試項(xiàng)目時(shí)，系統(tǒng)會提示相關(guān)注意事項(xiàng)，如圖2中，選擇測試靜態(tài)電阻，此時(shí)會彈出相應(yīng)的注意事項(xiàng)，確認(rèn)后方可進(jìn)行下一步的操作；數(shù)據(jù)管理包括打開、保存、測試報(bào)告生成等項(xiàng)，主要用于打開以往的測試數(shù)據(jù)、保存測試數(shù)據(jù)和按照格式生成相應(yīng)的測試報(bào)告等項(xiàng)；主界面由測試項(xiàng)目表、測試儀器狀態(tài)、測試選擇等部分組成，測試項(xiàng)目表根據(jù)測試項(xiàng)目菜單的選擇顯示相應(yīng)的內(nèi)容，如圖中顯示的是選擇靜態(tài)電阻測試時(shí)所顯示的項(xiàng)目表，同樣，當(dāng)選擇在線電壓或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，測試項(xiàng)目表會顯示相對應(yīng)的內(nèi)容。在靜態(tài)電阻測試項(xiàng)目表中，包括23路通道的測試值、參考值和測試結(jié)果選項(xiàng)，其中測試結(jié)果將自動(dòng)比較測試值與參考值之間的關(guān)系，若在參考范圍之內(nèi)，則顯示合格，否則用紅色字體突出顯示不合格，并給出故障原因及相應(yīng)的維護(hù)提示。測試儀器狀態(tài)指示包括測試儀器的電壓、電源、自檢結(jié)果和工作狀態(tài)，測試儀器狀態(tài)正常是保證測試結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，其中自檢指示燈用于指示程控?cái)?shù)字表的自檢狀態(tài)和測試電纜的識別狀態(tài)，若兩者均通過自檢，則顯示綠色，說明可以進(jìn)行下一步測試；測試指示燈表示測試儀器是否處于測試狀態(tài)。測試選擇主要用于選擇手動(dòng)或自動(dòng)測試方式，若為手動(dòng)測試，則還需進(jìn)一步選擇測試通道，可以選擇1~23路中的某一路或者測試結(jié)果不合格的多路進(jìn)行測試，若選擇自動(dòng)測試，則將1~23路信號逐一進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果顯示在測試項(xiàng)目表中。

2.2軟件流程設(shè)計(jì)

為保證程序的可移植性和可維護(hù)性，軟件程序采用了子程序嵌套的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括測試子程序和動(dòng)態(tài)監(jiān)測子程序。

圖3　測試主程序流程圖

測試主程序流程如圖3所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，包括PC-104自檢、程控?cái)?shù)字表自檢和測試連接自檢；若自檢全部通過，然后進(jìn)行測試設(shè)置、測試項(xiàng)目和數(shù)據(jù)管理的選擇，若選擇電阻或電壓測試，則開始進(jìn)行測試通道初始化，將測試通道計(jì)數(shù)器賦初始值0，接著判斷測試方式，若為自動(dòng)測試，則循環(huán)調(diào)用測試子程序?qū)⒏髀反郎y試通道逐一進(jìn)行測試；若為手動(dòng)測試，則將選擇的測試通道數(shù)值給n賦值，并將n數(shù)值傳遞給測試子程序完成選擇通道的測試。若選擇動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，則調(diào)用動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)子程序，用于控制計(jì)算機(jī)串行接口接收、處理慣導(dǎo)輸出的串行數(shù)據(jù)。

測試子程序流程如圖4所示，主要根據(jù)測試通道數(shù)值n進(jìn)行測試通道的切換，控制數(shù)字表的工作狀態(tài)使其處于電阻測試模式，根據(jù)選擇的測試通道的參考值選擇測試量程，并根據(jù)線路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，最后將補(bǔ)償后的測試結(jié)果輸出到測試項(xiàng)目表中。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測子程序如圖5所示，首先打開串口，按照被測件串口通信協(xié)議要求設(shè)置串口的通信速率、校驗(yàn)方式、校驗(yàn)位數(shù)等參數(shù)，然后讀入被測件輸入的串口數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)的編碼格式和通信協(xié)議解讀串口數(shù)據(jù)，并將需顯示的數(shù)據(jù)輸出到屏幕上進(jìn)行顯示。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用該設(shè)備對某慣導(dǎo)設(shè)備在機(jī)上進(jìn)行了靜態(tài)電阻測試和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，對23路靜態(tài)電阻測試用時(shí)需1人耗時(shí)約5分鐘，部分測試結(jié)果如表1所示，與以往手動(dòng)測試時(shí)需兩人配合且耗時(shí)20分鐘相比，測試效率提高了8倍(按人均耗時(shí)計(jì)算)。另外，還比較了慣導(dǎo)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果與機(jī)上顯示控制系統(tǒng)顯示的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果均相同，驗(yàn)證了該測試儀監(jiān)測動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性。

圖4　測試子程序流程圖

圖5　動(dòng)態(tài)監(jiān)測子程序流程圖

表1　某慣導(dǎo)設(shè)備靜態(tài)電阻測試結(jié)果表

利用PC-104為硬件電路核心和基于LabWindows/CVI虛擬儀器平臺開發(fā)的某慣導(dǎo)設(shè)備原位檢測儀，硬件通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便，人機(jī)界面友好，適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定可靠，測試結(jié)果準(zhǔn)確可信，目前，該測試儀已推廣應(yīng)用到航空兵部隊(duì)外場、航修廠和大修廠等單位，取得了良好的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

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Design of In-situ ATE Used to Test Some Airborne INS

Jiang Guofeng1，Zhou Gang2，Song Yi3

(1.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University; Xi’an710072; 2.95965 PLA troops,Gucheng253800,China；3.Luoyang Institute of Electro-optical Devices of AVIC，Luoyang471000，China)

Abstract：The hardware of the in-situ testing system is designed based on PC-104 according to the external field test requirement for some airborne INS. The PC-104 is the core of the display and control and data processor of the in-situ testing system, and the program control digital-meter and multi-channel matrix circuit board are the other constituent part. The Lab Windows/CVI is used for UI and test program based on the requirement of function and the quality of hardware. The static resistance and in-situ voltage can be tested for static testing，and the serial output data of the INS can be received and analyzed and processed to be used for dynamic monitoring. The automation of testing procedure and management of the testing result are achieved. Efficiency and precision are improved greatly. More kinds of capabilities of multi-channel signal can be tested through changing or controlling the type of the test instrument. The testing system has been proved to have the characteristic of stabilization and conveniences and expansibility and universal property.

Keywords：static testing； dynamic monitoring； in-situ testing system; VI

文章編號：1671-4598(2016)02-0130-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.035

中圖分類號：274

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：蔣國峰(1975-)，男，河南睢縣人，在讀博士，副教授，主要從事航空電子裝備的教學(xué)和檢測設(shè)備的研發(fā)工作。

收稿日期：2015-09-07；修回日期：2015-10-10。