基于PAWS的航空電子系統(tǒng)通用自動檢測設(shè)備設(shè)計

文/王凱 陳德軍 宋帆 徐卓

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

現(xiàn)代軍用飛機(jī)任務(wù)種類多，需要大量采用各種先進(jìn)的電子設(shè)備，使得軍用航空電子系統(tǒng)變得日益龐大且功能復(fù)雜，給使用中的維修和保障提出了更高要求。裝備的故障診斷成為影響戰(zhàn)備完好性、使用和保障費用高的主要因素[1]。隨著電子儀器自動化水平的提高，自動測試系統(tǒng)在包括軍用電子設(shè)備的各種工業(yè)產(chǎn)品的測試應(yīng)用中得到大力推廣。傳統(tǒng)的航空電子設(shè)備專用檢測設(shè)備需要根據(jù)各分系統(tǒng)的任務(wù)載荷有區(qū)別的選擇測試資源來構(gòu)建測試系統(tǒng)，需要設(shè)計專用的測試軟件[2]。航空電子系統(tǒng)分系統(tǒng)多，針對每一分系統(tǒng)單獨設(shè)計專用檢測設(shè)備周期長、投入大，使用過程中對空勤人員也提出更高的專業(yè)化能力，大大制約保障效率。伴隨軍用飛機(jī)及武器系統(tǒng)功能從單一到多樣的發(fā)展過程，美國軍用自動測試系統(tǒng)也經(jīng)歷了從有限通用到技術(shù)通用的全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)過程[3]。目前國內(nèi)軍用ATS（Auto Test Systen）在型號科研的推動下進(jìn)入規(guī)范發(fā)展的階段。形成了基于VXI總線、PXI總線、USB總線以及LXI總線等的成熟測試系統(tǒng)應(yīng)用，如文獻(xiàn)[3]提出了一種基于PXI總線的通用導(dǎo)航設(shè)備檢測平臺的設(shè)計，文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種采用PXI模塊化儀器針對飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的通用測試平臺，文獻(xiàn)[5]提出了一種針對雷達(dá)分機(jī)的自動測試系統(tǒng)設(shè)計方案，文獻(xiàn)[6]開發(fā)了一種多總線融合的機(jī)載火控雷達(dá)生產(chǎn)線自動測試系統(tǒng)。國內(nèi)研制的各種機(jī)載電子設(shè)備測試系統(tǒng)大多針對單一任務(wù)系統(tǒng)，仍存在通用化程度、標(biāo)準(zhǔn)化程度、信息化水平不高的問題[7]。

ATLAS作為自動測試領(lǐng)域的一種高級語言能夠用來描述獨立于任何具體測試系統(tǒng)的測試流程，在自動測試領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。在美國三軍ATE計劃中的海軍綜合自動化保障系統(tǒng)(CASS)選用TYX公司研發(fā)的PAWS作為軟件開發(fā)平臺成功的運用ATLAS語言實現(xiàn)了美軍中最成功的軍用電子設(shè)備測試保障系統(tǒng)。鑒于PAWS開發(fā)平臺與ATLAS語言在自動測試系統(tǒng)中的優(yōu)異性能，本文提出了一種基于PAWS平臺的融合多種總線測試儀器的航空電子系統(tǒng)通用自動檢測設(shè)備的設(shè)計方案。該設(shè)備已在國內(nèi)直升機(jī)型號研制中得到實際運用，能夠兼顧某型直升機(jī)各種電子任務(wù)載荷系統(tǒng)的檢測需求，大大提高了該型直升機(jī)的現(xiàn)役保障與返廠維修效率。

1 自動檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)

航空電子系統(tǒng)自動檢測設(shè)備由硬件平臺和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件平臺主要包括主控計算機(jī)、測試資源平臺、各被測件適配器(TUA)三大部分組成。其中，測試資源平臺是整個自動檢測設(shè)備硬件的主干部分，由1553B總線類儀器、GPIB總線類儀器、VXI總線類儀器、ICA陣列接口、ITA測試接口組件組成。VXI總線類儀器由VXI總線零槽控制器、VXI總線測試儀器板卡、VXI總線開關(guān)板卡組成。測試資源平臺各儀器的輸入輸出信號引腳通過直通導(dǎo)線與ICA陣列接口的各信號孔相連。各被測件適配器的主要功能是用于航空電子系統(tǒng)各被測件(UUT)的信號引腳與平臺測試資源固定的ICA陣列接口進(jìn)行匹配耦合，測試單元適配器通過各自的ITA測試接口組件與測試資源平臺的ICA陣列接口組件對接。主控計算機(jī)用于自動檢測設(shè)備的人機(jī)交互，完成所有測試任務(wù)的執(zhí)行、控制與管理任務(wù)。為實現(xiàn)這些功能，計算機(jī)需安裝與VXI零槽控制器通訊的1394總線通訊卡，與GPIB測試儀器通訊的IEEE488總線通訊卡，與1553B測試儀器通訊的1553B總線通訊卡。計算機(jī)軟件則需安裝VISA庫，ACCESS數(shù)據(jù)庫，配置所有硬件資源的底層驅(qū)動和TP運行環(huán)境組件。設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件總體功能

作為一個系統(tǒng)從整體到部分的劃分，軟件架構(gòu)用于描述直接構(gòu)成系統(tǒng)的各抽象組件，各組件之間連接明確。自動檢測設(shè)備軟件需要實現(xiàn)的主要功能是能夠為用戶根據(jù)具體的被測對象的測試指標(biāo)對測試所需的儀器設(shè)備進(jìn)行自動配置，獲取測試數(shù)據(jù)并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行故障定位。由此，自動檢測設(shè)備軟件應(yīng)具備良好的人機(jī)交互功能，自動化的測試資源配置能力，快速的故障隔離定位能力。該檢測設(shè)備系統(tǒng)軟件主要由如下功能模塊組成：人機(jī)交互客戶端、測試程序集及儀器設(shè)備驅(qū)動。檢測設(shè)備各軟件模塊之間的調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

人機(jī)交互客戶端可用于平臺的使用權(quán)限管理，測試程序集的管理以及測試過程信息的管理，但人機(jī)交互客戶端的主要功能是完成被測件測試程序具體測試動作中與測試設(shè)備驅(qū)動的銜接，根據(jù)測試程序中的具體測試動作的技術(shù)指標(biāo)指導(dǎo)儀器設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行相應(yīng)的操作如儀器設(shè)備的激勵和測量。測試程序是具體被測件測試需求流程化后用測試語言ATLAS的表達(dá)。被測件功能性能不一樣導(dǎo)致被測件的測試程序的差異。航空電子系統(tǒng)電子設(shè)備種類繁多，且該檢測設(shè)備具備通用性，能夠兼顧各被測件的測試要求，對各被測件的測試程序進(jìn)行管理成為人機(jī)交互客戶端需要考慮的一個重要方面。設(shè)備驅(qū)動則根據(jù)各測試儀器能夠?qū)崿F(xiàn)的激勵與測量的功能對儀器的各種功能按照特定步驟進(jìn)行固化，并設(shè)置對外的輸入輸出接口。儀器設(shè)備的驅(qū)動能夠根據(jù)測試程序的測試要求對具體設(shè)備進(jìn)行特定的動作，如將激勵數(shù)據(jù)下傳至設(shè)備將測量信息反回給客戶端顯示。

圖2：系統(tǒng)軟件模塊調(diào)用關(guān)系

2.2 人機(jī)交互設(shè)計

自動檢測設(shè)備客戶端軟件用于系統(tǒng)的人機(jī)交互，整個客戶端軟件由ACCESS數(shù)據(jù)庫、TP管理模塊、測試報告管理模塊、用戶權(quán)限管理模塊、測試日志管理模塊等組成。如圖3所示。

ACCESS數(shù)據(jù)庫用于整個系統(tǒng)使用過程中信息的存儲，按存儲的信息分類，ACCESS數(shù)據(jù)庫包含UUT信息表、TP信息表、測試報告信息表、用戶信息表、日志信息表。UUT信息表用于存儲UUT的中文名稱，型號，生產(chǎn)廠家及年月，產(chǎn)品序列號等信息。TP信息表用于存儲各被測件(UUT)的測試程序(TP)及其編制人員，版本號，編寫年月，版本修改說明等信息。測試報告信息表的主要功能是存儲TP運行后生成的測試報告測試時間和對應(yīng)的被測件型號等信息。用戶信息表用于存儲所有可以登錄客戶端軟件的用戶名、用戶密碼、用戶權(quán)限的信息。用戶權(quán)限分為管理員用戶和普通用戶。管理員用戶具備操作客戶端軟件所有功能的權(quán)限，包括添加刪除用戶信息等操作，普通用戶只限于運行TP，查看測試報告和瀏覽客戶端軟件運行日志等操作?？蛻舳塑浖牡卿涍\行等信息則存儲于日志信息表中。

客戶端軟件功能模塊中的TP管理模塊的主要任務(wù)是完成被測件TP的加載運行，UUT目錄信息顯示以目錄樹的形式顯示航空電子系統(tǒng)所有被測件名稱或型號，點擊相應(yīng)的被測件后再點擊TP加載則導(dǎo)入需要的TP。平臺自檢模塊用于TP運行前平臺狀態(tài)的檢查。測試報告管理模塊完成測試報告的查找瀏覽打印等需求。用戶權(quán)限管理模塊對客戶端軟件的使用者進(jìn)行管理，可以添加用戶，刪除用戶，更改用戶密碼和權(quán)限。用戶使用測試日志管理模塊可以瀏覽客戶端軟件以往的運行使用信息，打印報告。

2.3 儀器驅(qū)動設(shè)計

圖3：客戶端軟件結(jié)構(gòu)

圖4：自動檢測設(shè)備外形

自動測試系統(tǒng)在執(zhí)行ATLAS測試程序時是通過ATLAS翻譯器將測試語言翻譯成特定測試儀器的特定能力動作的一個組合，并通過PAWS軟件的RTS服務(wù)器驅(qū)動這些測試儀器來完成實際的動作序列實現(xiàn)測試任務(wù)。在PAWS軟件平臺下，采用兩種儀器驅(qū)動方式：(1)使用MATE CIIL語言(宏語言)，該語言是ATLAS編譯器輸出語言，ATLAS動詞被分解為單動作動詞并映射為一系列的宏調(diào)用，儀器的驅(qū)動通過BIF(Built in Function)完成；(2)使用通用編程語言C/C++，在此情況下，PAWS把宏進(jìn)一步映射為C/C++語言編寫的函數(shù)。

由于各種儀器設(shè)備功能的差異，對儀器設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動開發(fā)需對其功能進(jìn)行準(zhǔn)確描述。通過測試資源能力描述，ATLAS翻譯器才能將測試動作映射到具體的儀器設(shè)備。在儀器進(jìn)行描述之后才能進(jìn)行驅(qū)動程序的開發(fā)。PAWS平臺在開發(fā)測試程序前需開發(fā)設(shè)備庫DDB、開關(guān)庫WDB和適配器庫ITA，其中設(shè)備庫用于對測試資源的能力描述。依據(jù)對設(shè)備的能力描述，開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序生成單個設(shè)備的驅(qū)動程序的包裝文件(WCEM)，該包裝文件與TPS及DDB、WDB、ITA等數(shù)據(jù)文件配合即可驅(qū)動設(shè)備完成測試。

PAWS開發(fā)平臺中使用DDB庫對測試儀器進(jìn)行描述，描述內(nèi)容包含靜態(tài)定義(static definition)和動態(tài)元素(dynamic elements)兩部分。儀器的名稱及量程屬于靜態(tài)定義描述，儀器的各種功能能力則用動態(tài)元素來區(qū)分。具體來將，DDB庫通常按以下5部分進(jìn)行描述。

（1）設(shè)備名稱：區(qū)分儀器的邏輯名稱；

（2）連接端口：設(shè)備連接端口邏輯名稱，與ATLAS測試語句中的端口相對應(yīng)；

（3）功能描述：使用名詞和動詞等關(guān)鍵字描述設(shè)備的單個具體功能；

（4）修飾符范圍：對設(shè)備能力范圍進(jìn)行限定，包括數(shù)值和范圍；

（5）宏動作語句：將ATLAS單動作動詞與設(shè)備數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的宏鏈接起來。如果使用WCEM方式，WCEM向?qū)γ總€設(shè)備調(diào)用的C函數(shù)創(chuàng)建鏈接。

采用WCEM方式開發(fā)驅(qū)動，在對儀器設(shè)備進(jìn)行DDB庫描述建立對應(yīng)該儀器的DDB文件后使用CEM Wizard依據(jù)該DDB庫將自動生成C語言文件的WCEM驅(qū)動程序框架，開發(fā)人員使用自動化儀器設(shè)備的API接口在該框架內(nèi)實現(xiàn)設(shè)備的控制和驅(qū)動。經(jīng)過PAWS開發(fā)平臺編譯鏈接后即可生成與該儀器DDB庫相映射的WCEM.DLL文件。

3 系統(tǒng)平臺設(shè)計

3.1 儀器設(shè)備選型

本文提出的通用檢測設(shè)備平臺儀器主要包括：數(shù)字儀器、開關(guān)資源、電源模塊、射頻儀器、測量儀器等。數(shù)字儀器完成數(shù)字信號的發(fā)送、接收及處理，包括數(shù)字I/O、A/D、D/A、429總線卡、422總線卡、1553B總線卡。開關(guān)資源主要用于為TUA和儀器資源之間提供連接，通過開關(guān)資源實現(xiàn)UUT激勵和測量信號在儀器資源上的匹配，本平臺用到的開關(guān)資源有單刀單擲開關(guān)、C型開關(guān)、多路開關(guān)、矩陣開關(guān)和射頻開關(guān)等。電源模塊提供UUT所需的各種電源，由可編程電源模塊實現(xiàn)。射頻系統(tǒng)完成對雷達(dá)、無線電等的測量，主要設(shè)備有射頻信號發(fā)生器、頻譜分析儀、功率計等。測量儀器對輸入平臺的信號進(jìn)行測量，由數(shù)字多用表、綜測儀、示波器等組成。

3.2 硬件平臺設(shè)計

自動檢測設(shè)備硬件平臺包括主控計算機(jī)、測試資源儀器和各被測件適配器等。主控計算機(jī)的主要功能是運行自動檢測設(shè)備系統(tǒng)軟件，執(zhí)行測試程序，對平臺硬件資源進(jìn)行配置、管理及控制，管理測試過程數(shù)據(jù)。為了保證通用性，測試資源的配置必須滿足所有被測對象的最大需求。測試資源選型時首先選用VXI、PXI或LXI等標(biāo)準(zhǔn)總線類儀器，如無法滿足需求則考慮使用GPIB接口的臺式儀器。平臺各設(shè)備的信號輸入輸出接口通過連線引到平臺ICA上。被測件適配器TUA是被測對象與平臺ICA之間的連接結(jié)構(gòu)，其功能是將各被測對象專屬信號轉(zhuǎn)接成公共接口信號，是被測對象信號的預(yù)處理裝置，以便通過ICA輸送到儀器設(shè)備中，方便自動測試過程的實現(xiàn)。適配器主要由箱體、ITA、內(nèi)部連線和識別電阻組成。箱體采用框架結(jié)構(gòu)，所有面板均可拆卸，便于TUA內(nèi)部組件安裝與維護(hù)。前面板安裝航插接口，用于連接測試電纜，每個接口下方有相應(yīng)的接口標(biāo)識。內(nèi)側(cè)框架上固定可拆卸信號調(diào)理電路板的安裝架。整個TUA前面板航插的針腳通過TUA內(nèi)部連線引到TUA背板ITA上與平臺ICA對接。為了防止在測試時安裝錯誤的TUA和被測件，TUA內(nèi)部加裝識別電阻，TUA識別電阻與被測件的測試程序TP對應(yīng)。TP在設(shè)備不加電的情況下識別出安裝在TUA的識別電阻阻值，如果識別電阻測試不通過則TP跳出運行并給出提示。

考慮資源體積與使用場景的要求，平臺硬件使用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜安裝，如圖4所示。機(jī)柜左、右側(cè)壁開有信號連接口，用于安裝信號連接裝置，實現(xiàn)機(jī)柜間信號連接。由于該套自動檢測設(shè)備兼顧多個型號機(jī)型的測試需求，具有很好的通用性，導(dǎo)致該檢測設(shè)備儀器設(shè)備較多，需使用4個機(jī)柜安裝。機(jī)柜內(nèi)每臺儀器獨立安裝，獨立密封。機(jī)柜內(nèi)儀器的電源和信號集中到Hypertac公司的H系列連接器上，通過電纜在機(jī)柜間連接，最終匯集到ICA上。

4 檢測設(shè)備實例應(yīng)用

圖5：UUT測試對話框及運行結(jié)果

通用自動檢測設(shè)備需要能夠兼顧某型號直升機(jī)各型電子設(shè)備的檢測需求，各電子設(shè)備的測試過程由與其對應(yīng)的單個TP程序完成。檢測設(shè)備對各被測對象(UUT)的TP進(jìn)行管理，其人機(jī)對話窗口如圖5所示。選擇測試對象時可根據(jù)顯示UUT名稱或顯示UUT型號，下方樹狀目錄將顯示各UUT的名稱或型號。在樹狀目錄中選中要測試的UUT，點擊左下角加載按鈕，則該UUT的TP將導(dǎo)入RTS服務(wù)器，TP在RTS中運行時的打印信息將顯示在圖5對話框的測試過程信息顯示框中。如圖6所示是進(jìn)行飛控計算機(jī)測試時，TP打印的測試過程信息。如圖5所示，在自動檢測設(shè)備開啟后進(jìn)行飛控計算機(jī)測試前TP會給出測試前準(zhǔn)備信息，主要工作有安裝TUA連接設(shè)備。在設(shè)備安裝無誤之后，TP開始進(jìn)行飛控計算機(jī)測試。首先TP程序要控制平臺電源給飛控計算機(jī)通電使飛控計算機(jī)進(jìn)入運行狀態(tài)。上電過程中RTS根據(jù)TP中的上電程序代碼從ATLAS設(shè)備庫中分配電源資源并調(diào)用該資源的底層驅(qū)動與平臺電源通訊執(zhí)行對應(yīng)動作。上電之后，通過TP程序中使用萬用表測量飛控計算機(jī)電壓輸出引腳的電壓確定上電是否完成，RTS調(diào)用萬用表資源的過程同調(diào)用電源資源的過程。萬用表測得正常電壓后在測試過程信息中顯示“27V輸入電源正確！”后進(jìn)入后續(xù)與飛控計算機(jī)的握手測試。握手測試過程中，TP驅(qū)動ATE平臺RS422總線仿真卡向飛控計算機(jī)發(fā)送“7F7F7F”命令字，飛控計算機(jī)進(jìn)入維護(hù)測試模式后向外發(fā)送“8A8A8A”狀態(tài)字。TP驅(qū)動平臺RS422總線卡處于偵聽狀態(tài)，當(dāng)接收到飛控計算機(jī)返回的狀態(tài)字后將測試過程信息顯示在測試過程信息顯示界面上。經(jīng)實際使用驗證，該檢測設(shè)備能夠完成某型直升機(jī)所有電子設(shè)備的功能及性能的測試要求。

圖6：UUT測試過程信息

5 結(jié)論

隨著飛機(jī)設(shè)計研發(fā)水平的不斷提高，飛機(jī)上的航空電子功能的不斷增強(qiáng)，對航空電子設(shè)備故障的維修檢測工作提出了更高的要求。研發(fā)高性能的通用自動化航空電子系統(tǒng)綜合檢測設(shè)備是目前飛機(jī)維修保障設(shè)備研制的一個重要方向。本文提出了一種采用PAWS開發(fā)平臺使用ATLAS測試語言的綜合檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件使用VXI總線、GPIB總線和1553B總線等多種總線自動化儀器集成，在PAWS平臺下使用各自動化儀器提供的API接口函數(shù)對各儀器的功能進(jìn)行再次驅(qū)動封裝，使各儀器能夠適應(yīng)ATLAS測試程序的測試動作要求。經(jīng)過某型號飛機(jī)的實際使用驗證，該設(shè)備用于此型號飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的維修保障可提高航空電子設(shè)備故障檢測的自動化水平和故障檢測隔離率。