兩棲飛機航電與機電交聯(lián)自動化檢測系統(tǒng)的開發(fā)

李燕南 梁向東 楊定華 易向軍 朱春生

摘要：本文論述了一種模擬飛機壓力、溫度、轉速、角度等多路多種傳感器信號的控制輸出與實時顯示給航電系統(tǒng)用于交聯(lián)檢測，并通過ARINC 429總線進行信號回采與解析，實施閉環(huán)半實物仿真的檢測系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)構成及使用虛擬儀器技術作為軟件開發(fā)平臺，該系統(tǒng)現(xiàn)已應用于大型水陸兩棲飛機的交聯(lián)測試，極大提高了測試效率和準確性。

關鍵詞：傳感器;虛擬儀器;半實物仿真

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A???? DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.005

飛機總裝調試階段中航電與機電系統(tǒng)的交聯(lián)檢測非常重要。大型水陸兩棲飛機航電與機電系統(tǒng)的交聯(lián)情況主要是通過航電系統(tǒng)的發(fā)動機指示和機組告警系統(tǒng)（EICAS）顯示畫面和電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）主飛行顯示畫面進行顯示。在地面總裝調試階段，很多傳感器信號是不能按照飛機空中狀態(tài)實施加載的，如飛機發(fā)動機系統(tǒng)的轉速、扭矩壓力、油門角度、風門位置等，只能通過更換不同的外部專用儀器來模擬此類傳感器的信號給航電系統(tǒng)，從而完成交聯(lián)測試。

虛擬儀器技術是目前測控領域最為流行的技術之一，具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高等明顯優(yōu)點。PXI總線具有快速的數(shù)據(jù)傳輸能力、靈活性高、兼容性好、開放式構架等優(yōu)勢，迅速發(fā)展成為在各個領域被廣泛應用的測試設備。

為解決飛機交聯(lián)系統(tǒng)復雜測試環(huán)境下，使用老式測試方法工作效率低、功能單一、擴展性不高、線纜連接復雜的問題，提出了一種基于PXI總線和虛擬儀器技術的航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)的自動化檢測設備。

1檢測設備的總體方案

1.1飛機航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)信號關系

本檢測設備涉及的航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)測試主要是通過飛機液壓源系統(tǒng)、剎車壓力系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)、發(fā)動機指示系統(tǒng)、發(fā)動機燃油和控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、起動系統(tǒng)等與飛機航電系統(tǒng)進行交聯(lián)，共需仿真非航電系統(tǒng)的50多路模擬信號、20多路開關信號、5路轉速信號和4路電阻信號，同時需要回采系統(tǒng)鏈路的ARINC 429信號。

1.2本檢測設備總體配置方案

本檢測設備采用虛擬儀器技術，它將傳統(tǒng)單個分立儀器的功能進行組合，集中到一臺工控機上實現(xiàn)了信號采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結果顯示與輸出的功能。

根據(jù)測試任務和便攜式檢測設備的要求，本檢測設備選用如下配置方案：采用PXI總線，通過D/A模塊輸出虛擬有源信號，I/O模塊輸出開關量信號，電阻模塊輸出電阻信號，函數(shù)信號發(fā)生器模塊輸出轉速信號，同時通過信號調理模塊對信號進行分類、解析處理，ARINC 429模塊用于接收429總線信號，最后通過虛擬儀器面板對仿真的傳感器信號進行輸出，同時對回采的429數(shù)據(jù)進行解算、實時顯示。基于PXI總線，采用虛擬儀器技術的航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)自動化檢測設備原理框圖如圖1所示。

整個檢測系統(tǒng)通過測試對接電纜將檢測設備與飛機的待測對象相連，ARINC 429總線的對接電纜與飛機分離面的總線接口相連，設備主控制器發(fā)出各類仿真控制信號，通過電纜傳輸給飛機各交聯(lián)系統(tǒng)，同時對系統(tǒng)鏈路中的429總線數(shù)據(jù)進行采集、解算，系統(tǒng)運行過程中，所有的數(shù)據(jù)亦可在飛機的EICAS或EFIS顯示畫面進行顯示。

2系統(tǒng)的硬件開發(fā)與設計

根據(jù)圖1所示，整個航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)自動化檢測設備的硬件系統(tǒng)集成為一個一體化便攜式結構，其中包括安裝了各類PXI模塊的機箱、電源模塊、信號轉接、適配插座等，將它們集中整合到一個機箱結構中，便于飛機的在線檢測。硬件系統(tǒng)基本上分為三個部分，包括數(shù)據(jù)采集與控制模塊、信號調理單元和測試電纜。

2.1數(shù)據(jù)采集與控制模塊

基于PXI總線，采用虛擬儀器技術的配置方案，選用的D/A數(shù)據(jù)采集模塊，這些數(shù)據(jù)采集與控制模塊的主要作用為：（1）通過D/A通道、繼電器通道經信號轉接、適配接口單元分別向待測對象發(fā)出模擬量和開關量控制信號;（2）使用可編程電阻卡、函數(shù)發(fā)生器卡分別給待測對象發(fā)出電阻信號和轉速信號;（3）使用毫伏信號源卡向待測對象發(fā)出微小電壓信號。

2.2信號調理單元

航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)需模擬的傳感器種類繁多，轉換為電壓輸出的范圍也非常廣，有的精度相當高（如發(fā)動機系統(tǒng)排氣溫度的精度為毫伏級），有的電壓范圍需達到幾十伏。要保證地面模擬的準確性，同時考慮到設備的便攜性，針對微小信號的處理本檢測設備采用毫伏信號源模塊做為有源信號;超出板卡±10V量程的電壓信號，自行設計了一塊PXI總線的信號調理模塊用于安插在PXI插槽中，節(jié)省了空間。同時針對不同開關量的測試，通過將電源模塊輸出信號進行分類與梳理，將其分支分別接入繼電器板卡的NO端，通過軟件控制接通相應的邏輯信號。根據(jù)測試需求，信號調理單元的主要功能有：（1）通過PXI總線信號調理模塊，可以實現(xiàn)輸出±30V可調電壓信號、0?24mA可調恒流源信號以及±0.5 V可調電壓信號;（2）需模擬的傳感器I/O信號通過電源模塊的分類，分別連接發(fā)送給待測對象;（3）將每個需模擬的傳感器信號進行歸納、整理，分類控制。

2.3測試電纜

根據(jù)機上待測對象分布的不同位置，同時考慮各種測試干擾、電磁環(huán)境等因素，大部分線束線纜采用雙絞屏蔽電纜，同時將屏蔽層、信號源接地線與飛機的搭地螺母連接。對油量信號等特殊用途的線纜，其屏蔽層采用單端接地處理形式。

3系統(tǒng)的軟件開發(fā)與設計

3.1系統(tǒng)的軟件結構

軟件是整個檢測設備的核心部分。本設備的操作系統(tǒng)采用Windows 7作為系統(tǒng)平臺，選用美國國家儀器有限公司（NI）的Lab Windows/C VI集成開發(fā)平臺進行軟件開發(fā)。整個系統(tǒng)軟件包括仿真控制分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)兩大分系統(tǒng)。軟件結構如圖2所示。

3.2仿真控制分系統(tǒng)軟件設計

從測試需求、被測信號類型和特性出發(fā)，仿真控制分系統(tǒng)的主要功能是為飛機航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)提供仿真的傳感器信號，并實時輸出。本分系統(tǒng)軟件劃分為7個模塊：主程序、參數(shù)配置、系統(tǒng)分類、數(shù)據(jù)轉換與解算、系統(tǒng)測試、數(shù)據(jù)分析和退出。各模塊相互獨立，通過主程序的人機界面調用和控制各個模塊實現(xiàn)其功能。其軟件流程如圖3所示。

由于各系統(tǒng)仿真的傳感器與航電系統(tǒng)的交聯(lián)輸出信號有壓力、溫度、油位、轉速、油量、角度、風門位置等，各傳感器具有線性特性，但傳感器的實際特性卻是非線性的曲線，通過分析傳感器信號的特性及工作流程，對于實際工作在線性區(qū)域的傳感器，進行物理量與電壓/電阻的函數(shù)轉換，得到換算的線性方程;對于實際工作在非線性區(qū)域的傳感器，可采用常用的最小二乘法建立數(shù)學模型。由于本設備傳感器工作區(qū)間基本為線性區(qū)域或為分段線性區(qū)間，因此可建立線性函數(shù)模型。

3.3數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)

為分析仿真的傳感器信號與航電系統(tǒng)交聯(lián)后，系統(tǒng)鏈路的顯示與動作是否滿足測試需求，設計了數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)軟件，從而形成閉環(huán)半實物仿真系統(tǒng)。本檢測設備的數(shù)據(jù)回采主要是通過ARINC 429總線進行實時采集和解析，為保證系統(tǒng)運行的實時性，采用了Lab Windows/C VI的多線程技術進行軟件編程。其軟件流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集分析分系統(tǒng)軟件主要分為5個模塊：主程序、板卡參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析和退出。航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)測試運行后，ARINC 429總線實時將回采的數(shù)據(jù)按照接口控制文件（ICD）進行數(shù)據(jù)解析，通過將仿真輸出的傳感器數(shù)據(jù)與ARINC 429總線回采的數(shù)據(jù)進行對比，可以隨時查看故障情況，判斷測試是否正常。

4測試實例與結果分析

利用本文構建的自動化測試平臺對某大型水陸兩棲飛機的航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)進行了測試，通過人機交互界面，在仿真控制模塊中輸入所需仿真的傳感器信號，如圖5所示，在測試平臺模擬仿真航電與發(fā)動機系統(tǒng)交聯(lián)的油門角度、轉速、排氣溫度、扭矩壓力、風門位置、振動加速度、滑油溫度、滑油壓力和滑油油量等信號，通過測試電纜傳輸給飛機各交聯(lián)系統(tǒng)，測試結果可在飛機的EICAS顯示器或EFIS顯示器上顯示，同時也可通過測試平臺與飛機分離面ARINC 429總線的連接，在測試平臺的顯示界面上獲得解析的數(shù)據(jù)。通過圖5仿真信號的輸出，可以看到飛機顯示界面的數(shù)據(jù)與模擬控制參數(shù)一致，同時通過與飛機維護口蓋連接的飛行參數(shù)一線測試儀采集的數(shù)據(jù)進行比對，結果表明測試平臺仿真數(shù)據(jù)、飛機顯示器顯示數(shù)據(jù)以及飛行參數(shù)測試儀采集數(shù)據(jù)三者數(shù)據(jù)一致。

5結束語

本文航電與機電系統(tǒng)交聯(lián)自動化檢測設備的關鍵在于仿真與飛機航電系統(tǒng)交聯(lián)的傳感器信號分析，根據(jù)模擬的傳感器特性，進行數(shù)學建模;同時數(shù)據(jù)進行實時回采，構成閉環(huán)半實物仿真。這種在線檢測的自動化檢測方法比傳統(tǒng)儀器的檢測省時省力，極大提高了測試效率和準確性。另外，本檢測設備只需要更換被測對象接口適配器并在應用程序中增加特定的子程序，就可應用于其他類型飛機的相關測試中，具有很強的實用價值。

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