機載電子系統(tǒng)小型化通用測試設(shè)備設(shè)計

吳國寶，宋帆，曾俊華

（中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 引言

現(xiàn)代直升機機載電子系統(tǒng)功能強大、性能先進、集成度高、內(nèi)外信號交聯(lián)復雜[1,2]。在使用過程中，若產(chǎn)生故障，僅靠機內(nèi)測試（Build-in Test,BIT）隔離到外場可更換單元（Line Replaceable Unit,LRU）或外場可更換模塊（Line Replaceable Module LRU），無法實現(xiàn)故障模式全覆蓋[3,4]。這便意味著系統(tǒng)有部分故障模式，無法通過BIT 進行檢測和隔離，這給機載系統(tǒng)的日常維護保障，特別是戰(zhàn)時保障帶來了不小挑戰(zhàn)，直接影響飛機的出勤率[5]。

為此，設(shè)計了一款機載電子系統(tǒng)小型化通用測試設(shè)備，該設(shè)備可對多個機載電子系統(tǒng)產(chǎn)生的BIT 無法檢測故障模式以及BIT 可檢測但無法隔離至單個LRU/LRM 的故障模式進行外部故障檢測及隔離，有效彌補了BIT 檢測能力的不足。該設(shè)備，通過運行內(nèi)置的機載電子系統(tǒng)對應(yīng)的測試程序（Test Program,TP），實現(xiàn)對不同機載電子系統(tǒng)關(guān)鍵信號的監(jiān)控，結(jié)合綜合故障診斷策略，將故障定位到單個的LRU/LRM。

1 測試原理

小型化通用測試設(shè)備，以電子系統(tǒng)的故障模式、影響及危害度分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA）及半實物故障注入試驗報告為輸入，確定BIT 無法檢測故障模式以及BIT 可檢測但無法隔離至單個LRU/LRM 故障模式；然后，通過對這些故障模式進行分析，確定綜合故障診斷策略，故障檢測測試方法以及故障檢測所需最小化外部測試資源。依據(jù)最小化外部測試資源，確定小型化測試設(shè)備硬件，依據(jù)故障檢測測試方法開發(fā)TP，一個機載電子系統(tǒng)對應(yīng)一個TP。

通用測試設(shè)備由1 個硬件平臺及多個TP 及多套測試線纜組成（一個機載電子系統(tǒng)對應(yīng)1 個TP 及1 套測試線纜）。

測試時，硬件平臺提供檢測所需的激勵、測量資源是通用測試設(shè)備的主要部件；TP 通過控制硬件平臺，實現(xiàn)對被測機載電子系統(tǒng)目標節(jié)點上信號的激勵、測量、監(jiān)控，結(jié)合被測機載電子系統(tǒng)綜合故障診斷策略將故障定位到單個LRU/LRM；測試線纜用于實現(xiàn)機載電子系統(tǒng)、機載電子系統(tǒng)外部交聯(lián)系統(tǒng)、小型化通用測試設(shè)備之間的信號傳遞。如圖1 所示為小型化通用測試設(shè)備測試示意圖。圖2 為小型化通用測試設(shè)備測試流程圖。

圖1 小型化通用測試設(shè)備測試示意圖

圖2 小型化通用測試設(shè)備測試流程圖

2 測試設(shè)備設(shè)計

2.1 架構(gòu)設(shè)計

小型化通用測試設(shè)備基于開放式結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)整體架構(gòu)，建立可組合性強、可裁剪可擴展的通用化測試體系，其體系架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 PIP 體系架構(gòu)圖

整個開放式結(jié)構(gòu)體系以標準化體系為基礎(chǔ)進行架構(gòu)，構(gòu)建軟件、硬件信息框架和軟件、硬件接口兩方面內(nèi)容，以軟件、硬件信息框架和軟件結(jié)構(gòu)組成的信息層和硬件接口組成物理層形成系統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)，他們通過體系網(wǎng)絡(luò)有機地結(jié)合在一起形成系統(tǒng)整體架構(gòu)。系統(tǒng)的各種信息可以進行高度共享，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的測試階段、在系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間進行共享，還可實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間進行共享，從信息層和物理層構(gòu)建系統(tǒng)通用化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過建立模型規(guī)定系統(tǒng)的主要功能和規(guī)范必要信息的定義，實現(xiàn)各功能模塊的規(guī)范化設(shè)計。如建立開關(guān)矩陣信息模型用來定義開關(guān)的連接能力及如何訪問能力等。構(gòu)建模塊化硬件平臺，并實現(xiàn)測試資源的獨立性和組合靈活性，各測試資源可方便快捷地進行模塊互換，有利于后期測試設(shè)備的維護以及剪裁、擴展和升級。

在測試資源最小化基礎(chǔ)上，系統(tǒng)架構(gòu)采用小型化設(shè)計，對設(shè)備硬件進行綜合化設(shè)計，如多功能總線通訊模塊、多功能模擬信號測量模塊等，以減少設(shè)備功能模塊數(shù)量；其次，設(shè)備內(nèi)部采用高集成度設(shè)計，將硬件分成電源組件、資源組件、連接器組件三大功能區(qū)，并對各個功能區(qū)進行高效合理的堆疊，最大限度地壓縮設(shè)備的體積，減輕設(shè)備重量及降低設(shè)備功耗。

小型化通用測試設(shè)備的測試描述文件、TP 文檔基于標準化設(shè)計，可組合性和移植性強，能夠方便快捷地實現(xiàn)到同類其他機種、機型系列通用測試設(shè)備的移植。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，為滿足使用的便攜性，設(shè)備整體采用一體式拉桿箱設(shè)計。

拉桿箱直接選用的是派力肯1607AIR 型機箱，如圖4所示。這種機箱主要組成包括：箱體、箱蓋、腳輪、拉桿、把手以及壓力平衡閥等六部分。把手和可伸縮拉桿，既能滿足手提需要，也能滿足手拉拖行需要，便于單人攜行。箱體底部配有聚氨酯滾輪，滾輪直徑58mm，內(nèi)部嵌有不銹鋼滾珠軸承，轉(zhuǎn)動阻尼小，振動噪聲低，可輕松通過20mm的障礙物。箱體與箱蓋之間通過兩個鎖扣實現(xiàn)快速開合[6]。箱蓋內(nèi)部四周嵌有密封圈，可保證箱子閉合時的密封防水性能。箱體上的壓力平衡閥用于平衡箱體內(nèi)外壓差。

圖4 通用測試設(shè)備外觀示意圖

箱體和箱蓋采用高分子復合材料注塑成型，各棱邊采用大圓弧順滑過渡設(shè)計，造型美觀，韌性良好，且存在剛性不足，易造成電子產(chǎn)品裝配精度不夠，影響電氣連接與配合，本設(shè)計對箱體進行局部加固改造，具體措施包括：

(a)箱體布置加固框口件，框口件通過螺釘實現(xiàn)與拉桿箱的安裝鎖緊，提高拉桿箱箱體框口剛度；

(b)框口件選用優(yōu)質(zhì)鋁合金材質(zhì)，以滿足高強度的同時，減輕加固件的重量；

(c)框口件預留足夠的安裝孔位，用于設(shè)備面板緊固裝配；

(d)框口件與機箱安裝的孔采用盲孔螺紋設(shè)計，螺紋孔周邊設(shè)計密封圈，框口件與機箱裝配緊固后，確保安裝孔位處防水性能良好。

框口件示意圖如圖5 所示，加固后機箱效果圖如圖6 所示。

圖5 框口件示意圖

圖6 加固后機箱效果圖

一體化測試面板，采用優(yōu)質(zhì)鋁合金整體加工而成，一體化測試面板的外表面是通用測試設(shè)備的操作界面，配置有電源啟動開關(guān)、電源指示燈、電源接口、接地柱、控制接口、測試接口等電氣元件，內(nèi)部用于安裝各功能模塊、電源模塊、線纜等電氣元件。面板兩側(cè)設(shè)計有把手，安裝時可通過把手將一體化面板整體放入箱體內(nèi)。當設(shè)備內(nèi)部需要維護時，只需將面板與面板安裝框架之間的螺栓拆除，便可通過把手將一體化面板整體從機箱內(nèi)取出。面板上的電氣元件布局，綜合考慮了結(jié)構(gòu)強度、外觀造型以及人體工程學等因素，整體設(shè)計美觀實用，符合大眾操作習慣。一體化測試面板示意圖如圖7 所示。

圖7 一體化測試面板示意圖

2.3 線纜設(shè)計

機載電子系統(tǒng)測試線纜包括低頻測試線纜、射頻線纜等。其中低頻測試線纜內(nèi)部信號線采用高溫導線制作，依據(jù)信號抗干擾能力分別采用單芯線、單芯屏蔽線、雙絞屏蔽線和三絞屏蔽線，所有屏蔽層均可靠接地。為保證線纜柔軟，所有線纜均選用繞包線。線纜設(shè)計有防差錯螺釘，保證線纜與機載電子系統(tǒng)連接無誤，射頻線纜采用專用線纜制作，接頭采用符合機載電子系統(tǒng)射頻信號傳輸要求的專用連接器，測試線纜實物圖如圖8 所示。

圖8 測試線纜實物圖

2.4 軟件設(shè)計

為提高測試軟件的通用性和可移植性，測試設(shè)備采用基于自動測試標記語言（Automatic Test Markup Language,ATML）標準以及基于測試和信號定義（Signal and Test Definition,STD）標準的面向信號通用自動測試軟件SCATS 作為測試程序（Test Program,TP）的開發(fā)平臺[7,8]。

SCATS 將作為TP 開發(fā)和運行的核心，通過將測試需求與具體硬件平臺分離，實現(xiàn)TP 的跨平臺可移植，測試數(shù)據(jù)可交互，提高了測試設(shè)備的互換性。SCATS 平臺軟件采用層次化體系架構(gòu)，自下至上分為物理層、驅(qū)動層、標準層、系統(tǒng)層、開發(fā)層和管理運行層，體系架構(gòu)示意圖如圖9 所示。

圖9 SCATS 體系架構(gòu)框圖

圖9 中，物理層，包含軟件運行所依賴的所有硬件資源基礎(chǔ)；驅(qū)動層，主要面向驅(qū)動開發(fā)人員，基于C 或Python語言進行驅(qū)動程序的開發(fā)、調(diào)試和調(diào)用；標準層，包含ATML 家族中的所有標準，這些標準構(gòu)成了軟件平臺的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；系統(tǒng)層，主要面向硬件設(shè)計人員，屬于測試信息建模工具，用于配置系統(tǒng)中所需的信號資源、儀器和開關(guān)資源以及通過系統(tǒng)集成得到的自動測試系統(tǒng)（測試站）本身相關(guān)的信息；開發(fā)層，主要面向TP 開發(fā)人員，屬于測試信息建模工具，針對一個具體的被測對象，描述該被測對象本身相關(guān)的信息和測試電纜信息、測試需求信息（即測試描述）以及診斷模型（D-矩陣）信息；管理運行層，主要面向最終的用戶，對應(yīng)于測試系統(tǒng)管理工具，該層次提供了TP 管理和運行（如TP 的安裝、卸載、運行控制等）功能以及硬件資源的查詢和配置功能等，其中包含的ATML運行引擎能夠解釋執(zhí)行符合ATML 標準的TP 描述。此外還包含一個用于定位故障的診斷推理機以及一個管理測試結(jié)果和診斷結(jié)論等測試信息的數(shù)據(jù)管理工具。通用測試設(shè)備測試程序運行層界面如圖10 所示。

圖10 通用測試設(shè)備測試程序運行層界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種機載電子系統(tǒng)小型化通用測試設(shè)備。其中，硬件設(shè)備采用模塊化設(shè)計，大大提高了硬件設(shè)備自身的可維護性及互換性，測試程序在SCATS 軟件開發(fā)平臺上進行開發(fā)，有效提高了測試程序的通用性及可移植性。能較好地滿足機載電子系統(tǒng)故障檢測及隔離，更換備件的要求，通過在外場的多次試用結(jié)果表明，本文所提方法設(shè)計的小型化通用測試設(shè)備能夠較好地滿足機載電子系統(tǒng)故障檢測需要，具有針對性強，檢測效率高的特點。