高度傳感器自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐元軍,高登強,郝 林,張 燕

(航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 610092)

0 引言

公司是機載傳感器研制和生產(chǎn)的骨干企業(yè)，過去針對不同型號傳感器的測試，設(shè)計專用的測試設(shè)備和軟件。由于機載傳感器需要滿足在不同的大氣壓力和溫度條件下正常工作，測試人員在測試過程中需要操作環(huán)境溫度控制設(shè)備和大氣壓力設(shè)備設(shè)置不同的溫度點和壓力點，當溫度和壓力達到設(shè)置值并保持一定時間后記錄測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)束后對測試結(jié)果做出分析和判斷。單只傳感器測試需要占用測試人員、測試設(shè)備以及測試資源大量時間，隨著傳感器型號以及產(chǎn)量的增加，這種測試設(shè)備及測試方式已不能滿足公司的需求。高度傳感器自動測試系統(tǒng)的研制，節(jié)省了測試所需人力的投入，提高了測試設(shè)備以及測試資源的利用，提高了傳感器的測試效率。測試人員根據(jù)傳感器型號連接好適配電纜，操作自動測試系統(tǒng)軟件，就能一次完成多只傳感器的測試。

1 高度傳感器及測試需求

1.1 高度傳感器的工作原理

傳感器作為一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。機載傳感器是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，高度傳感器作為機載傳感器中重要成員，能測量飛行器所處飛行高度，對于飛行器的安全飛行與自主控制具有十分重要的作用[1]。公司研制的高度傳感器是通過測量大氣參數(shù)來測量飛行高度，其主要功能是感受飛行器空速系統(tǒng)輸入的大氣壓力信號(包括總壓、靜壓值等)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸入相關(guān)控制系統(tǒng)的微計算機中進行處理。

按照世界各主要航空國家制定的標準大氣模型，大氣的溫度、密度和壓強隨高度按固定規(guī)律變化[2]。通過測量大氣壓強數(shù)值，帶入標準氣壓—高度公式[3]：

(1)

1.2 測試需求

公司研制的高度傳感器，主要是硅壓阻式壓力傳感器，該種類型的傳感器具有靈敏度、集成度、綜合精度、可靠性高的特點，并且性能穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量輕、方便使用。根據(jù)不同飛行器及機載系統(tǒng)的需要，可集成后續(xù)處理模塊實現(xiàn)數(shù)字信號輸出，也可以集成溫度傳感器、加速度傳感器等實現(xiàn)多種功能，從而實現(xiàn)了公司高度傳感器的系列化和多種型號。

高度傳感器工作在不同的大氣壓力和溫度條件下，研制過程中的調(diào)試，交付前的驗收測試和使用過程中的校驗，都需要對其在不同溫度和壓力條件下的輸出參數(shù)進行測試和分析，且不同型號傳感器的功能和測試指標具有差異性。高度傳感器在測試過程中，需要連接大氣壓力設(shè)備，并放入環(huán)境溫度控制設(shè)備，當大氣壓力和環(huán)境溫度達到一定值的時候均需保持一定的時間。因此，單只傳感器測試所占用人力和測試資源的時間周期長，過去的測試設(shè)備能測試的型號以及數(shù)量有限。

針對該類傳感器型號多，產(chǎn)量大，不同型號功能和測試指標具有差異性，測試溫度點和壓力點多，測試周期長的狀況，急需開發(fā)新的測試系統(tǒng)。高度傳感器自動測試系統(tǒng)的成功研制，實現(xiàn)了無人值守全自動測試和并行測試，并能測試多種型號傳感器，大大節(jié)省測試所需投入的人力、物力和時間，提高了測試效率。

2 系統(tǒng)及軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

高度傳感器自動測試系統(tǒng)在工控計算機下采用多通道CPCI總線、GPIB總線、RS-232總線和以太網(wǎng)絡(luò)標準接口儀器，設(shè)計具有模塊化結(jié)構(gòu)的通用硬件測試平臺，在VC++和SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)環(huán)境下設(shè)計層次化、模塊化的軟件體系結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)采用開放的體系架構(gòu)，使系統(tǒng)的維護、更改，以及對類似傳感器的測試和測試數(shù)量的擴展極其方便，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。測試系統(tǒng)的物理層由儀器資源、儀器總線、測試計算機、公共測試接口組成；軟件層由儀器控制模塊和系統(tǒng)應(yīng)用程序集組成；信息交換層由被測信號定義、儀器設(shè)備定義、被測傳感器、測試適配接口、測試配置、測試過程配置、測試結(jié)果描述、測試診斷信息定義等元素組成。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 硬件平臺設(shè)計

系統(tǒng)硬件平臺由通用測試平臺、專用設(shè)備和輔助設(shè)備組成。通用測試平臺包括工控機、CPCI總線系統(tǒng)、RS-232總線模塊、LAN總線儀器、通用測試接口ICA(interface connect adapter)以及系統(tǒng)校準機構(gòu)等；專用設(shè)備主要是測試線纜ITA(interface test adapter)，各型號傳感器均配有專用的ITA；輔助設(shè)備主要包括大氣壓力控制設(shè)備和環(huán)境溫度控制設(shè)備等。整個硬件平臺，除了ICA/ITA和大氣壓力控制設(shè)備為公司自己研制，其余設(shè)備、儀器和模塊均選用市場成熟、接口標準的產(chǎn)品，提高了硬件的通用性、可靠性、維護性，同時也降低了研制周期和成本。系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)

ICA為系統(tǒng)測試資源按照一定規(guī)則分類排布的對外接口，將系統(tǒng)所有的測試資源都引到ICA上，測試資源不直接與被測對象相連，而是通過ITA對測試資源進行調(diào)理、再分配后連接至不同的被測傳感器，實現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置。這樣的接口設(shè)計，實現(xiàn)了對新型號傳感器測試的擴展需求，對于新型號傳感器的測試，只需要設(shè)計ITA，并將型號信息、接口信息和測試信息錄入數(shù)據(jù)庫，測試軟件通過讀取數(shù)據(jù)庫獲取和使用。

為防止操作人員因連接錯誤帶來的危害，對每種型號傳感器的ITA進行防插錯設(shè)計，主要措施包括：對每種型號的ITA進行標識，使之與傳感器型號一一對應(yīng)起來；在每種型號的ITA內(nèi)放置不同阻值的適配電阻，并將該阻值和與之對應(yīng)的傳感器型號輸入數(shù)據(jù)庫，測試軟件在建立測試連接時檢測適配電阻，若型號與阻值不匹配進行報警提示，并斷開連接。

2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件基于層次化、模塊化設(shè)計思想，部分組件采用構(gòu)件技術(shù)，使得功能模塊易于修改替換，提高了系統(tǒng)集成的靈活性和復用度，方便系統(tǒng)維護升級[4]。采用DLL，ActiveX，COM等軟件技術(shù)組建，各個軟件模塊間有良好的接口，使系統(tǒng)的實現(xiàn)靈活方便。系統(tǒng)軟件采用Visual C++進行開發(fā)[5]，以SQL Server作為配置數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)軟件由主控軟件、系統(tǒng)自檢軟件、系統(tǒng)自校軟件、傳感器測試軟件、系統(tǒng)管理軟件、傳感器軟件加載軟件和測試報告打印軟件組成。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)主控軟件是各功能軟件的統(tǒng)一接口，實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的管理和調(diào)用；系統(tǒng)自檢軟件的功能是檢測系統(tǒng)儀器設(shè)備工作是否正常，以及系統(tǒng)接口和通道連接是否正常，并報告檢測結(jié)果，主要用于系統(tǒng)硬件故障排查；系統(tǒng)自校軟件實現(xiàn)對測試系統(tǒng)的整體校準，以及傳感器測試參數(shù)的修正；加載軟件實現(xiàn)對各型傳感器嵌入式軟件的加載；測試報告打印軟件用于管理測試數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)寫入測試報告、打印報告或報告上傳；系統(tǒng)管理軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶權(quán)限和使用安全性的管理，系統(tǒng)硬件資源、測試資源等相關(guān)參數(shù)的配置管理，以及傳感器測試參數(shù)、測試流程等相關(guān)參數(shù)的配置管理；傳感器測試軟件實現(xiàn)對各型號傳感器的研制調(diào)試和驗收測試，包括溫度設(shè)備控制、壓力設(shè)備控制、數(shù)據(jù)庫操作、各總線的管理、測試數(shù)據(jù)采集處理、測試數(shù)據(jù)的保存等功能模塊。

3 主要測試問題的解決

3.1 多型號測試

多型號測試就是要實現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用性，提高測試系統(tǒng)的使用效率，使測試系統(tǒng)能測試多種型號的傳感器。公司研制的高度傳感器有的輸出模擬量信號，有的輸出數(shù)字量信號，有的集成了其他功能，通過分析不同型號傳感器測試指標的差異性，以及考慮到測試型號可能增加的需求，通過硬件和軟件進行解決。

1)硬件方面：首先測試系統(tǒng)要能測試各型傳感器的所有參數(shù)，系統(tǒng)需要集成所有測試資源，每個測試資源的操作函數(shù)均封裝在獨立的DLL文件中，針對各型傳感器在測試中對測試資源使用的不同，通過測試軟件讀取數(shù)據(jù)庫中該型傳感器的配置信息進行處理。比如，針對某型號傳感器的測試，測試軟件啟動的時候需要打開和控制其相關(guān)的測試資源，測試軟件只需調(diào)用成員函數(shù)OpenEquip，函數(shù)格式如下：

OpenEquip (A，B)；

式中，A表示被測傳感器型號，B有兩種狀態(tài)即打開/關(guān)閉，函數(shù)通過型號A查找數(shù)據(jù)庫中其所需測量儀器，并調(diào)用儀器對應(yīng)DLL中函數(shù)，根據(jù)B的狀態(tài)將儀器一一打開/關(guān)閉。其次需要解決不同型號傳感器與測試系統(tǒng)連接接口的互通性，采用ICA/ITA技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)接口，ICA提供測試系統(tǒng)所有測試資源的共同接口，ITA實現(xiàn)測試資源的分配以及不同型號傳感器的轉(zhuǎn)接。

2)軟件方面：需要解決不同傳感器測試軟件的共性和個性問題。首先，測試軟件中各功能模塊相互獨立，接口清晰，測試軟件在處理相關(guān)功能的時候，通過讀取該型傳感器在數(shù)據(jù)庫中的配置信息，對該模塊進行參數(shù)傳遞，從而實現(xiàn)該型傳感器的相關(guān)功能。其次，對于測試軟件界面中輸入/輸出參數(shù)控件，按鈕及其響應(yīng)事件等，采用配置參數(shù)動態(tài)生成軟件的設(shè)計方法[6]，測試軟件啟動時通過讀取數(shù)據(jù)庫中不同型號傳感器的測試參數(shù)、界面參數(shù)、ICD參數(shù)等動態(tài)生成對應(yīng)型號傳感器的測試軟件。

3.2 并行測試

高度傳感器測試周期長、數(shù)量大，為了提高測效率，需要提高測試系統(tǒng)的測試吞吐量，使測試系統(tǒng)在一次測試中能測試多只同型號的傳感器，解決此需求采用了并行測試技術(shù)[7]。

1)硬件方面：各測試數(shù)據(jù)采集模塊和儀器，選用市場成熟的具有標準接口的多通道產(chǎn)品，使得系統(tǒng)硬件維護、升級方便，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；環(huán)境溫度控制設(shè)備選擇大容量的設(shè)備，大氣壓力控制設(shè)備采用公司自主研制且使用成熟的多通道壓力輸出設(shè)備。

2)軟件方面：利用VC++面向?qū)ο蟮拈_發(fā)技術(shù)，將傳感器的測試軟件構(gòu)建成類，該類中封裝了傳感器測試相關(guān)的變量和函數(shù)，根據(jù)被測對象數(shù)量建立多個測試對象，通過主測試軟件把這些測試對象生成傳感器測試軟件界面。對于不同測試任務(wù)的調(diào)度，不同測試通道數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示等，通過主測試軟件的多進程或多線程實現(xiàn)。各被測對象對測試資源通道的使用在數(shù)據(jù)庫中進行配置，測試軟件對測試對象的操作通過通道號區(qū)別，比如接收傳感器輸出數(shù)據(jù)函數(shù)Receive，函數(shù)格式如下：

Receive (A，B，C)；

式中，A表示被測傳感器型號，B表示傳感器編號，C表示信號種類，測試軟件在接收傳感器輸出數(shù)據(jù)的時候，通過A和B在數(shù)據(jù)庫中找到通道號，通過C調(diào)用對應(yīng)儀器DLL中該通道的接收功能函數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理。

3.3 系統(tǒng)校準

校準是確保測試設(shè)備和儀器性能可靠的重要手段，自動測試系統(tǒng)以系統(tǒng)為整體進行工作，不同的測試方式以及系統(tǒng)傳輸電纜、適配接口等環(huán)節(jié)對最終的測試結(jié)果都可能產(chǎn)生影響，因此對測試系統(tǒng)的校準采用在站(on station)校準方式，將測試系統(tǒng)作為一個完整的單元進行校準，滿足現(xiàn)場校準的需要[8]。

1)系統(tǒng)校準過程：

圖4為測試系統(tǒng)的校準過程，上級計量實驗室用測量標準對自動測試系統(tǒng)激勵電源進行檢定或校準，操作人員使用校準合格的激勵電源對自動測試系統(tǒng)進行激勵輸入，積累多次系統(tǒng)校準所得的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，再次校準的時候，根據(jù)統(tǒng)計控制模型對數(shù)據(jù)庫中歷史校準數(shù)據(jù)進行分析，判斷測試系統(tǒng)量值是否受控，如果受控則可將校準數(shù)據(jù)用于修正傳感器測試結(jié)果，否則需進行問題溯源。

圖4 系統(tǒng)校準控制過程

2)確定校準周期：

自動測試系統(tǒng)集成了許多商用總線模塊和儀器, 廠家規(guī)定的校準周期各不相同,如果采用固定校準周期的計量方式進行校準,容易造成不足計量或過剩計量，不足計量將導致測試系統(tǒng)的狀態(tài)惡化，影響測試結(jié)果，過剩計量將會增加停機時間，影響工作效率，增加計量成本。考慮到儀器廠家的建議、使用情況等因素，根據(jù)工程經(jīng)驗確定初始校準周期，選擇激勵電源的校準周期為初始校準周期[9]。在一個校準周期內(nèi)，對于不斷積累的校準數(shù)據(jù)，采用控制圖進行統(tǒng)計分析[10]，根據(jù)測量值的變化趨勢延長或縮短校準與檢定周期。

3)利用校準結(jié)果：

就是利用系統(tǒng)校準數(shù)據(jù)補償和修正傳感器測試結(jié)果，消除測試系統(tǒng)本身所帶來的偏差。校準是針對測試系統(tǒng)的每個通道進行，并且在測量范圍內(nèi)對多個測試點進行校準。校準點的多少即校準區(qū)間劃分的大小，須確保在每個區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)對不同的輸入和輸出滿足線性變化的關(guān)系，因此采用線性插值法，其函數(shù)關(guān)系為：

Ynj=anjXnj+bnj

(2)

式中,Ynj表示n通道j校準區(qū)間測試系統(tǒng)的測試結(jié)果，Xnj表示n通道j校準區(qū)間測試系統(tǒng)的輸入值，即被測傳感器的輸出值，因此經(jīng)修正后的測試結(jié)果為：

(3)

其中：

(4)

(5)

式中，x為校準時激勵電源對測試系統(tǒng)的輸入值，y為測試系統(tǒng)對x的測試值；i為校準點，其最大值為測試系統(tǒng)在測量范圍內(nèi)所選取的校準點個數(shù)，其值通過Y在y所在的j區(qū)間確定。

3.4 無人值守全自動測試

無人值守全自動測試就是測試過程啟動后，在沒有人員參與的情況下，測試系統(tǒng)根據(jù)預先設(shè)置好的測試流程自動完成測試，這種測試方式降低了對人力資源的占用，也避免了因人員誤操作帶來的測試錯誤，使得測試結(jié)果客觀、可靠。傳感器測試軟件包含實時采樣測試和自動驗收測試，實時采樣測試根據(jù)操作人員設(shè)置的溫度值和壓力值，實現(xiàn)對傳感器輸出參數(shù)的接收、處理和顯示，主要用于傳感器調(diào)試。自動驗收測試實現(xiàn)了無人值守全自動測試，根據(jù)各型傳感器驗收測試大綱規(guī)定的測試流程，系統(tǒng)自動設(shè)置壓力值和溫度值，并對保溫和保壓時間自動計時，自動對傳感器處于不同溫度點和壓力點下的輸出參數(shù)進行接收、處理、顯示和保存，并對輸出參數(shù)的合理性進行判斷，對測試結(jié)果進行報告。操作人員只要連接好被測對象的適配電纜和大氣壓力輸入接口，放入溫度控制設(shè)備，啟動該型傳感器的測試軟件，點擊“開始自動測試”按鈕，即可完成測試。自動測試流程如圖5所示，主要設(shè)計思想如下：

圖5 自動測試流程

1)測試流程可配置化：不同型號傳感器驗收測試大綱的差異性決定了其測試流程的不同，測試軟件通過數(shù)據(jù)庫控制測試流程[11]。與自動測試流程控制相關(guān)信息包括保溫時間、保壓時間、溫度點、壓力點等，這些信息均保存在數(shù)據(jù)庫中，在自動測試過程中，測試程序通過讀取該型傳感器在數(shù)據(jù)庫中的這些信息實現(xiàn)測試流程的控制。

2)安全性設(shè)計：對于無人值守全自動測試，測試過程的安全性是要重點考慮的因素，要把測試過程中可能出現(xiàn)的問題或故障以及采取的安全措施考慮到，避免因無人及時處理而引發(fā)事故。自動測試系統(tǒng)的設(shè)計中，對于溫度設(shè)備、壓力設(shè)備接口的訪問和控制，以及自動測試流程的控制均在獨立的線程中處理；對測試流程中的每個操作狀態(tài)和結(jié)果進行實時顯示，當測試遇到故障不能執(zhí)行下去時，系統(tǒng)將會做出提示和告警，斷開傳感器電源，關(guān)閉相關(guān)測試儀器和設(shè)備，退出自動測試相關(guān)線程。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 測試精度實驗及分析

測試精度實驗以某型高度傳感器的測試作為實驗對象，實驗對象的挑選以測試參數(shù)足夠多作為選擇的條件，并行測試數(shù)量配置為8只。隨機選取某只傳感器作為測試對象，在0～5 V的電壓范圍內(nèi)，任意選取三個測試點，以直流穩(wěn)壓電源作為測試系統(tǒng)的輸入，觀察測試軟件界面并記錄測試數(shù)據(jù)，測量參數(shù)、輸入值和測試值見表1。分析表1中各參數(shù)的測試結(jié)果，測試系統(tǒng)對于三個測試點的測試誤差均在±0.25% FS即±12.5 mV范圍內(nèi)，實驗結(jié)果達到了高度傳感器自動測試系統(tǒng)的設(shè)計需求和目標。

4.2 應(yīng)用效果分析

高度傳感器自動測試系統(tǒng)自研制完成后，順利通過了各項驗證實驗和鑒定，并且已完成了多型高度傳感器的驗證測試。該自動測試系統(tǒng)體現(xiàn)了較好的使用性能和應(yīng)用效果，系統(tǒng)各項性能包括用戶管理、數(shù)據(jù)解析、精度誤差處理、故障分析、設(shè)備通訊、配置管理、測試流程配置、自動化測試、數(shù)據(jù)存儲與管理等均工作正常，滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求和目標。

表1 各參數(shù)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

高度傳感器自動測試系統(tǒng)已在公司多型傳感器的研制和生產(chǎn)中成功應(yīng)用，實踐表明高度傳感器自動測試系統(tǒng)可靠性高，通用性強，操作方便，大大節(jié)約了人力資源和測試成本，提高了傳感器的測試效率，并具有對類似傳感器較強的擴展能力。高度傳感器自動測試系統(tǒng)的成功研制和應(yīng)用，也為公司其他非傳感器機載系統(tǒng)和產(chǎn)品自動測試系統(tǒng)的設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗。