一種無(wú)線(xiàn)電高度表試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)研究

鄧向俊，田裕鵬

（1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210000；2.成都國(guó)營(yíng)錦江機(jī)器廠，四川 成都 610041）

無(wú)線(xiàn)電高度表通過(guò)測(cè)量無(wú)線(xiàn)電波從飛機(jī)發(fā)射到地面，再由地面返回飛機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間，經(jīng)一系列計(jì)算，實(shí)時(shí)測(cè)算飛機(jī)對(duì)地高度，并將測(cè)算的高度信息傳送至綜合任務(wù)系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備作為重要參數(shù)使用，在飛機(jī)處于低高度時(shí)作用格外明顯。在直升機(jī)整機(jī)定期檢測(cè)維修時(shí)，重要機(jī)載設(shè)備的常規(guī)性能檢測(cè)有助于提高整機(jī)安全系數(shù)，因此，設(shè)計(jì)研制對(duì)應(yīng)型號(hào)無(wú)線(xiàn)電高度表試驗(yàn)器，有利于及時(shí)有效診斷該型產(chǎn)品性能，及時(shí)排除故障，提高產(chǎn)品可靠性[1]，保障飛行安全。

當(dāng)前直升機(jī)維修工廠常用的無(wú)線(xiàn)電高度表檢測(cè)設(shè)備分為手動(dòng)測(cè)試設(shè)備和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備兩種，手動(dòng)測(cè)試設(shè)備存在接線(xiàn)、操作復(fù)雜，接口損耗大等缺陷；自動(dòng)測(cè)試設(shè)備存在模擬高度準(zhǔn)確度不高、測(cè)試靈活性低等缺陷；兩者都存在測(cè)試數(shù)據(jù)分散、難以系統(tǒng)分析的問(wèn)題。本文以某型連續(xù)波調(diào)頻體制無(wú)線(xiàn)電高度表為測(cè)試目標(biāo)，運(yùn)用自動(dòng)測(cè)控和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，設(shè)計(jì)研究一種測(cè)試精度高、效率高，具備在線(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析功能的無(wú)線(xiàn)電高度表試驗(yàn)器。

1 系統(tǒng)功能及工作原理

某型無(wú)線(xiàn)電高度表系統(tǒng)（含無(wú)線(xiàn)電高度表收發(fā)機(jī)、接收天線(xiàn)、發(fā)射天線(xiàn)、電纜）裝配于某新型直升機(jī)，采用連續(xù)波調(diào)頻恒定差拍頻率體制，該型無(wú)線(xiàn)電高度表收發(fā)機(jī)由射頻組件、轉(zhuǎn)接板、低頻放大器板和低頻處理器板組成，以微處理器為中心，完成射頻電路和低頻伺服環(huán)路的監(jiān)控、校準(zhǔn)、高度參數(shù)的測(cè)量和輸出，是無(wú)線(xiàn)電高度表系統(tǒng)的核心。

1.1 系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)該型無(wú)線(xiàn)電高度表試驗(yàn)器，能模擬地面及飛行狀態(tài)給定無(wú)線(xiàn)電高度表相關(guān)信號(hào)，測(cè)試無(wú)線(xiàn)電高度表消耗電流、高度有效與靈敏度、模擬高度輸出信號(hào)、測(cè)高精度、自檢功能、中心頻率、發(fā)射功率、零高度校準(zhǔn)功能等各項(xiàng)性能參數(shù)[2]，將測(cè)試數(shù)據(jù)保存，建立數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)歷次數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷產(chǎn)品故障點(diǎn)，輔助排除故障。

1.2 工作原理

根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目及實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)試驗(yàn)器由電源箱、工控機(jī)、接口適配器、射頻同軸開(kāi)關(guān)、衰減器和頻譜儀、微波功率計(jì)等組成。系統(tǒng)上電后，測(cè)試高度值及靈敏度等性能時(shí)，無(wú)線(xiàn)電高度表通過(guò)發(fā)射接口向外部發(fā)射射頻信號(hào)，由工控機(jī)[3]控制射頻同軸開(kāi)關(guān)選擇指定高度的延遲線(xiàn)，模擬某一飛行高度，信號(hào)經(jīng)衰減器衰減后傳輸回?zé)o線(xiàn)電高度表收發(fā)機(jī)接收端；測(cè)試頻率及發(fā)射功率時(shí)則由工控機(jī)控制射頻同軸開(kāi)關(guān)接通頻譜儀或微波功率計(jì)，并控制這兩臺(tái)儀器。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化、綜合化的設(shè)計(jì)思想，最大限度模擬高空環(huán)境，降低信號(hào)損耗，提高測(cè)試精度和測(cè)試效率，同時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輔助完成故障定位和故障隔離。

試驗(yàn)器內(nèi)部集成由ARINC429板卡、數(shù)字電壓模塊、頻譜儀、微波功率計(jì)、衰減器、延遲線(xiàn)和電源系統(tǒng)，以及對(duì)所有資源信號(hào)進(jìn)行適配的接口適配器構(gòu)成。電源系統(tǒng)用于為整個(gè)設(shè)備及被測(cè)件供電；以工控機(jī)、ARINC429板卡、頻譜儀、功率計(jì)、衰減器等為主要部件的控制系統(tǒng)是試驗(yàn)器測(cè)試的核心硬件，控制系統(tǒng)為整個(gè)試驗(yàn)器測(cè)試平臺(tái)提供測(cè)試資源，并且對(duì)測(cè)試資源進(jìn)行控制；接口適配器是測(cè)試資源與收發(fā)機(jī)之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試資源的引入、切換、分配和轉(zhuǎn)接等功能。

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、ARINC429板卡、頻譜儀、微波功率計(jì)、數(shù)字電壓模塊、同軸射頻開(kāi)關(guān)、顯示器、鍵鼠等部分組成。

系統(tǒng)通過(guò)連接器與接口適配器連接，實(shí)現(xiàn)與被測(cè)件的數(shù)據(jù)交互；通過(guò)ARINC429板卡讀取被測(cè)件429總線(xiàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與被測(cè)件之間總線(xiàn)交互。射頻模塊采用微波延遲線(xiàn)，模擬直升機(jī)產(chǎn)生四個(gè)固定高度。同軸射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)試、功率測(cè)試、高度測(cè)試、靈敏度測(cè)試的自由切換。數(shù)字電壓模塊監(jiān)控系統(tǒng)工作電壓，超壓告警。微波功率計(jì)通過(guò)USB與工控機(jī)進(jìn)行通信，測(cè)試發(fā)射功率；頻譜儀通過(guò)RS232接口與工控機(jī)進(jìn)行通信，測(cè)試工作頻率和帶寬。交聯(lián)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)交聯(lián)圖

2.2 接口適配設(shè)計(jì)

接口適配器主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分配以及和被測(cè)部件的連接，由繼電器矩陣進(jìn)行信號(hào)的切換和轉(zhuǎn)接不同的通道，還可以實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)的采集和控制電源的功能，設(shè)計(jì)測(cè)試接口用于設(shè)備計(jì)量和調(diào)試。

接口適配器主要由繼電器矩陣板以及測(cè)試連接器等組成，繼電器矩陣板為所有信號(hào)通道、電源、采集進(jìn)行切換，適配器與無(wú)線(xiàn)電高度表收發(fā)機(jī)連接，在所需通道數(shù)的基礎(chǔ)上作出一定預(yù)留，各個(gè)通道數(shù)量如表1。

表1 測(cè)試通道數(shù)量表

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊主要是為試驗(yàn)器提供交流220 V、直流28 V電源，以及提供過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、電壓電流指示等功能。電源系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)電源模塊、數(shù)顯電壓表、數(shù)顯電流表、空氣開(kāi)關(guān)、自鎖連接器等部件組成，總開(kāi)關(guān)控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電源通斷，數(shù)顯電壓表、數(shù)顯電流表實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)的電壓和電流，保險(xiǎn)管在過(guò)流、短路時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)。

設(shè)備各種電源都是由220 V交流電源轉(zhuǎn)換而來(lái)，28 V直流供電由開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換得到，輸出電流為5 A。220 V市電接入后首先利用保險(xiǎn)管與空氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)流、短路的保護(hù)，再通過(guò)濾波器減少EMI干擾，通過(guò)電源開(kāi)關(guān)提供整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電源，28 V控制電源模塊將交流220 V轉(zhuǎn)換成直流28 V，連接到接口適配器，220 V也供給各個(gè)儀器、工控機(jī)、顯示屏等設(shè)備。如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是無(wú)線(xiàn)電高度表收發(fā)機(jī)試驗(yàn)器的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)控制試驗(yàn)設(shè)備信號(hào)激勵(lì)器采集測(cè)試信號(hào)、監(jiān)控總線(xiàn)信號(hào)、仿真總線(xiàn)信號(hào)和測(cè)試數(shù)據(jù)后期處理等功能。軟件設(shè)計(jì)上采用框架式的測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)、模塊化的獨(dú)立功能封裝，通過(guò)執(zhí)行測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試流程控制、參數(shù)測(cè)試、信號(hào)監(jiān)控與仿真、數(shù)據(jù)分析和處理。

3.1 設(shè)計(jì)思想

功能上，測(cè)試軟件分為四個(gè)層次，分別是應(yīng)用管理層、應(yīng)用執(zhí)行層、應(yīng)用服務(wù)層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)邮且话阋饬x下的應(yīng)用程序編程接口API，各測(cè)試平臺(tái)根據(jù)配置硬件不同，對(duì)本層進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)的按類(lèi)綜合，如硬件資源管理器服務(wù)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)操作、故障診斷、人工引導(dǎo)探針驅(qū)動(dòng)、公用數(shù)據(jù)處理算法等，形成即插即用的軟構(gòu)件。應(yīng)用執(zhí)行層由一系列的可執(zhí)行的應(yīng)用程序組成，實(shí)現(xiàn)軟件框架的各項(xiàng)功能。應(yīng)用管理層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的管理與任務(wù)調(diào)度。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)部分

數(shù)據(jù)庫(kù)包含四類(lèi)：用戶(hù)相關(guān)表、系統(tǒng)配置相關(guān)表、系統(tǒng)維護(hù)相關(guān)表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)表，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

（1）用戶(hù)相關(guān)表包括測(cè)試系統(tǒng)軟件所有的用戶(hù)信息及分配的權(quán)限；

（2）系統(tǒng)配置相關(guān)表包含硬件參數(shù)配置表、測(cè)試參數(shù)配置表和系統(tǒng)參數(shù)配置表，這些表對(duì)應(yīng)配置系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的硬件的相關(guān)參數(shù)、配置系統(tǒng)測(cè)試流程的相關(guān)參數(shù)和測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行的基本參數(shù)；

（3）系統(tǒng)維護(hù)相關(guān)表涵蓋系統(tǒng)維護(hù)的相關(guān)配置參數(shù)，保障了設(shè)備的穩(wěn)定和測(cè)試精度；

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)表分為歷史測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)表、詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表和系統(tǒng)日志表。歷史測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)表記錄所有的測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)；詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)歷史測(cè)試報(bào)告數(shù)據(jù)表，記錄所有的歷史測(cè)試數(shù)據(jù)；系統(tǒng)日志表以天為單位記錄軟件的使用信息。

3.3 應(yīng)用軟件部分

應(yīng)用軟件分成測(cè)試運(yùn)行、數(shù)據(jù)管理、用戶(hù)管理、系統(tǒng)維護(hù)、幫助5個(gè)部分，結(jié)構(gòu)如圖5所示。數(shù)據(jù)管理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)操作組件和數(shù)據(jù)導(dǎo)出組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)分析等功能，向用戶(hù)提供文檔形式的幫助信息。

圖5 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

其中數(shù)據(jù)分析部分具備自動(dòng)學(xué)習(xí)能力，初始狀態(tài)對(duì)實(shí)測(cè)值與理想值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)超出理想值范圍的數(shù)據(jù)，根據(jù)無(wú)線(xiàn)電高度表收發(fā)機(jī)工作原理給出可能的故障部位（多定位到模塊級(jí)），在后期無(wú)線(xiàn)電高度表維護(hù)修理過(guò)程中不斷錄入實(shí)際故障部位，定位到元器件級(jí)，數(shù)據(jù)分析時(shí)向用戶(hù)提供歷史故障信息，便于提高故障排除效率。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用一套機(jī)上性能良好的某型無(wú)線(xiàn)電高度表與該試驗(yàn)器連接，按測(cè)試軟件操作界面提示進(jìn)行操作，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果顯示各項(xiàng)性能合格。測(cè)試記錄見(jiàn)表2。

表2 某件無(wú)線(xiàn)電高度表測(cè)試記錄

另將一套機(jī)上無(wú)高度輸出的無(wú)線(xiàn)電高度表與該試驗(yàn)器連接，試驗(yàn)顯示無(wú)線(xiàn)電高度表故障，提示可能為低頻放大器板故障。經(jīng)驗(yàn)證，實(shí)際確實(shí)為低頻放大器板故障，試驗(yàn)器為排除故障較好地縮小了排查范圍。

5 結(jié)論

通過(guò)上位機(jī)控制同軸開(kāi)關(guān)選擇不同高度的模擬延遲線(xiàn)、控制頻譜儀測(cè)試射頻頻率及帶寬、控制功率計(jì)測(cè)試發(fā)射功率、與429總線(xiàn)通信讀取總線(xiàn)信號(hào)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)電高度表各項(xiàng)性能的檢測(cè)，并能提高測(cè)試效率。定期校準(zhǔn)延遲線(xiàn)，可提高測(cè)試精度。通過(guò)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，輔助故障定位，提高修理效率和修理深度，對(duì)航空維修企業(yè)具有重要意義。