基于ATML的機載電子系統(tǒng)原位測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

姜 晨，宋 帆

(航空工業(yè)直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

現(xiàn)代直升機機載電子設備種類眾多，集成化程度高，信號交聯(lián)復雜，在作戰(zhàn)性能不斷提升的同時也伴隨著故障檢測隔離困難、維修耗時等諸多問題[1-3]。尤其在外場復雜的環(huán)境下，缺少便捷有效的故障檢測工具、維護效率低下等維修保障問題更為突出[4-5]。雖然現(xiàn)代先進直升機航電設備的BIT(Builtin Test)檢測率指標高達90%，同時又配有健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)( HUMS，health and usage monitoring system)進行狀態(tài)監(jiān)控，大大減少了直升機的排故與修理時間[6-7]。但是，重要機載電子設備如任務系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等仍存在許多BIT無法檢測和BIT檢測但無法隔離的故障[8-10]。

在兩級維修體系下，由于部隊在外場缺少有效的外部檢測途徑，采用傳統(tǒng)排故方式如串件維修雖然能隔離出部分外場故障，但此方式排故耗時，尤其是對一些可達性差或采用安裝架固定的機載設備進行排故。此外，串件維修率的上升且會顯著增加勞動負荷，降低外場可更換單元(LRU，line replaceable unit)壽命，嚴重影響任務完好性[11]。若對每個機載電子系統(tǒng)都配備專檢工具，會造成直升機保障系統(tǒng)費用高昂且規(guī)模龐大，不利用在外場的使用，這些弊端將導致無法響應現(xiàn)代戰(zhàn)爭對航空武器裝備后勤保障效率提出的高要求[12]。因此，研制一種針對直升機機載電子系統(tǒng)外場故障檢測與隔離的通用測試系統(tǒng)顯得尤為重要[13]。該通用測試系統(tǒng)具有小型化、通用化的特點，實現(xiàn)對多個機載電子系統(tǒng)外場故障的快速檢測與定位。此外，該原位測試系統(tǒng)還具備測試程序集(TPS，test program set)可跨平臺移植、平臺儀器資源可互換等特征，在外場測試過程中能應對各種突發(fā)狀況，這對提高機載電子系統(tǒng)外場故障檢測隔離能力有著重要意義[14-15]。

相較于GPIB和VXI總線技術(shù)，采用PXI總線技術(shù)進行測試設備研制，成本更低，且設備硬件資源占用的空間更少，且具有小型化和易維護等優(yōu)勢，符合直升機外場保障設備要求。本文將基于PXI總線技術(shù)構(gòu)建原位測試系統(tǒng)的硬件平臺，設計了平臺的基本架構(gòu)和儀器通訊方式[16-17]。

在TPS開發(fā)方面，采用基于ATML(automated test markup language，即IEEE 1671)標準進行程序開發(fā)，可實現(xiàn)測試程序(TP，test program)和系統(tǒng)儀器資源的可互換，能夠大大地縮短TP的開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，能夠快速響應復雜多變的測試需求。ATML標準是電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)于2002 年提出了一種新的面向信號的自動測試標記語言標準，規(guī)定了一種信息交換格式，其中包含了測試配置、測試描述、適配器、測試站、儀器描述、被測對象(UUT，unit under test)描述和測試結(jié)果描述等自動測試系統(tǒng)(ATS，automatic test system)所需信息。

目前國內(nèi)自研符合ATML標準的測試軟件有GPTS、SGTS、SCATS等，其中廣州航新研發(fā)的SGTS軟件采用了STD(signal and test definition)標準信號庫構(gòu)建、基于模型的TP運行引擎技術(shù)、故障診斷技術(shù)等多種先進測試技術(shù)[18]，且軟件內(nèi)置的信號模型豐富，能滿足現(xiàn)代直升機機載電子系統(tǒng)復雜的測試需求。因該原位測試系統(tǒng)將SGTS作為系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境，進行TPS設計與開發(fā)。系統(tǒng)將測試信號作為聯(lián)系測試需求和儀器測試能力的紐帶和橋梁，實現(xiàn)了TPS的可移植和硬件儀器資源的可互換[19-20]。

1 原位測試系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

原位測試系統(tǒng)主要由3個主要部分構(gòu)成：硬件平臺、軟件平臺和TPS，測試系統(tǒng)的總體架構(gòu)和工作原理如圖1所示。

圖1 原位測試系統(tǒng)總體架構(gòu)及工作原理

測試系統(tǒng)基于PXI總線技術(shù)，以主控計算機為核心，實現(xiàn)信號的采集和分析。系統(tǒng)中的各類資源都被引出至面板測試接口中，并通過測試電纜與被測機載電子系統(tǒng)相連。軟件平臺主要由自動測試軟件和故障診斷模型組成，測試軟件是標準的開發(fā)、調(diào)試集成平臺，具備測試儀器、測試平臺和TP開發(fā)功能。故障診斷模型基于IEEE 1232標準，主要描述TP和故障模式之間的關系。

如圖2所示，原位測試系統(tǒng)通過測試電纜與機載電子系統(tǒng)連接，手持終端(PMA，portable maintenance aids instrument pack)為人機交互終端，通過LAN總線與測試系統(tǒng)連接。測試時使用人員操作PMA，選擇并運行相應的TP。TP將調(diào)用測試系統(tǒng)中相應測試資源完成對機上電子系統(tǒng)信號的檢測，并與預先設定的期望值進行對比。測試結(jié)束后，測試系統(tǒng)將故障定位至機上電子設備。

圖2 原位測試示意圖

1.2 原位測試轉(zhuǎn)接電纜設計

TPS由原位測試電纜和TP組成。測試線纜主要用于測試系統(tǒng)與UUT之間的電氣連接，須依據(jù)UUT測試信號的實際測試需求進行分類設計，分為直連和三通兩種設計連接方式。

在外場原位檢測過程中，為了保證測試時機載電子系統(tǒng)不斷電、不拆件，且不影響UUT與其交聯(lián)系統(tǒng)間的正常通信。如圖3所示，將UUT與機上交聯(lián)的信號分為監(jiān)測信號和非檢測信號，非監(jiān)測信號保持原有直連方式。需要監(jiān)測的信號需測試電纜須采取三通方式進行轉(zhuǎn)接，具體實現(xiàn)方式為將該路信號引入原位測試系統(tǒng)的矩陣開關中，其中機上交聯(lián)系統(tǒng)信號線分別連接機上端信號接口和原位測試系統(tǒng)矩陣開關的MU_接口，UUT端信號線連接設備端信號接口和原位測試系統(tǒng)矩陣開關的SS_接口。通過開關系統(tǒng)的切換，原位測試系統(tǒng)可實時監(jiān)測UUT和機上交聯(lián)系統(tǒng)之間的信號，且不影響機上電子系統(tǒng)間的正常通信。

圖3 三通電纜轉(zhuǎn)接原理圖

為了滿足測試電纜的防差錯設計要求，在電纜三端(機上端、UUT端、測試系統(tǒng)端)都設計有相應標識。同時，每根電纜內(nèi)部都設計有唯一阻值的識別電阻，保證了原位測試電纜的使用無誤。電纜內(nèi)部導線依據(jù)測試信號的抗干擾能力需求不同選用單芯線、單芯屏蔽線、雙絞屏蔽線或同軸線。

1.3 測試系統(tǒng)硬件設計

硬件平臺主要由主機箱、電源模塊、測試接口和溫控模塊4個部分組成。如圖4所示，主機箱中包含主控計算機、PXI模塊化測試儀器(測試類儀器、激勵源儀器、開關模塊等)、內(nèi)部總線等。其中PXI模塊化儀器包含數(shù)字萬用表、示波器等測試類儀器，信號發(fā)生器等激勵源類儀器、總線通訊儀器和開關。

圖4 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及組成

硬件平臺基于PXI、RS485總線，以主控計算機為核心控制，將測試資源輸入輸出通道集中連接至系統(tǒng)面板上的測試接口。負責人機交互的電源接口、VGA接口、網(wǎng)絡接口、USB接口、接地接口等連接至系統(tǒng)面板上專屬接口，測試接口將預留空間以供后續(xù)擴展使用。主機箱中1553B儀器配有專用測試接口，其余模塊化儀器的輸入輸出直接與硬件平臺通用測試接口相連。此外，PMA通過LAN和VGA接口與測控計算機相連，實現(xiàn)對原位測試系統(tǒng)的資源控制與畫面顯示。

外部輸入給平臺的220 V交流電源首先通過電源適配器轉(zhuǎn)為28 V直流電源，再通過ATX電源轉(zhuǎn)換為±12 V、+5 V、+3.3 V，通過連接器引致主機箱背板和溫控模塊，作為機箱內(nèi)部控制器、各類儀器工作電源。

溫控模塊主要由溫控板、傳感器、加熱器和通風組件組成。溫控模塊實時采集機箱內(nèi)溫度，通過特定算法控制加熱組件加熱與通風組件散熱，實現(xiàn)對機箱內(nèi)溫度的實時調(diào)節(jié)，為機箱內(nèi)儀器模塊營造出適宜的工作環(huán)境，使得原位測試系統(tǒng)在外場嚴寒惡劣的環(huán)境下仍可以正常持續(xù)工作。

2 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.1 測試軟件平臺概述

SGTS軟件以測試診斷為核心，支持IEEE1641、IEEE 1671等標準，是一套通用、標準、完整的自動測試系統(tǒng)控制軟件平臺。

SGTS軟件為測試系統(tǒng)內(nèi)各儀器構(gòu)建了符合IEEE 1641標準的信號接口，通過建立虛擬測試資源，利用面向信號驅(qū)動實現(xiàn)對測試系統(tǒng)內(nèi)各儀器資源的具體調(diào)用。在測試運行過程中，SGTS軟件通過自帶的測試運行期引擎自動分析系統(tǒng)內(nèi)儀器的信號能力和TP中的測試信號需求，并進行資源自動分配。以采用ATML標準的XML測試數(shù)據(jù)為基礎，自動完成測試代碼的執(zhí)行和物理儀器資源的調(diào)用，進而實現(xiàn)整個測試任務。SGTS軟件以測試信號需求與物理資源匹配為核心，對整個測試系統(tǒng)內(nèi)的儀器資源進行分配、調(diào)用、控制。

SGTS軟件平臺為編寫、調(diào)試各TP模塊提供了工程集成環(huán)境，用戶在工作區(qū)中編輯測試配置TC文件，測試描述中記錄了信號需求、測試流程走向、測試數(shù)據(jù)判斷和被測對象的相關信息，與儀器資源無關。

如圖5所示，TC文件中節(jié)點TestedUUTs包含被測系統(tǒng)UUT描述文件，描述了被測設備的ID、生產(chǎn)廠商、針腳等信息；節(jié)點TestEquipment包括測試電纜WL文件，記錄了電纜的連線關系；節(jié)點TestProgramElements包含了測試描述TD文件，描述了測試流程中所有的測試方法、測試動作、期望值等，是TC文件的核心部分；節(jié)點AdditionalResources包含了原位測試電纜的識別電阻信息。SGTS軟件根據(jù)用戶建立的ATML標準測試描述文檔，解析生成面向信號的測試代碼，實現(xiàn)了TP的跨平臺移植，提高了TP的擴展性和維護性。

圖5 基于ATML標準的測試描述

2.2 軟件平臺架構(gòu)

SGTS軟件將測試信號作為聯(lián)系系統(tǒng)測試需求和儀器測試能力的中間媒介，將兩者關聯(lián)起來。測試需求不具體指向具體物理儀器，只要儀器的測試能力滿足測試需求即可，進而實現(xiàn)了TP的可移植和測試儀器的可互換。SGTS軟件平臺從功能上分為開發(fā)管理平臺和執(zhí)行管理平臺。開發(fā)管理平臺負責TPS開發(fā)、測試環(huán)境描述和TPS調(diào)試，執(zhí)行管理平臺主要負責提供TPS管理、測試程序運行、測試數(shù)據(jù)管理、綜合數(shù)據(jù)查詢等功能。在SGTS軟件中，依據(jù)IEEE-1641和IEEE-1671標準進行TPS開發(fā)。TPS只與UUT有關，不用對測試系統(tǒng)中的儀器能力、通道等信息進行描述，保證了TPS的可移植性。

SGTS軟件采用層次化體系架構(gòu)，如圖6所示，從頂向下分為用戶交互層、數(shù)據(jù)交互層、運行期解析執(zhí)行層和儀器驅(qū)動層。最頂層為用戶交互層，包括開發(fā)管理平臺和執(zhí)行管理平臺，為用戶提供了交互式的開發(fā)工具，可編輯相關測試信息，同時還具備系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)分析、故障診斷等功能；第二層為數(shù)據(jù)交互層，以XML格式文件為信息載體完成測試信息的交互；第三層為運行期解析執(zhí)行層，該層主要對數(shù)據(jù)交互層傳遞的XML數(shù)據(jù)文件進行解析，解析內(nèi)容包含測試項目、測試動作，測試信號、資源匹配路徑等；最底層為儀器驅(qū)動層，運行期解析執(zhí)行層中的驅(qū)動調(diào)用模塊通過面向信號儀器驅(qū)動調(diào)用儀器底層驅(qū)動(IVI驅(qū)動、VISA驅(qū)動、SCPI驅(qū)動等)，進而實現(xiàn)整個測試過程資源控制。

圖6 SGTS軟件架構(gòu)框圖

3 測試需求分析

3.1 故障模式分析

作為直升機機上重要的電氣綜合管理系統(tǒng)，配電系統(tǒng)通過總線接收并解析來自飛控系統(tǒng)的指令，進行全機負載的供電通斷控制。同時，配電系統(tǒng)還負責采集電源系統(tǒng)和各負載實時信息，對各負載需求功率與電源系統(tǒng)供給功率進行合理調(diào)度與分配。

本文以配電系統(tǒng)為例，闡述機載電子系統(tǒng)原位TP測試需求分析、方案設計與TPS開發(fā)的步驟流程。如圖7所示，配電系統(tǒng)與機上交聯(lián)信號包括RS422總線、1553B總線、離散量、28 V電壓輸入和負載輸出。機上BIT測試能對離散量采集功能進行檢測隔離，此外，在進行配電系統(tǒng)測試前，需先判斷機上對其供電是否正常。因此，配電系統(tǒng)原位測試需求為28 V電壓輸入測試、RS422總線測試、1553B總線測試、離散量輸出測試和負載輸出測試。

圖7 配電系統(tǒng)測試信號交聯(lián)圖

3.2 原位測試方案

結(jié)合配電系統(tǒng)測試需求分析與對外信號交聯(lián)圖，明確各測試模塊內(nèi)容及連接形式。

1) 28 V電壓輸入測試：將原位測試系統(tǒng)中的萬用表與系統(tǒng)內(nèi)部矩陣開關連接，檢測機上輸入給配電系統(tǒng)的28 V工作電壓。測試時需保持配電系統(tǒng)不斷電，故采用三通轉(zhuǎn)接形式，將28 V電壓接入到原位測試系統(tǒng)的矩陣開關中。

2) RS422總線測試：配電系統(tǒng)通過RS422總線分別和機上飛控系統(tǒng)、發(fā)電機控制器交聯(lián)。在測試時需保持機上系統(tǒng)和配電系統(tǒng)間的正常通信。故將RS422總線信號通過三通形式全部引入測試系統(tǒng)中RS422總線儀器的接收端，由測試系統(tǒng)對配電系統(tǒng)與機上系統(tǒng)間RS422總線信號進行實時監(jiān)控。

3) 1553B總線測試：配電系統(tǒng)通過1553B總線和HUMS系統(tǒng)交聯(lián)，考慮到1553B總線的特殊性(不適合做三通形式)，測試時需和機上斷開。1553B總線測試電纜一端與原位測試系統(tǒng)中1553B專用測試接口連接，另一端與配電系統(tǒng)1553B信號接口連接。同時，1553B總線直接耦合傳輸距離只有30 cm，不滿足原位測試需要，故測試電纜中需接入耦合器。

4) 離散量輸出測試：配電系統(tǒng)對機上系統(tǒng)輸出的離散量信號為地/開信號。由于測試系統(tǒng)中沒有配置離散量I/O儀器板卡，測試時和機上交聯(lián)系統(tǒng)斷開后引入機上28 V電壓，電纜中間串一個10 kΩ的上拉電阻并將該路信號引入測試系統(tǒng)矩陣開關，將地/開離散量轉(zhuǎn)為電壓模擬量，通過萬用表測量。

5) 負載輸出測試：由于在外場環(huán)境條件有限，只對配電系統(tǒng)負載輸出通道是否有無輸出進行測試，不對其輸出性能進行測試。故測試時將配電系統(tǒng)與機上負載斷開，接入平臺矩陣開關系統(tǒng)，只通過萬用表測量配電系統(tǒng)輸出的電壓是否滿足要求。

配電系統(tǒng)測試交聯(lián)信號如圖7所示。

4 TP設計

為了提高在外場對機載配電系統(tǒng)測試和故障定位效率，并考慮實際測試需求，將原位TP分為自動測試和手動測試兩部分。自動測試模塊執(zhí)行后，無需進行其它操作，測試結(jié)束后將自動顯示測試結(jié)果并定位故障。手動測試為輔助測試，并設計有用戶操作界面，通過圖像方式更直觀的顯示測試結(jié)果。

4.1 自動TP開發(fā)

TP描述配電系統(tǒng)的所有測試項目及測試流程信息，面向信號的TP中只包含與UUT有關的測試信息，不包含測試系統(tǒng)信息。TP開發(fā)人員只需關注UUT的基本信息、針腳定義、測試項目與測試電纜，無需關注具體測試資源設置及調(diào)用。TP通過XML文件為數(shù)據(jù)載體，實現(xiàn)了在不同測試系統(tǒng)間的跨硬件平臺移植。開發(fā)流程如圖8所示。

圖8 TPS開發(fā)流程圖

1) 系統(tǒng)文件配置：在TP開發(fā)前需在SGTS平臺配置面向信號的儀器驅(qū)動和平臺TS文件，配置完成后可查看平臺的外部接口針腳定義和各儀器資源的測試能力描述。

2) UUT描述文件(UUT.xml)編寫：在UUT描述文件中對配電系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、功能、研制廠家、針腳、端口號等信息進行編寫，“端口”是ATML中的一個虛擬概念，通過端口的連接來描述信號的路徑，一個端口可以對應一個或多個實際針腳；建立起針腳與端口號之間的對應關系。

3) 測試電纜文件(WL.xml)編寫：WL文件用于描述測試系統(tǒng)內(nèi)部及測試系統(tǒng)與UUT端口號間的連接關系。機上系統(tǒng)(飛控系統(tǒng)、匯流條、HUMS系統(tǒng)、發(fā)電機控制器)只作為激勵源，在測試過程中無需進行程序控制。因此，機上端連線只需按照接線表在電纜中進行加工，無需在程序中設計。

4) 測試描述文件(TD.xml)編寫：TD開發(fā)分為測試集、模塊，測試動作3個層次，測試動作是TD開發(fā)的最小單位，是系統(tǒng)進行信號操作、流程控制等測試任務的最小執(zhí)行元素。依據(jù)原位測試需求分析，配電系統(tǒng)TP包含28 V電壓輸入測試、RS422總線測試、1553B總線測試、離散量輸出測試和負載輸出測試，開發(fā)過程中涉及到的測試動作見表1。

表1 測試動作類型

4.2 手動TP開發(fā)

4.2.1 工程組成

手動TP工程在創(chuàng)建自動測試TPS項目時自動生成，測試項目均在Tps.prj工程內(nèi)實現(xiàn)。手動測試TP測試項目源程序通過CVI軟件編譯完成后生成TPS.dll動態(tài)鏈接庫，SGTS軟件通過調(diào)用TPS.dll動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)手動測試。Tps.prj工程框架見表2。

表2 手動TP工程組成

4.2.2 界面設計

用戶界面設計從測試項目出發(fā)，自頂向下設計。依據(jù)配電系統(tǒng)的故障模式，將手動測試分為總線故障測試和模擬量故障測試兩大類，總線故障測試包含RS422和1553B總線通信測試，模擬量故障測試包含28 V電壓測試、離散量輸出測試和負載輸出測試，每一類的測試方法和步驟相同，集成在一個界面內(nèi)實現(xiàn)。當啟動監(jiān)測后，測試系統(tǒng)接收到的總線信息和采集的模擬量值將顯示在用戶界面，間隔5秒實時更新。

在模擬量故障監(jiān)控界面，若采集值在設定期望值范圍之內(nèi)時，該數(shù)據(jù)值顯示為綠色，表明UUT該通道信號輸出正常，反之數(shù)據(jù)值顯示為紅色，表明UUT該通道故障。手動TP用戶界面如圖9和圖10。

圖9 手動TP用戶界面(總線故障檢測)

圖10 手動TP用戶界面(模擬量故障檢測)

5 結(jié)果與分析

參考上述配電系統(tǒng)原位測試需求分析、方案設計與TP開發(fā)的流程，進行某型直升機原位測試系統(tǒng)設計。該型原位測試系統(tǒng)具備機載配電系統(tǒng)、HUMS系統(tǒng)、機電管理系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、任務系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)的外場故障檢測隔離功能。如表3所示，經(jīng)試飛院使用驗證，綜合運用該原位測試系統(tǒng)后，這些機載電子系統(tǒng)的故障檢測率(FDR，F(xiàn)ault Detect Rate)提升至93%以上，故障隔離率( FIR，F(xiàn)ault Isolation Rate)提升至97%以上，故障檢測與隔離效果基本能替代龐大的專檢設備集群，但在研制周期、成本、測試效率等指標上遠遠優(yōu)于專檢設備。

表3 測試性指標對照表

此外，該型原位測試系統(tǒng)體積小，移動便捷且通用化程度高。當測試系統(tǒng)的硬件儀器資源出現(xiàn)故障后，通過運行自檢程序即可快速將故障定位置至單個儀器資源，并更換上同類型儀器即可滿足使用要求，十分便于用戶后期進行測試系統(tǒng)的維護。通過在外場使用表明，基于本文所述方法設計的機載電子系統(tǒng)原位測試系統(tǒng)具備易攜帶、操作便捷、效率高等優(yōu)點，滿足外場使用需要，為直升機外場排故提供了有效便捷的手段。

6 結(jié)束語

針對現(xiàn)代直升機機載電子系統(tǒng)外場故障檢測和隔離困難等問題，設計了原位測試系統(tǒng)及其具體實現(xiàn)方法。利用PXI總線技術(shù)構(gòu)建了測試系統(tǒng)的硬件平臺，基于SGTS軟件平臺進行TPS的設計開發(fā)。其中，三通轉(zhuǎn)接電纜的設計實現(xiàn)了測試時機載電子系統(tǒng)不下電、不拆件。面向信號的TPS開發(fā)采用XML文件作為測試系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互載體，有效解決了TPS跨平臺移植和測試資源互換困難等問題。自動TP和手動TP的結(jié)合設計，既保證了測試效率，又實現(xiàn)了測試時對機上電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。該原位測試系統(tǒng)已應用于某型直升機外場故障檢測，對提高機載電子系統(tǒng)外場故障診斷效率發(fā)揮著重要作用。