直升機無線電系統可重構測試平臺技術研究

宋武濤

(哈爾濱飛機工業集團有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150066)

直升機無線電系統可重構測試平臺技術研究

宋武濤

(哈爾濱飛機工業集團有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150066)

本文簡單的闡述了直升機機載無線電系統通用測試手段的研究,采用可重構技術,解析了測試平臺設備硬件的搭建及測試軟件框架。

總線data bus 采集 可重構Reconfigurable 自動測試系統ATS

隨著直升機無線電系統產品不斷升級換代，常用的無線電系統測試設備都是分立式儀器，通常依靠組合儀器的方法來測試多功能的產品性能，而大量新產品采取“數字化”、“綜合化”、“模塊化”為方式設計，測試內容多、工作量大、數據處理復雜，模塊化是實現高度綜合化的基礎，離開了模塊化，航空電子系統就不可能進行功能綜合，不可能實現動態重構，也不可能實現維護體制[1]。因此，研究可重構的以通用化、系列化、模塊化為標準的無線電通用測試平臺成為解決問題的最佳手段。

1 簡介

機載無線電產品在裝機、維護過程中需要進行檢測工作，產品之間接口不同、參數不同、邏輯形式不同，每個產品需要配備一套專用檢測設備，通常采用專用測試臺與傳統儀器的組合形式，其測試功能基本滿足部分產品檢測和維護需要，由于儀器數量多、種類雜、重量重，人工操作精度低，易產生人為差錯，出現差錯時也難以查找，同類設備之間不能復用等等諸多因素，導致不同時期的新舊設備混合使用，存在同類設備重復配備的情況，浪費了大量資金，浪費嚴重人力和物力，尤其是在當前以數字化、綜合化、模塊化為主的先進電子設備面前，更是顯得無能為力。

通過對可重構的直升機無線電系統通用測試平臺的研究，解決一套設備適應多種直升機、不同廠家生產的無線電產品的通用試驗需要，又能調整測試程序軟件重新構成不同型號產品性能指標的檢測要求，完成裝機前產品檢測和系統交聯試驗以及產品單機檢測和實物/部分實物交聯試驗任務，在試驗室內構建與直升機無線電系統工作環境相類似的試驗環境，把系統問題解決在裝機之前，為提高無線電系統裝機質量和電磁兼容性奠定基礎。

2 測試需求

通過分析直升機無線電系統信號類型和參數，制定通用測試平臺的技術指標：

A.直流電壓輸出：

電壓范圍：0～33VDC，誤差：±0.1VDC;

輸出功率：1200W;

圖1 系統功能配置框圖

B.交流電壓輸出：

電壓范圍：0～270VAC，誤差：±0.1Vrms;

頻率范圍：45～500Hz，誤差：±0.1Hz;

輸出功率：800VA;

C.隔離模擬輸出：

范圍：±20V，分辨率：12位;

D.數字I/O信號：

5V TTL/COMS;

E.音頻信號輸出：

幅度范圍：0.5mV～5Vrms，幅度誤差：±1mV;

頻率范圍：20～20000Hz，頻率誤差：±1Hz;

F.射頻信號輸出：

頻率范圍：100kHz～1.05GHz，頻率誤差：±10Hz;

幅度范圍：-141dBm～+5dBm，幅度誤差：±0.1dBm;

G.電壓測量：

直流電壓：范圍：0V～300V，誤差：±1%;

交流電壓：范圍：0mVrms～50Vrms，誤差：±1%;

H.電流測量：

范圍0-1ADC，0-1ACC，誤差：±100μA;

范圍0-20ADC，0-6ACC，誤差：±0.1A;

I.電阻測量：

范圍：0Ω～100MΩ，誤差：±0.1%;

J.波形測量：

帶寬：500MHz，分辨率：8位;

測量范圍：±25mV～±25V;

K.同步輸入/輸出信號：

基準：26VAC/400Hz;

角度范圍：0～360°;

角度輸出誤差：±0.1°;

角度測量誤差：±0.1°;

圖2 軟件的層次結構圖

圖3 軟件的邏輯圖

圖4 測試平臺結構圖

圖5 通用測試平臺外觀圖

L.數據總線信號：

具備ARINC429、RS422、RS485、1553B和GPIB串口總線;

M.傳輸功能;

具有單工、半雙工、全雙工方式，分成高速和低速速率傳輸。

3 技術分析

3.1 框架設計

設備可重構就是在不改變設備現有功能的基礎上，通過調整測試程序軟件改變成適應另外一種產品的測試設備，逐步形成使用同一套設備改變不同連接方式、應用不同測試軟件達到適應直升機無線電系統各類產品檢測的目的。在外部看來，測試方法和過程沒有任何變化，只是對程序內部結構進行調整，使其適應性更強、測試更容易，測試模式和架構更趨合理，提高測試設備的擴展性和維護性。

測試平臺架構的可重構性是研究的技術關鍵，包括測試平臺的硬件構架和軟件構架，主要研究以國內外成熟的總線測試方法為基礎，應用虛擬儀器技術，基于數字化和離散信號的測試理論，以PXI總線規范概念和相關軟件為鏈路，結合多種直升機機載無線電系統的特點，研制功能齊全、性能可靠的通用測試平臺，同時充分利用現有配置的硬件設備和結構設計能力，增加少量附件，調整局部連接，就可以方便地完成功能擴展和軟件升級的目的。

無線電系統產品具有信號幅度弱、頻域寬，調制信號種類多、穩定度要求高的特點，采用專用設備來滿足信號發生、調制信號的解調、高頻信號傳輸、收發功能轉換等需求。通用測試平臺是集成的高性能的功能測試系統，其主要包括PXI總線儀器、GPIB總線儀器、計算機外設等資源組成。檢測系統包含電源信號、角度信號、音頻射頻信號、數字信號、模擬信號，開關信號等各種資源，可測試范圍覆蓋數字、模擬、數模混合、微波段的電路板、模塊以及設備。通用測試平臺功能配置框圖參見圖1。

無線電通用測試平臺設計了一套完整的TPS開發和執行的平臺，在該平臺上可獨立完成被測設備的TPS開發、調試和故障檢測診斷。執行環境調用開發完成的TPS，自動完成對被測試設備的測試和診斷，同時在執行環境內提供了手動測試接口，測試人員可以以手動的方式對測試設備進行測試和診斷。開放式設計、友好的人機界面、操作簡單不需要特殊培訓;采用測試功能逐層劃分方式，布局合理、美觀，符合使用習慣;采用連續檢測方式，檢測文件自動生成。

3.2 軟件設計

3.2.1 設計思想

測試軟件選用VC++開發 ，結合Lab Windows/CVI特點，內置了GPIB、RS232串口和插入式DAQ辦的庫函數，提供多種界面的生成、編程、調試工具。按照軟件工程的要求和測試的過程，對軟件進行模塊化設計，確保開發過程與結果的工程化、規范化，充分利用面向對象、測試流程交叉鏈接等軟件設計方法，采取框架式的軟件結構把數據和測試流程分開，數據(包括系統配置參數和測試結果數據)由關系型數據庫管理系統進行管理，遵循分層設計思想，采用模塊化組件設計思路，保證程序的擴展性和可維護性，適合并行開發，同時可提高軟件的重用性和可維護性。而且模塊劃分采用局部化思想，要求在一個模塊內集中邏輯上相互關聯的計算資源，從而保證系統模塊之間具有松散的耦合關系，在模塊內部具有較強的內聚性，能夠有效降低系統復雜度。同時，利用組件開發測試系統應用程序的過程與搭積木的過程相似，一般是先構筑系統的總體框架、然后構造各個組件，并依次把組件組裝到系統中去。

3.2.2 物理結構

按照總體結構設計思想，將軟件在物理上實現分層，各層結構相對獨立，功能相對集中。各層具有相對統一的接口，只能與相鄰層發生直接交互，接收上層的命令，提供相應的服務，或向下層發出命令，提出服務請求。從根本上保障程序的可維護性和擴展性，依據測試平臺的特點，將軟件劃分為五個層，它們自頂向下依次是應用層、應用接口層、組件層、驅動層、資源層。軟件層次結構如圖2所示。

應用層：是該軟件的最頂層，直接面向用戶，具有圖形化的界面，提供豐富的數據和數據分析結果，使用人性化的向導和提示信息為用戶操作提供支持。它完成用戶輸入數據的記錄，響應用戶的各種觸發(包括鼠標和鍵盤)，顯示操作狀態和結果。

應用接口層：包含一系列的規范和函數，依據測試平臺的特點和規范，按照功能和類別定義了對上層(應用層)的接口，應用層的對外訪問依據這些接口定義和規范，包括數據庫訪問接口、文件訪問接口、面向信號的測量資源接口、面向路徑的開關資源接口、面向信號的激勵接口、通信總線接口、其他接口。本層只是定義層，目的是規范應用層的設計和實現，應用層的規范化的服務請求經過解析，向下層(組件層)傳遞。本層同時接收下層(組件層)的服務信息數據，并進行規范化，然后向上層(應用層)傳遞。

組件層：包含按類別區分的各種函數庫(COM組件、dll文件等)。主要功能包括：數據庫的訪問，文件讀寫，硬件設備驅動，通用管理功能，通用算法實現。本層接收上層(應用接口層)的請求，完成相應的功能和操作，把得到的結果傳遞給上層(應用接口層)。

驅動層：本層包括各種硬件設備的驅動程序，數據庫自動化接口(ADO)。硬件驅動程序完成對硬件資源的控制和通信，數據庫接口能夠實現對指定數據庫的訪問：數據添加，數據修改，數據刪除，數據表創建，數據表刪除。本層被組件層調用，控制資源層的軟硬件資源。

資源層：本層包括數據庫和系統的硬件資源，是該軟件的最底層，使用ACCESS數據庫，硬件資源包括各種臺式儀器、板卡、適配器、和被測部品(UUT)。

3.2.3 邏輯結構

軟件的邏輯關系體現了軟件各部分相互依存、數據傳遞的狀態，如圖3所示，對上面的軟件結構進行邏輯關系分析，可以得到三條主要關系路徑：

(1)數據庫文件---數據庫驅動程序---數據庫組件---(系統登錄、系統日志、數據庫備份與恢復、幫助信息、故障診斷);(2)數據庫文件---數據庫驅動程序---數據庫組件---系統管理---管理組件;(3)數據庫文件---數據庫驅動程序---數據庫組件---(開機自檢、系統自檢系統校準、虛擬面板、自動測試)---硬件驅動組件---硬件驅動程序、函數庫---(臺式儀器、板卡、適配器、UUT)。

其中第(1)和第(2)條關系與硬件驅動無直接關系，第3條關系覆蓋了軟件大部分結構，是本軟件的主要邏輯關系。3條關系中都包含“數據庫文件---數據庫驅動程序---數據庫組件”，所以數據庫設計是本軟件的重要部分，數據庫設計需要綜合考慮整個軟件的需求，數據庫設計的優劣直接影響到軟件的成敗。

3.3 結構設計

測試平臺采用以PXI、GPIB總線為基礎的混合總線方式。系統主要的數據采集、信號轉換、狀態控制、標準信號激勵等采用PXI總線儀器，而電源、射頻、微波等儀器資源則采用GPIB總線接口設備。測試時，專用接口適配器一端接入系統，另一端接被測產品，完成從系統通用接口到產品專用接口的轉換。主要包括主控計算機、PXI總線儀器、GPIB總線儀器、適配器單元、電源單元、接口單元和擴展單元等組成。系統儀器設備以PXI插卡形式為主，儀器的顯示面板及操作則運用虛擬儀器技術統一由計算機顯示屏以軟面板的形式實現，這樣既避免了儀器設備在機箱、電源、面板等方面的重復配置，又大大降低了系統的體積和重量。系統基于PXI總線，能把GPIB和串口總線儀器平臺集成到PXI測試系統中[2]，使系統具有數據傳輸速率高、數據吞吐量大、系統組建靈活、易擴展、資源復用性和標準化程度高等優點。GPIB總線控制儀器均為標準上架裝配，方便根據測試任務的不同拆卸組成適應不同測試任務的測試系統。

平臺采用標準可移動的機柜架構，控制總線采用PXI/GPIB混合總線，資源主要為PXI、GPIB和PCI總線儀器，選用VPC公司標準接口作為系統檢測標準接口，測試平臺結構框圖參見圖4。

(1)通用測試平臺包括兩部分，一部分是嵌入式處理器，負責對計算機軟硬件資源和測試平臺模塊化儀器的軟硬件資源進行配置及管理;另一部分是測試平臺的模塊化儀器，包括程控電源模塊、通用開關模塊、多路通用開關模塊、矩陣開關模塊、波形發生器模塊、數字I/O模塊、多通道D/A轉換模塊、角度信號仿真器和角度位置指示模塊等。模塊化儀器都通過專用電纜接入ATE接口適配器。

(2)通用測試平臺的處理器通過GPIB總線接口控制電源，自動實現部品升降壓實現、激勵信號的線性變化和階躍變化。電源信號通過電纜接入PXI接口適配器。

(3)接口適配器包括兩部分，一部分是緊固安裝的機械夾具，包括信號模塊的墊塊和測試適配器的緊固件。其中模塊墊塊有多種型號，以“模”為單位度量，有6模、10模、25模、50模等大小不同的規模，根據信號點的多少，選取不同大小的墊塊。根據被測對象的需求及充分考慮系統的擴展性，本系統選用18模的墊塊。測試適配器的緊固件一是保證測試適配器與本適配器信號的安全接觸，二是具有一定的負載能力，能承受測試適配器的重量，降低組建自動測試平臺的復雜程度。另一部分是不同的信號模塊連接器，主要分為電源模塊、信號模塊、微波信號模塊等，不同的模塊具有不同的大小，一般一個模塊占1個“模”的空間，也有一個模塊占2個“模”的空間。根據信號多少、信號種類選取不同的信號模塊，靈活配置，是結構化設計思想的體現，同時也符合經濟原則要求。

(4)專用測試適配器是模塊化設計思想的重要體現，是通用接口平臺與被測部品的信號“紐帶”，起著連接、轉換、補充通用平臺信號與被測部品之間的重要作用。專用測試適配器一方面實現部品獨有激勵信號的產生、調理，是通用平臺資源的有效補充，另一方面實現被測部品輸出信號調理，使之適合于通用平臺的測試，從而有效減少通用平臺的資源浪費，降低平臺的成本。

4 研究應用

研究無線電通用測試平臺結合了多型直升機的測試需要，采用模塊化、結構化的設計思路，選取計算機程序控制手段，應用總線通訊、信號采集處理和無線電信號解析技術，構建測試平臺的硬件架構和軟件架構。依據測試需求分析和性價比的要求，選擇基于總線儀器、信號處理模塊與工控機組合的方案，提供詳細的檢測數據，幫助專業人員快速、準確的判斷、排除故障，提高工作效率，有效的控制成本。同時，平臺具有體積小、操作簡便、連接可靠等特點，具備極強的延續開發能力，只需添加相應的適配模塊，而不必對整個測試設備進行改動，即可建立相應產品的試驗能力，可延續擴充其他項目的檢測，逐步豐富平臺的檢測能力，為多型號直升機生產和維護提供有利保障。通用測試平臺外觀圖參見圖5。

5 結語

以通用化、系列化、模塊化為基準研制的無線電通用測試平臺，已經在哈飛公司某型機無線電設備的定檢級和維修級性能測試與輔助故障診斷中投入使用，提高了公司機載無線電系統測試設備的自動化、通用化和自主維修保障能力，比以往分立式儀器有了質的飛躍，為直升機生產和維護提供有利保障，實用性強，可靠性高，具有推廣價值。無線電系統通用測試平臺結合飛機生產檢測、維護需要和自身機載附件的修理經驗，運用先進測控技術在通用測試設備開發方面做了一些有益的嘗試，逐步完善成為通用ATE(自動測試設備) /ATS(自動測試系統)，希望在經濟、實用、可靠的前提下開發提供技術上領先、經濟上實惠的測試設備，用自己綿薄之力推動國內航空測試技術的向前發展。

[1]熊華鋼.先進航空電子綜合技術[M].國防工業出版社,2009(1)：14.

[2]秦紅磊.自動測試系統硬件及軟件技術[M].高等教育出版社,2007(10)：126.

宋武濤(1969—),男,本科,高級工程師,致力于航空電子產品測量及其技術研究。