一種通用航空測試儀的設(shè)計方法

秦碩

（1.空軍航空維修技術(shù)學院，湖南長沙，410200；2.湖南省飛機維修工程技術(shù)研究中心，湖南長沙，410200）

0 引言

采用航空測試儀器對機載設(shè)備進行維修和測試，是確保飛行安全的重要環(huán)節(jié)和舉措[1-2]。目前航空測試儀很多采用NI 公司的PXI、NXI 等測試總線，該總線結(jié)構(gòu)硬件測試資源豐富，但是產(chǎn)品成本較高。本文基于嵌入式技術(shù)，提出了一種分布式低成本的通用航空測試設(shè)備結(jié)構(gòu)，設(shè)計了信號分配主板、功能電路板等，大大降低了測試儀器的成本、減小了設(shè)備體積。

1 設(shè)計需求分析

在航空測試系統(tǒng)中，對一個機載設(shè)備進行功能檢查，通常需要模擬該系統(tǒng)的電氣工作環(huán)境和條件，并且需要對系統(tǒng)的輸出信號進行檢測，從而判斷機載設(shè)備的性能[3-4]。對于飛行控制系統(tǒng)的檢測，要模擬慣導系統(tǒng)向飛控系統(tǒng)提供飛機的航向角、飛機的位置、飛機偏離預定航線的距離等信號；要模擬大氣機向飛控系統(tǒng)提供的飛機高度、速度等信號；要模擬航姿系統(tǒng)向飛機提供的飛機滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和航向角等信號。這些信號通常以各種電壓、電流、同步器或總線形式傳送，測試儀器需要能夠?qū)S422、ARINC429 和1553B 等各種通訊接口進行測試、產(chǎn)生被測設(shè)備需要的電流信號、電壓信號、角度信號，同時對被測設(shè)備輸出的電壓、電流、開關(guān)指令、總線信號等進行檢測。

2 測試儀總體結(jié)構(gòu)

由于航空測試需求復雜，很多檢測儀器都是針對被測設(shè)備專門設(shè)計，每一臺測試儀器滿足一個被測設(shè)備的測試需求，導致航空測試儀種類多、數(shù)量大，通用性和擴展性不強。針對以上問題，提出了一種模塊化的航空測試儀設(shè)計思想：功能劃分模塊化、通訊接口標準化、供電接口統(tǒng)一化。在模塊化設(shè)計思想指導下，航空測試儀電路結(jié)構(gòu)由底板，控制板、多個功能板和電源模塊等組成。底板負責向各板卡供電和進行信號分配，功能板在控制板的控制下產(chǎn)生各種測試信號。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 測試設(shè)備電路板安裝示意和實物圖

圖1 中，左邊是示意圖，右邊是實物圖。航空測試儀機箱內(nèi)部包含CPU 控制板、底板、各功能板卡（通訊板卡、繼電器板卡和模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡等），各板卡通過96 針高密插座安裝在底板上，底板通過96 針高密插座向各功能板和控制板提供電源和控制信號。該電路結(jié)構(gòu)可以根據(jù)不同的測試需求，更換測試功能板，從而實現(xiàn)航空測試設(shè)備的快速開發(fā)、系統(tǒng)升級。采用該方法實現(xiàn)了測試儀的可擴展性，可根據(jù)實際情況和測試需要增加、減少功能板卡。當測試儀器出現(xiàn)故障時，只需要更換相應(yīng)的板卡，極大地提高了設(shè)備的維護性。

3 硬件電路設(shè)計

■3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出硬件電路的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 中，下位機控制板負責和上位機通訊，接收控制命令，并將交互式信息發(fā)送至底板；底板信息包括CAN 總線（負責和各功能板上的CPU 板通訊）、電源線和GPIO地址線、數(shù)據(jù)線，這些信號通過96 針高密插座和各功能板連接，控制板通過設(shè)定的地址區(qū)別各功能板，通過數(shù)據(jù)線向各功能板發(fā)送控制指令，或接收來自功能板的信號；各功能板對控制板發(fā)送的地址信號進行譯碼，從而接收對應(yīng)的控制指令和數(shù)據(jù)信號，并對控制指令進行響應(yīng)，對數(shù)據(jù)信號進行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，或?qū)⒉杉男盘栟D(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送回控制板。功能板包括STM 單片機小系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的485 接口、422 接口通訊板、模擬量輸入輸出板、以及由FPGA 譯碼電路構(gòu)成的干觸點輸入輸出板等。該電路結(jié)構(gòu)能夠很容易的實現(xiàn)功能擴展和模塊化設(shè)計。

■3.2 內(nèi)部信號接口電路

功能板和底板的通訊接口電路接口形式為96 針高密插座。包含總線信號、數(shù)字信號和供電電源，信號分配如圖3所示。

圖3 內(nèi)部信號接口電路圖

圖3 是各功能電路板和底板通訊接口模塊，圖中JIN1插座上包含了CAN 總線信號、電源信號和GPIO 信號，其中GPIO 信號包含地址總線和數(shù)據(jù)總線，由D1 至D24 構(gòu)成，將D1 至D8 分配為地址線，D9 至D24 設(shè)為數(shù)據(jù)線，通過功能板上的FPGA 對地址線進行譯碼，確定每個命令發(fā)送對象，通過數(shù)據(jù)線確認命令內(nèi)容。避免了直接采用GPIO 引腳去控制繼電器和電流信號的產(chǎn)生芯片，將面臨引腳難以分配和編程的混亂，且占用GPIO 引腳過多。信號接口的標準化，對于設(shè)備的擴展和模塊化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

4 軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件包括上位機測試程序和硬件底層驅(qū)動程序，上位機測試程序提供人機測試軟件界面和系統(tǒng)控制功能包程序塊等，硬件底層驅(qū)動程序包括422/485 通訊模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)自監(jiān)測保護等。測試軟件流程圖如圖4所示。

圖4 測試軟件流程圖

上位機人機界面程序運行后，通過選擇測試功能，發(fā)送相應(yīng)的測試信號，比如選擇RS422 通訊測試，進入通訊測試界面，下位機接收控制指令，向相關(guān)功能板卡發(fā)送控制指令和接收傳回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行顯示。上位機測試軟件DEMO 界面如圖5 所示。

圖5 測試儀主界面示意圖

圖5 是一種航空測試儀的軟件界面，包含使能控制模塊、警告燈狀態(tài)模塊、總線信息顯示模塊等。其中使能控制按鈕，按下狀態(tài)表示使能信號輸出，此時該按鈕為綠色，沒有輸出為紅色。告警燈信號表示輸入開關(guān)量信號，當有輸入信號時，該燈變?yōu)榧t色?？偩€信息顯示框，顯示422 或232 等數(shù)據(jù)總線接收和需要發(fā)送的信息。

上位機、測試儀器和被測設(shè)備，通過測試電纜連接，接通測試儀和被測設(shè)備電源，啟動上位機進入計算機控制軟件，開始測試，連接關(guān)系如圖6 所示。

圖6 測試連接示意圖

5 總結(jié)

提出了一種分布式通用航空測試儀的設(shè)計方法。設(shè)計了集中供電和信號分配的底板，統(tǒng)一和規(guī)范了控制板、底板和功能板卡的電氣接口，實現(xiàn)了航空測試儀的模塊化、通用化和可擴展設(shè)計；通過基于虛擬儀器的軟件設(shè)計方法，設(shè)計了某航空測試儀上位機的測試軟件界面；采用FPGA 和ARM 相結(jié)合的方式，設(shè)計了功能板卡的核心電路，并采用MDK5 等開發(fā)環(huán)境開發(fā)了底層硬件驅(qū)動。該設(shè)計方法降低了測試儀的硬件開發(fā)難度和成本，提高了測試儀的可靠性和可維護性。