機(jī)載顯示器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)研究

劉學(xué)文，黎映相，張偉

（長(zhǎng)沙湘計(jì)海盾科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410008）

0 引言

對(duì)敵信息感知能力是影響機(jī)戰(zhàn)斗力強(qiáng)弱的重要因素。機(jī)載顯示器能夠?qū)⒋罅繌?fù)雜融合的空間信息，實(shí)時(shí)的顯示給飛行員，并可以通過觸摸或者按鍵形式向飛行員的操作反饋給相應(yīng)的飛行控制系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)、火控系統(tǒng)等?？蔀橥瓿娠w行訓(xùn)練及作戰(zhàn)任務(wù)提供決策依據(jù)和各種飛行信息，使飛行員能夠迅速地作出決策操作。因此機(jī)載顯示器在飛機(jī)的人機(jī)交互中占據(jù)著越來越重要的地位[2]。

為了保證機(jī)載顯示器的可靠性需要在生產(chǎn)使用和維修等生命周期中對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，確保其功能正常，避免飛行事故[3]。隨著大屏顯示技術(shù)的發(fā)展以及各種視頻通訊總線的升級(jí)，機(jī)載顯示器的自動(dòng)化程度和集成度也越來越高，技術(shù)復(fù)雜度也不斷提升，人工對(duì)其硬件信號(hào)和軟件協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，顯得越來越難以為繼[4]。為有效提升測(cè)試能力，采用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)代替人工測(cè)試是大勢(shì)所趨。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)載顯示器的自動(dòng)化系統(tǒng)包含一個(gè)基于FPGA的視頻信號(hào)源，一臺(tái)光學(xué)測(cè)量?jī)x器，以及程控電源以及加固計(jì)算機(jī)主機(jī)。該系統(tǒng)通過主機(jī)控制多個(gè)儀器設(shè)備來對(duì)顯示器進(jìn)行全面的功能性能測(cè)試，并可通過上位機(jī)程序來自動(dòng)化記錄分析測(cè)試數(shù)據(jù)，生產(chǎn)測(cè)試報(bào)表，極大降低維護(hù)人員的工作量。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

一體機(jī)用于上位機(jī)控制，在機(jī)箱中除CPCI計(jì)算主板、視頻驅(qū)動(dòng)板、電源板和一塊定制的Z7-FPGA視頻輸出源。

由上位機(jī)通過通信端口控制Z7模塊、顯示模塊、顏色分析儀以及程控電源。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)整體框架圖

1.1 視頻源

該信號(hào)源基于ZYNQ-7000技術(shù)平臺(tái)，使用專用的圖像IP核，來為顯示屏提供TTL格式的視頻信號(hào)源。可輸出設(shè)定的白屏、黑屏、定制化灰度圖、彩虹圖等畫面，并可設(shè)定其規(guī)定的分辨率數(shù)據(jù)。

1.2 色彩分析儀

采用Klein色彩分析儀來進(jìn)行色彩信息分析，通過其開放的SDK包來在線讀取顯示屏的色坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再計(jì)算出顯示屏的顯示參數(shù)。色彩分析儀通過USB接口與主機(jī)通訊。

1.3 控制主機(jī)

加固式一體機(jī)作為上位機(jī)，可輸出控制信號(hào)控制被測(cè)件的亮度調(diào)節(jié)、晝夜模式、風(fēng)扇通斷，可讀取亮度溫度數(shù)據(jù)。

控制主機(jī)通過以太網(wǎng)、RS232接口以及USB接口來實(shí)現(xiàn)對(duì)程控電源、視頻信號(hào)源、色彩分析儀的控制。

1.4 程控電源

IT6322程控電源為被測(cè)顯示模塊提供電源，通過上位機(jī)總線讀取和設(shè)置顯示模塊的工作電壓和工作電流，并可對(duì)顯示模塊的電源輸入范圍進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)試。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

軟件程序基于Labview開發(fā)，本程序采用了事件觸發(fā)與狀態(tài)機(jī)結(jié)合的技術(shù)框架。

測(cè)試系統(tǒng)中的設(shè)備自檢、顏色分析與計(jì)算、通信協(xié)議驗(yàn)證、程控電源控制等各子系統(tǒng)分別由子VI負(fù)責(zé)。將各子系統(tǒng)有效隔離，保障了程序的健壯性和可讀性。

通過將狀態(tài)機(jī)自動(dòng)調(diào)取與人工操作結(jié)合，平衡了軟件處理性能與人性化操作，開發(fā)出一套高效的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

圖2 程序主界面

2.2 視頻源通信協(xié)議

服務(wù)器端上電啟動(dòng)，連接的建立，保證一直處于偵聽狀態(tài)，主機(jī)上電后啟動(dòng)測(cè)試軟件，與服務(wù)端建立連接。測(cè)試軟件退出時(shí)，關(guān)閉連接。 連接通訊消息格式固定為1個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，內(nèi)容為命令字。命令字列表如表1所示。

表1 通訊協(xié)議

53 06 800*600 Black Picture 53 07 800*600 Gray Picture 53 08 800*600 Flicker Picture

2.3 色域覆蓋率計(jì)算

色域覆蓋率為CIE 1976色空間y坐標(biāo)色系度圖上，三基色（R、G、B）色度點(diǎn)組成的三角形色域面積S，與BT2020標(biāo)準(zhǔn)色域軌跡面積（0.1118）的百分比C。

由視頻源輸出100%紅場(chǎng)、100%綠場(chǎng)、100%藍(lán)場(chǎng)、用光學(xué)分析儀依次測(cè)量可視區(qū)域中央位置的色度坐標(biāo)（u′r，v′r）、（u′g，v′g）、（u′b，v′b）。

采用以下公式計(jì)算三色色域面積S及色域覆蓋率C：

2.4 亮度均勻性計(jì)算

主機(jī)軟件下發(fā)控制指令輸出白場(chǎng)圖像，同時(shí)由光學(xué)分析儀采集屏幕上的九個(gè)點(diǎn)的亮度值，軟件根據(jù)計(jì)算公式來計(jì)算出亮度均勻性。

技術(shù)要求：加固型顯示器的亮度均勻性應(yīng)不低于技術(shù)協(xié)議或設(shè)計(jì)文檔的規(guī)定。

測(cè)試方法：顯示器亮度非均勻性的測(cè)量應(yīng)在顯示器至少工作15min后進(jìn)行。將加固型顯示器的亮度調(diào)節(jié)至最亮，選擇純白色畫面，在暗室中使用亮度計(jì)或K10彩色分析儀分別測(cè)量圖4中P0、P2、P4、P6、P8各點(diǎn)的亮度（或者P0 ～P8各點(diǎn)的亮度），按公式（1）計(jì)算亮度非均勻性。

圖3 測(cè)試定位圖（V——有效顯示區(qū)域的高度；H——有效顯示區(qū)域的寬度。）

圖4 色域測(cè)試圖

式中：

LNU——亮度非均勻性，無量綱；

Li——Pi(i=0,2,4,6,8或i=0,1,2,3,4,5,6,7,8)各點(diǎn)的亮度，單位為cd/m2；

Lav——Li(i=0,2,4,6,8或i=0,1,2,3,4,5,6,7,8)的平均值，單位為cd/m2。

亮度均勻性=1-LNU

合格判據(jù)：加固型顯示器的亮度均勻性應(yīng)不低于技術(shù)協(xié)議或設(shè)計(jì)文檔的規(guī)定。

3 測(cè)試流程

3.1 顯示效果測(cè)試

軟件可為不同型號(hào)的顯示屏提供白場(chǎng)、黑場(chǎng)、紅場(chǎng)、綠場(chǎng)、藍(lán)場(chǎng)進(jìn)行純色圖像測(cè)試。并輸出彩虹圖像、256級(jí)灰度圖像。

由人工檢查圖像顯示是否正常。正常時(shí)在彈出的檢測(cè)結(jié)果中點(diǎn)擊通過，否則不通過。

顯示屏的色域參數(shù)與色溫參數(shù)值由后臺(tái)設(shè)定正常區(qū)間，程序檢測(cè)測(cè)量值在正常區(qū)間時(shí)判定測(cè)試通過，否則不通過。

圖5 色溫測(cè)試圖

上位機(jī)程序控制視頻信號(hào)源自動(dòng)輸出白場(chǎng)和黑場(chǎng)圖像，光學(xué)分析儀分別采集其白場(chǎng)和黑場(chǎng)亮度數(shù)值，由此計(jì)算出顯示器的對(duì)比度值，并與后臺(tái)設(shè)置的對(duì)比度值進(jìn)行對(duì)比，如在正常范圍內(nèi)，判定測(cè)試通過，否則不通過。

3.2 通信協(xié)議測(cè)試

產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)通訊協(xié)議通常會(huì)有所變化，為了兼容不同版本的協(xié)議測(cè)試，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了柔性化通訊協(xié)議測(cè)試框架，通過文本化方式編寫測(cè)試用例，再導(dǎo)入到測(cè)試程序中來進(jìn)行自動(dòng)化執(zhí)行，并提供了手動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目來進(jìn)行單步調(diào)試，輔助檢測(cè)人員或研發(fā)人員可通過該方式來快速定位問題，方便故障分析。

圖6 通信協(xié)議測(cè)試

3.3 電源供電測(cè)試

上位機(jī)通過總線來對(duì)程控電源進(jìn)行控制，拉偏程控電源的輸出范圍，并電源拉偏過程中，對(duì)其基本功能進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，驗(yàn)證電源工作性能。

系統(tǒng)還可對(duì)程控電源的功率值進(jìn)行讀取，判定被測(cè)顯示器的電源功耗是否正常。電源功耗與后臺(tái)設(shè)置的正常值范圍進(jìn)行比較，如在正常值范圍內(nèi)判定通過，否則不通過。

3.4 測(cè)試報(bào)告生成

測(cè)試系統(tǒng)在調(diào)用LabVIEW Report Generation的函數(shù)API向word/Excel報(bào)告模板中插入測(cè)試信息、測(cè)試結(jié)果等信息，并且支持生成PDF文件或者連接打印機(jī)打印測(cè)試報(bào)告。

本測(cè)試系統(tǒng)還可以依據(jù)客戶的定制化模板來生成測(cè)試報(bào)告。系統(tǒng)程序支持測(cè)試人、測(cè)試時(shí)間、被測(cè)設(shè)備型號(hào)及名稱、產(chǎn)品序列號(hào)碼、產(chǎn)品硬件軟件版本號(hào)等信息的錄入和讀取，并具有報(bào)告的保存、導(dǎo)出和打印功能。

4 結(jié)論

本文開發(fā)的機(jī)載顯示器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，主要特點(diǎn)如下：基于FPGA的視頻信號(hào)源，具備可定制化輸出圖像信號(hào)的功能，并可輸出非標(biāo)顯示頻率，可作為未來異形顯示圖像的驅(qū)動(dòng)源；通過對(duì)光學(xué)分析儀的一系列自動(dòng)化處理，有效加快了顯示屏顏色分析測(cè)量效率，為專業(yè)修理工廠的液晶屏幕性能測(cè)量能力提供了良好的支撐；通過對(duì)顯示模塊的通訊功能模塊需求進(jìn)行分析后，開發(fā)出了全自動(dòng)的控制驗(yàn)證邏輯，對(duì)顯示屏控制功能進(jìn)行了全方位測(cè)試。

通過對(duì)顯示與控制產(chǎn)品線的測(cè)試與自動(dòng)化實(shí)踐，該自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)將需要人工測(cè)試一天以上的工作量，壓縮到10分鐘以內(nèi)。系統(tǒng)良好的軟件框架可作為航空顯示與控制終端的通用測(cè)試平臺(tái)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。