基于虛擬儀器的GPS導(dǎo)航測(cè)試儀的設(shè)計(jì)研究

王海斌，丁發(fā)軍

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，四川 廣漢 618307)

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基于虛擬儀器的GPS導(dǎo)航測(cè)試儀的設(shè)計(jì)研究

王海斌，丁發(fā)軍

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，四川 廣漢 618307)

摘要：針對(duì)航空GPS導(dǎo)航系統(tǒng)故障率較高現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了航空GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以電路功能模塊為依托實(shí)現(xiàn)硬件方面的設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)上，利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類資源的控制。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，該測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)KLN94型GPS導(dǎo)航系統(tǒng)性能測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航系統(tǒng)；虛擬儀器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是世界通用航空領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的GPS導(dǎo)航產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)多家航空公司及飛行培訓(xùn)學(xué)校(包括飛行學(xué)院)的航空器上均有安裝[1-3]。目前國(guó)內(nèi)尚沒有KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的維修能力，對(duì)于所出現(xiàn)的故障只能返回美國(guó)生產(chǎn)廠家進(jìn)行維護(hù)。由于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)屬于高功率工作部件，故障率較高，且返廠維護(hù)成本較高，平均每次維護(hù)費(fèi)用約占產(chǎn)品價(jià)格本身的20-30%[4]。因此，針對(duì)該導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試及維修的相關(guān)研發(fā)，具有較好的應(yīng)用前景。

本文應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)，通過測(cè)試平臺(tái)對(duì)內(nèi)部各類資源進(jìn)行調(diào)用，最終實(shí)現(xiàn)針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測(cè)試。下面結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀的研制過程，對(duì)測(cè)試儀系統(tǒng)總體構(gòu)架、軟硬件組成及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行逐一闡述。

1總體結(jié)構(gòu)

KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀設(shè)計(jì)了由電源及信號(hào)監(jiān)視模塊、信號(hào)處理及功能轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、設(shè)備測(cè)試模塊、設(shè)備調(diào)整模塊及測(cè)試系統(tǒng)自測(cè)模塊組成。測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖

2硬件組成

KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀在硬件方面的組成包括：電源電路、信號(hào)監(jiān)測(cè)與電流電壓監(jiān)視電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、設(shè)備調(diào)整電路、輸入輸出信號(hào)檢測(cè)電路、電纜適配器、控制面板和顯示系統(tǒng)。測(cè)試儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)采集電路。該電路完成22路信號(hào)數(shù)據(jù)采集，包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。采集信號(hào)的精度較高，其中，電流采集精度≥1mA；電壓采集精度≥1mV；溫度采集精度≥1℃。

(2)功能轉(zhuǎn)換控制電路。利用繼電器轉(zhuǎn)換功能制作實(shí)現(xiàn)了多路轉(zhuǎn)換控制卡，完成了導(dǎo)航系統(tǒng)所需48路信號(hào)的控制轉(zhuǎn)換功能。多路轉(zhuǎn)換主要完成對(duì)信號(hào)流向的控制、信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能。這些轉(zhuǎn)換信號(hào)包括：RS232 SEL、DEV FLAG SEL、ANNUNCAT SEL、WPT ALERT TEST、MSG TEST、APPROACH ARM、APPROACH ACTIVE等。

(3)電源電路。設(shè)計(jì)獨(dú)立的28V線性電源供電，該電源由外部交流電源220VAC轉(zhuǎn)換，通過28V電壓輸出正負(fù)接口為KLN94 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀提供穩(wěn)定的直流電源，且不需要外接供電儀器，使測(cè)試操作步驟得以簡(jiǎn)化。

該電源系統(tǒng)模塊采用的是線性電源，線性電源的基本工作原理是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后，得到脈動(dòng)直流，后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。經(jīng)過穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓從而達(dá)到高精度的直流電壓。從應(yīng)用效果來看，達(dá)到了很高的穩(wěn)定度。

另外，該電源系統(tǒng)模塊在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮到過流保護(hù)功能，即在交直流轉(zhuǎn)換的電路及輸出電路中設(shè)計(jì)了保險(xiǎn)電路。

(4)信號(hào)監(jiān)測(cè)與電流電壓監(jiān)視系統(tǒng)。為監(jiān)控系統(tǒng)提供的電源及在測(cè)試過程中各種測(cè)試信號(hào)的情況，在研發(fā)FTS-155試驗(yàn)臺(tái)時(shí)設(shè)計(jì)了由單片機(jī)控制的信號(hào)監(jiān)測(cè)與電流電壓監(jiān)視電路，以便操作者能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電路的電壓、電流值及測(cè)試系統(tǒng)的各種測(cè)試信號(hào)值。

(5)電纜適配電路。完成信號(hào)的適配功能，包括負(fù)載的適配設(shè)計(jì)(如阻抗、功率、顯示功能匹配等)、A/D轉(zhuǎn)換功能等，負(fù)載精度≥1Ω。

(6)制作了專用接口電路(J941、J942)及與外設(shè)連接接口，實(shí)現(xiàn)了與KLN94 GPS導(dǎo)航設(shè)備及與外設(shè)的測(cè)試連接。

(7)制作了設(shè)備輸入輸出交聯(lián)電路，該交聯(lián)電路能夠完成打印輸出、升級(jí)輸入、聯(lián)機(jī)控制及遠(yuǎn)程控制等功能，通過前面板的USB接口實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的連接(見圖3)。

(8)制作了面板控制電路，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的操作控制。在設(shè)計(jì)制作面板控制電路時(shí)，開關(guān)的設(shè)計(jì)采用微控的形式，包括多功能操作按鍵、數(shù)據(jù)操作按鍵、控制操作按鍵和顯示屏設(shè)置。另外，測(cè)試過程中采用“選擇轉(zhuǎn)輪”形式進(jìn)行測(cè)試各項(xiàng)的切換和選擇，操作方便、快捷，且減小占用面板的面積。

(9)KLN94 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀面板根據(jù)系統(tǒng)組裝情況量身設(shè)計(jì)，能夠節(jié)省設(shè)備的占用空間，體現(xiàn)了系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)的合理性。

3軟件實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)軟件框架

KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀測(cè)試程序在windows 8.1系統(tǒng)下運(yùn)行，軟件開發(fā)環(huán)境采用Labview2013，軟件的設(shè)計(jì)過程是面向?qū)ο蟮?，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)層次化、模塊化設(shè)計(jì)[5-6]。

導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀所要達(dá)到的主要目標(biāo)，是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備的全部性能進(jìn)行檢測(cè)。在確保檢測(cè)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)正確、可靠的前提下，測(cè)試軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有各項(xiàng)檢查功能的重要保證。本測(cè)試設(shè)備的系統(tǒng)軟件框架圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件框架圖

3.2測(cè)試程序功能及特點(diǎn)

(1)軟件測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制轉(zhuǎn)換與測(cè)試等基本操作，且完成了測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)各子程序模塊與系統(tǒng)硬件的匹配、調(diào)試及使用。

(2)虛擬儀器顯示功能。采用了虛擬儀器完成各類指示儀表的模擬顯示，平臺(tái)儀器顯示界面如圖4所示[7]。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合軟件來完成各種測(cè)試應(yīng)用，使得構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)化。測(cè)試界面利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的指示儀表模擬包括：

模擬水平狀態(tài)指示儀：實(shí)現(xiàn)了VOR方位、LOC偏離和GS偏離等導(dǎo)航信息的顯示功能；

模擬OBI方位指示儀表：實(shí)現(xiàn)了OBI方位信息的直觀判讀；

模擬信號(hào)牌指示：實(shí)現(xiàn)了信號(hào)牌的直觀判讀；

模擬警告燈：包括WPT ALERT、MSG、APPROACH ARM、APPROACH ACTIVE、ALT ALERT、STEERING SUPERFLAG、LNAV SUPERFLAG、VNAV SUPERFLAG及FCS；

模擬溫度監(jiān)測(cè)：實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)并顯示結(jié)果。

圖4　儀器顯示界面

3.3軟件功能模塊

軟件功能模塊主要包括：

(1)開發(fā)了模擬OBS解算器工作程序，完成VOR方位解算功能；

(2)開發(fā)了高度碼解算程序，完成高度解算功能；

(3)開發(fā)了RS232通訊程序，完成RS232的收發(fā)功能；

(4)開發(fā)了自測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)各功能模塊自檢功能；

其中自檢項(xiàng)目包括：硬件自檢、ADC自檢、OBS自檢、開關(guān)狀態(tài)自檢、輸出端口自檢及串口中斷自檢。測(cè)試參數(shù)界面如圖5所示。

圖5　測(cè)試參數(shù)界面

(5)開發(fā)了KLN94專用測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)載設(shè)備性能的自動(dòng)測(cè)試；

(6)自動(dòng)存儲(chǔ)功能：能夠自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表也是該測(cè)試系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一。針對(duì)此項(xiàng)功能開發(fā)了自動(dòng)存儲(chǔ)報(bào)表程序，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)存儲(chǔ)，自動(dòng)生成性能單，并可進(jìn)行連機(jī)打印。

3.4程序流程

KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀軟件測(cè)試流程如圖6所示。

圖6　軟件測(cè)試流程

4工程應(yīng)用

目前，KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀已取得項(xiàng)目認(rèn)證，并已投入實(shí)際工程使用。利用該測(cè)試儀已完成10余件組件測(cè)試。表1中列舉了6部被測(cè)組件部分主要測(cè)試參數(shù)實(shí)測(cè)情況，通過測(cè)試數(shù)據(jù)分析，測(cè)試儀滿足性能參數(shù)測(cè)試要求。

表1　KLN94主要性能參數(shù)實(shí)測(cè)值

5結(jié)語

本文從系統(tǒng)構(gòu)成的角度，討論了KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀基本設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)研發(fā)了KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試儀。該測(cè)試儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，維修人員利用此測(cè)試儀，結(jié)合掌握的相關(guān)維修資料，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)KLN94GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行部件修理。經(jīng)過實(shí)踐證明，該測(cè)試儀在執(zhí)行效率和可靠性方面都取得較為滿意的效果。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：東艷]

Development of the GPS Navigation Tester Based on Virtual Instruments

WANGHai-bin,DINGFa-jun

(Airplane Repair Shop,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

Abstract：To reduce the high failure rate of the aviation GPS navigation system,the paper designs a tester for the aviation GPS navigation system.In terms of hardware design,the tester adopts the modular design method on the basis of circuit function module.In terms of software design,virtual instruments are utilized to control various kinds of resources.As indicated by the practical application,this testing platform is able to satisfy the performance test requirements of KLN94 GPS navigation system.

Key words：navigation system;virtual instrument;system design

中圖分類號(hào)：TP311.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)01-0017-04

作者簡(jiǎn)介：王海斌(1984-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，從事機(jī)載航電設(shè)備的維修工作與飛機(jī)維修工程。

收稿日期：2015-11-30