基于VXI 總線的飛行器綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉永安，劉建平，歐 軍，黃 濤

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和軍事需求的不斷變化，飛行器技術(shù)已經(jīng)向著高速、智能、隱身、信息化等方向快速發(fā)展[1]。近幾十年來(lái)，世界各軍事大國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展自己的武器系統(tǒng)，我國(guó)飛行器技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中，持續(xù)跟蹤世界軍事前沿科技、瞄準(zhǔn)先進(jìn)技術(shù)，不斷向數(shù)字化、系列化、多模制導(dǎo)方式等方向發(fā)展。

針對(duì)武器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化的飛行器綜合測(cè)試系統(tǒng)十分必要。文中設(shè)計(jì)了一型基于VXI 總線標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備，采用了VXI 儀器資源模塊，構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)；利用VXI 通訊模塊與外部測(cè)試組件進(jìn)行信息控制；建立了開(kāi)放性良好的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)， 進(jìn)行硬件資源調(diào)度和數(shù)據(jù)流控制。實(shí)現(xiàn)了飛行器分系統(tǒng)單元測(cè)試、綜合測(cè)試，達(dá)到了對(duì)飛行器的功能、性能指標(biāo)進(jìn)行全面檢測(cè)的目標(biāo)。

1 測(cè)試需求分析

飛行器總裝完成之后，需要對(duì)其功能、性能進(jìn)行全面檢查、測(cè)試，基本的測(cè)試需求如下：

1） 產(chǎn)品直流供電及電源控制、供電電流和電壓測(cè)量；

2） 對(duì)產(chǎn)品上產(chǎn)生的模擬量進(jìn)行采集、處理；

3） 信號(hào)或線路的通斷控制、開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換控制；

4） 進(jìn)行電阻、電壓測(cè)量；

5） 與綜合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行1553B 總線通訊和RS422串口通訊。

對(duì)以上需求進(jìn)行分析可知，主要存在直流供電控制、模擬量采集、開(kāi)關(guān)量控制、RS422 串口通訊、1553B總線通訊等測(cè)試需求。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛行器綜合測(cè)試系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件、測(cè)試軟件兩大部分組成。測(cè)試系統(tǒng)硬件主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品供電、數(shù)據(jù)采集、串口通訊等功能。

測(cè)試軟件是綜合測(cè)試設(shè)備的核心，測(cè)試設(shè)備通過(guò)測(cè)試軟件調(diào)度測(cè)試資源、運(yùn)行測(cè)試流程，完成產(chǎn)品測(cè)試任務(wù)；保存測(cè)試數(shù)據(jù)向用戶提供數(shù)據(jù)可視化服務(wù)，便于開(kāi)展測(cè)試數(shù)據(jù)分析和故障定位。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)硬件部分包括VXI 測(cè)控平臺(tái)、產(chǎn)品測(cè)試電纜等。

2.1.1 VXI 測(cè)控平臺(tái)

VXI 測(cè)控平臺(tái)包括主控計(jì)算機(jī)、VXI 儀器資源模塊、直流電源組合、接口適配器。主控計(jì)算機(jī)通過(guò)1394 接口與VXI 儀器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)VXI 儀器模塊的控制與管理、資源調(diào)度。通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)與程控直流電源進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)直流電源的輸出控制，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與外置打印機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果、記錄的打印輸出。

VXI 儀器模塊的功能為：數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)離散量、模擬量數(shù)據(jù)采集；開(kāi)關(guān)量控制模塊負(fù)責(zé)離散量輸出、電源通斷控制；1553B 通訊模塊負(fù)責(zé)與被測(cè)產(chǎn)品的1553B 通訊；串口通訊模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行RS422 串行通訊。

采用程控直流電源向被測(cè)產(chǎn)品供電，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口分別控制程控直流電源。

系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試電纜與被測(cè)產(chǎn)品連接，兩者之間的信號(hào)通過(guò)接口適配器進(jìn)行轉(zhuǎn)接與調(diào)理。VXI 測(cè)控平臺(tái)各部件連接關(guān)系如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1） 模擬量采集

產(chǎn)品上的電信號(hào)中，包含了較多的模擬量，主要有供電電壓、二次電源電壓、解保信號(hào)等5V、15V、27V模擬量信號(hào)。 此類信號(hào)多為低頻信號(hào)，因此采用VXI 總線數(shù)據(jù)掃描采集模塊。該模塊為高分辨率、32 通道數(shù)據(jù)掃描采集的VXI 儀器模塊，電壓輸入范圍為-10V～+10V，具有100kHz 的采樣頻率、16-bit 的AD 分辨率，模塊上64K 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能保證采集數(shù)據(jù)的快速傳輸，以及監(jiān)測(cè)各通道的當(dāng)前值。

2） 開(kāi)關(guān)量控制

產(chǎn)品中開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)主要包括地址位控制、奇偶校驗(yàn)等信號(hào)，該類信號(hào)包含0/27V、接地/懸空等開(kāi)關(guān)量控制。

此類信號(hào)由電源提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可由開(kāi)關(guān)量控制模塊配合繼電器單元實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸出。由電源模塊輸出27V 信號(hào)，開(kāi)關(guān)量控制模塊進(jìn)行選通，一旦選通，0V、27V、懸空等信號(hào)便能送入指定通道。 根據(jù)需求，采用了VXI 總線開(kāi)關(guān)量控制模塊。

該模塊為32 通道的VXI 總線數(shù)字量模塊，輸出電壓范圍為0V～10V，分辨率為16-bit，電壓測(cè)量誤差＜3‰。 輸入輸出電平與TTL/CMOS 兼容，分為4組，每組可獨(dú)立定義為輸入或輸出，每一組輸出均可由軟件設(shè)置使其處于三態(tài)，各通道均可獨(dú)立操作，完成對(duì)每個(gè)通道的控制。

3） 串口通訊

由于產(chǎn)品上各分系統(tǒng)之間存在RS422 串口通訊，根據(jù)此需求，本系統(tǒng)中采用8 通道VXI 總線多串行通訊模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的RS232/422/485 通訊外，還可支持定制的通訊協(xié)議（如HDLC/CAN/LIN）；具備同步通訊、異步通訊方式，異步通訊波特率支持300 bps，600 bps，1200 bps……500Kbps；每個(gè)通訊接口具備光電隔離、浪涌保護(hù)等保護(hù)能力。

4） 1553B 總線通訊

由于產(chǎn)品與載機(jī)之間通過(guò)1553B 總線通訊，因此綜合測(cè)試系統(tǒng)需具備遵循GJB 1188A-99、能與產(chǎn)品進(jìn)行1553B 通訊的VXI 總線儀器模塊。 根據(jù)需求，采用了符合VXI 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的1553B 總線多功能模塊，具備雙通道雙冗余能力，每通道可同時(shí)作為BC、BM 和最多31 個(gè)RT；TRIG 信號(hào)輸入輸出為TTL/CMOS 電平。

2.1.2 直流電源

根據(jù)工作中實(shí)際用電消耗分析，產(chǎn)品在工作電壓為DC 27V 時(shí)，消耗電流為20A?？紤]到這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用27V/30A 直流電源組合，該電源按19 英寸標(biāo)準(zhǔn)上架結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，安裝在測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)箱中，在測(cè)試過(guò)程中為產(chǎn)品供電。

電源設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)端感應(yīng)補(bǔ)償功能，可通過(guò)負(fù)載端導(dǎo)線反饋到電源上形成閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)整電源輸出電壓，使負(fù)載上加載的電壓不會(huì)因?yàn)榫€路上產(chǎn)生的壓降而改變， 使實(shí)際加載在負(fù)載上的電壓保持在要求狀態(tài)，并能采取過(guò)流、過(guò)壓異常保護(hù)措施。

在直流電源組合外部，設(shè)計(jì)了電流監(jiān)測(cè)單元，對(duì)系統(tǒng)中的幾路直流供電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)量電路分為電流傳感器、電壓放大器和有源濾波器部分，原理框見(jiàn)圖2。

圖2 電流監(jiān)測(cè)原理示意圖

電流監(jiān)測(cè)單元測(cè)量范圍為0～25A。當(dāng)采樣電流為0～25A 電流信號(hào)時(shí)，經(jīng)電流傳感器后，輸出為0～25mA的電流信號(hào)；再經(jīng)過(guò)一個(gè)20Ω 的精密采樣電阻變換為0～500mV 的電壓信號(hào)，被電壓放大器放大后得到0～10V 的電壓信號(hào)；再經(jīng)低通濾波器進(jìn)行濾波、輸出到數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集并顯示出來(lái)。電流監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)有一定的裕量，即使出現(xiàn)一些零點(diǎn)偏置，只要進(jìn)行線性修正，就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。

2.1.3 接口適配器

1） 信號(hào)調(diào)理單元

信號(hào)調(diào)理單元對(duì)輸入該部分的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，將微弱的信號(hào)放大，提高有用信號(hào)的電平，或者提高輸出信號(hào)的信噪比[2]。

該單元主要分為兩個(gè)功能模塊：直流電壓放大模塊、TTL 電平控制輸出模塊，每個(gè)模塊均包括了對(duì)應(yīng)的供電電源模塊。

該單元主要完成兩個(gè)方面的功能，一是對(duì)D/A模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，輸出程控0～27V 直流電壓，二是由數(shù)字I/O 實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 信號(hào)調(diào)理單元須具有較高的可靠性，便于安裝、連接，電路板安裝于適配器內(nèi)部。

信號(hào)調(diào)理將D/A 模塊輸出的0～10V 直流電壓，經(jīng)比例放大后產(chǎn)生0～27V 直流電壓，由比例放大部分實(shí)現(xiàn)；TTL 電平用來(lái)控制+27V 直流電壓接通，接地或懸空，+5V 直流電壓接通或接地，由繼電器及驅(qū)動(dòng)電路模塊實(shí)現(xiàn)。

2） 信號(hào)適配器

該適配器完成系統(tǒng)測(cè)試和自檢信號(hào)調(diào)理及轉(zhuǎn)接。

在產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，適配器將導(dǎo)通VXI 測(cè)試模塊和被測(cè)產(chǎn)品，為系統(tǒng)提供27V、地/懸空等離散信號(hào)和0～27V 連續(xù)可調(diào)的電壓。

系統(tǒng)自檢時(shí)，適配器將相應(yīng)模塊通過(guò)自檢線路連接成閉環(huán)狀態(tài)，使系統(tǒng)完成自檢功能。輸出的電壓信號(hào)送到數(shù)字萬(wàn)用表中進(jìn)行測(cè)試；模擬量采集模塊將采集到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比并驗(yàn)證其正確性；開(kāi)關(guān)量控制模塊輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)選通后，進(jìn)入數(shù)字輸入通道，實(shí)現(xiàn)該模塊的自檢?？偩€通訊模塊具有自發(fā)自收功能，通過(guò)通訊線路回繞完成檢測(cè)。

2.1.4 外部接口設(shè)計(jì)

對(duì)外接口是與被測(cè)產(chǎn)品的連接接口，所有信號(hào)（供電、激勵(lì)與響應(yīng)）通過(guò)外部接口與被測(cè)產(chǎn)品連接。

1） 數(shù)據(jù)總線：主控計(jì)算機(jī)通過(guò)IEEE-1394 總線控制VXI 儀器；

2） LAN 總線：使用以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)直流電源組件控制功能；

3） 供電電源線：通過(guò)220V/50HZ 的交流電源為綜合測(cè)試系統(tǒng)供電；

4） 與被測(cè)對(duì)象接口：主連接口、外部模擬電池供電口。

2.2 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

綜合測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試軟件主要具備完成產(chǎn)品的測(cè)試資源操作、測(cè)試流程控制、數(shù)據(jù)采集與分析、后期數(shù)據(jù)處理與顯示等功能；能夠?qū)Ξa(chǎn)品的測(cè)試項(xiàng)目、工作時(shí)序進(jìn)行控制，是綜合測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。

測(cè)試軟件可對(duì)飛行器進(jìn)行功能性檢測(cè)，定性判斷飛行器是否合格，將故障隔離到艙段；可對(duì)飛行器分系統(tǒng)的主要性能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行定量檢測(cè)，將故障隔離到分組件；可進(jìn)行全系統(tǒng)綜合測(cè)試。除此之外，測(cè)試軟件具備采集測(cè)試過(guò)程中相關(guān)接口離散量、模擬量和通信數(shù)據(jù)的能力，以及事后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示和打印的能力。

測(cè)試軟件基于Windows XP 操作系統(tǒng)，使用Visual C++6.0 開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具為MicroSoft Access 2013。

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

人機(jī)界面友好，操作界面簡(jiǎn)潔、使用方便；可擴(kuò)充性強(qiáng)；后期易于升級(jí)、維護(hù)。

2.2.2 主要功能

測(cè)試系統(tǒng)軟件的主要功能有：

1） 數(shù)據(jù)分析功能

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1） 查詢被測(cè)設(shè)備的名稱、系列號(hào)、歷次被測(cè)設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)；

（2）用戶按被測(cè)產(chǎn)品編號(hào)、測(cè)試日期等關(guān)鍵字方式顯示或打印被測(cè)產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果、數(shù)據(jù)表格等；

（3）按被測(cè)產(chǎn)品的名稱、系列號(hào)等關(guān)鍵字將歷次的測(cè)試結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行故障統(tǒng)計(jì)。

2） 系統(tǒng)管理功能

（1）操作員管理：管理操作員的帳號(hào)、登錄密碼、權(quán)限、描述信息等；

（2）測(cè)試資源管理。

3） 系統(tǒng)自檢功能

（1）系統(tǒng)上電自檢，對(duì)VXI 進(jìn)行檢測(cè)和復(fù)位，給出故障儀器的信息；

（2）用戶自檢，用戶根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)自檢，可以顯示、記錄和打印自檢結(jié)果。

4） 抗干擾功能設(shè)計(jì)

（1）當(dāng)測(cè)試程序受到干擾跑至臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中，系統(tǒng)會(huì)死機(jī)或完全癱瘓，軟件陷阱無(wú)法捕捉使其復(fù)位，只有通過(guò)手動(dòng)復(fù)位按鈕強(qiáng)行復(fù)位，但會(huì)造成不良后果。在綜合檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試程序內(nèi)部，編制了程序運(yùn)行監(jiān)視程序（“看門狗”系統(tǒng)），當(dāng)軟件陷入死循環(huán)后，能及時(shí)發(fā)覺(jué)并使系統(tǒng)自動(dòng)退出死循環(huán)，恢復(fù)正常運(yùn)行。

（2） 進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)的被測(cè)信號(hào)受到干擾時(shí)，采用了“軟件濾波”的方法解決。 常用的有算術(shù)平均值法、中位值法、限幅濾波法、慣性濾波法。如進(jìn)行某型導(dǎo)引頭測(cè)頻精度檢測(cè)時(shí)， 系統(tǒng)采樣到大量數(shù)據(jù)后，測(cè)試流程中采用算術(shù)平均值法，濾除無(wú)效值，對(duì)有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 最終可解算出頻率精度的精確值。同時(shí)，一個(gè)軟件濾波程序可以為多個(gè)數(shù)據(jù)類似的輸入通道所共用。

2.2.3 軟件結(jié)構(gòu)

綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件采用了如圖3 所示的“模塊化層次結(jié)構(gòu)”進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件主要由用戶界面管理模塊、測(cè)試資源初始化模塊、測(cè)試參數(shù)配置模塊、測(cè)試流程調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、測(cè)試記錄顯示模塊等組成。

用戶界面管理模塊提供了測(cè)試設(shè)備與用戶進(jìn)行交互的所有界面，用戶在登錄界面輸入用戶名稱和密碼后，由用戶管理模塊根據(jù)用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行查詢，對(duì)比通過(guò)者可根據(jù)權(quán)限進(jìn)行項(xiàng)目選擇和結(jié)果查詢，否則將被拒絕進(jìn)入測(cè)試。

測(cè)試資源初始化模塊用于連接并啟動(dòng)VXI 資源測(cè)試模塊，使硬件資源恢復(fù)到默認(rèn)的工作狀態(tài)，底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)的相關(guān)變量設(shè)置到默認(rèn)值，完成初始化配置。

測(cè)試參數(shù)配置模塊用于對(duì)產(chǎn)品測(cè)試的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行提前預(yù)置，以便于運(yùn)行測(cè)試流程時(shí)對(duì)需要的參數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

測(cè)試流程模塊是進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試的具體流程。用戶可在主界面選擇測(cè)試項(xiàng)目后，流程調(diào)度模塊從測(cè)試流程數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的流程開(kāi)始執(zhí)行。流程執(zhí)行模塊執(zhí)行生成當(dāng)前測(cè)試信息數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試結(jié)束后將測(cè)試結(jié)果存入歷史記錄數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊提供軟件運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)流的接收與處理：數(shù)據(jù)處理和分析模塊用于對(duì)采集出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。該模塊包括打印模塊、文件處理模塊和分析處理模塊等。

測(cè)試記錄顯示模塊用于顯示與歷史測(cè)試項(xiàng)目相關(guān)的各種測(cè)試數(shù)據(jù)，如測(cè)試過(guò)程記錄的模擬量、數(shù)字量、離散量等，并對(duì)模擬量和數(shù)字量采用了曲線繪圖的顯示方式。測(cè)試系統(tǒng)軟件提供測(cè)試數(shù)據(jù)記錄打印功能，可將測(cè)試結(jié)果以表格、文本或曲線圖的方式打印出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于VXI 總線設(shè)計(jì)的飛行器綜合測(cè)試系統(tǒng)，在飛行器科研階段的試制、生產(chǎn)過(guò)程中，能夠按照測(cè)試技術(shù)要求進(jìn)行檢測(cè)， 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分系統(tǒng)單元測(cè)試、綜合測(cè)試。 通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面測(cè)試，考核了產(chǎn)品的功能、性能指標(biāo)。在測(cè)試過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品出現(xiàn)的故障準(zhǔn)確定位、檢測(cè)率高，能快速定位到故障單元或組件；極少出現(xiàn)測(cè)試虛警現(xiàn)象，較好地滿足了產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)試要求。