基于數據庫的飛行器通用測試平臺設計

黃 皓，方 媛，尹祿高

（北京宇航系統工程研究所，北京100076）

隨著飛行器型號種類越來越多，測試數據量越來越大，依賴人工判讀與耗費時間的測試設備架構已很難適應新的自動化要求，而自動測試系統（ATS）具有檢測效率高、測量準確度高、自動化程度高、故障定位準確、可靠性高、操作簡便等特點，已廣泛應用于國內外電子系統的研制、生產、測試、檢驗的各環節中。因此ATS開發研究是飛行器型號測試實現自動檢測和保障的必經之路，也是衡量生產測試現代化水平的一個重要標志[1]。

當前虛擬儀器的發展目標是實現“軟件就是儀器”，該含義就是利用高性能模塊化的硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試和自動化的應用。靈活高效的軟件創建自定義的用戶界面，模塊化的硬件則方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。其核心的思想是利用計算機強大資源使本來需要硬件實現的技術軟件化，以便最大限度地降低系統成本，增強系統功能與靈活性[2]。

本文介紹了一種以現代的自動測試思想和虛擬儀器技術為基礎，通過利用商用PXI總線技術，建立以PXI總線模塊為硬件平臺核心的ATS的設計方法。該ATS采用Access數據庫配置型號的測試信息方式，PXI模塊選型對應的信號測試功能需求，實現多型號測試功能綜合集成于同一測試平臺，并且后期系統維護升級通過替換PXI模塊即可簡單完成，最終達到飛行器電氣系統測試平臺柔性配置，以及通用化、系列化、模塊化等目的。

1 測試原理及方法

大型飛行器電氣分系統測試原理可歸納總結為測試系統發出激勵信號給被測對象，并且從被測對象采集響應信號。以舵機系統為例，舵機系統采用3環控制方案，即由電流環、速度環和位置環3個回路組成，電流環和速度環稱為內環，位置環稱為外環。其結構如圖1所示。

圖1 舵機位置隨動控制功能框圖Fig.1 Control function of servo position block diagram

舵機執行機構本質為電機伺服控制，電樞回路電壓平衡方程：

式中：Ua（t）為電樞電壓；Ra和 La分別是電樞電路的電阻和電感；ia（t）是電樞電壓所產生的電樞電流。

Ea是電樞反電勢：

式中：Ke是電勢系數；ωm（t）是電機轉速。電磁轉矩方程：

式中：km為電機轉矩系數；Mm（t）是電樞電流產生的電磁轉矩。

電機軸上的轉矩平衡方程（忽略磨擦等因素）：

式中：Jm是電機和負載折合到電機軸上的轉動慣量。當La較小時，可將其忽略，則電機的傳遞函數：

式中：k=1/Ke。

利用Simulink工具箱進行原理功能框圖的搭建與激勵數據模擬，通過觀測仿真過程中的參數數據變化情況，可以驗證總結的控制規律數學模型是否正確，同時為測試平臺輸出給控制舵機激勵信號提供依據[3]。

舵機位置隨動曲線仿真結果如圖2所示，通過仿真結果可以明顯看出，舵機最終位置收斂并趨于3.3 V。

圖2 舵機控制位置信號仿真圖Fig.2 Signal simulation of the servo position

建立被測對象理論模型為測試平臺應用功能驗證提供了目標與參考依據，測試平臺通過發出激勵信號，并監測舵機反饋信號，一方面驗證舵機系統工作是否正常，另一方面驗證測試平臺的測試覆蓋性。

根據飛行器ATS設計要求，測試系統主要由硬件平臺、軟件平臺和自動測試流程TPS組成。其中硬件配置主要由：PXI測控組合、電源、電源控制組合、測試適配器及系統自檢裝置等組成。PXI測控組合為系統核心，主要由PXI機箱、PXI總線儀器、鍵盤、顯示器、鼠標組成。

由PXI測控組合通過繼電器模塊控制電源、D/A模擬輸出模塊控制激勵信號輸出，經過信號適配器隔離及調理后，轉接至被測對象測試接口，同時監測被測對象的信號響應，響應信號經過適配器轉接調理后送至PXI采集模塊。

其中適配器是通用測試平臺中為了通用激勵源匹配各型號信號測試接口的一個適配環節，這也是通用平臺與專用測試需求之間必需的接口轉換。通用核心部分為PXI模塊，由如下部分組成：

1）繼電器模塊NI PXI-2569，提供繼電器開關的閉合與斷開，一方面用于內部控制功能，例如：電源控制組合內電源輸出通斷，另一方面提供開關指令，例如短接指令、28 V指令等。

2）D/A模塊PXI-6733，提供模擬量激勵的信號源，其輸出范圍為±10 V，單通道最高可達1 MS/s，若通道全部工作也不低于740 kS/s，輸出精度也達16位，有效地保證直流和低頻率交流信號的激勵指標要求。

3）數字萬用表模塊PXI-4065，為一款六位半的PXI數字萬用表，內置7種測量模式：AC/DC電壓、AC/DC電流、2或4線制電阻、以及二極管測試。并且在最高精度六位半下最大速度可達10次/s。

4）多路復用開關模塊PXI-2575，可配置196×1 1線模式或98×2 2線模式，最大承載可達100 VDC，100 VAC，每個繼電器 1 A。

5）模擬量采集模塊PXI-6259，為一款32路16位精度，最大采樣率達1.25 MS/s。

6）示波器模塊PXI-5154，最大可提供2 GS/s實時采樣率，帶寬可達2 GHz，可設置邊緣、窗口、數字等觸發模式，為信號動態監測、排故等提供了工具和手段。

測試系統應用軟件是基于虛擬儀器自動測試系統的重要核心組成部分，從通用化、模塊化角度出發，頂層設計應采用分層次、模塊化軟件體系結構與面向對象的編程方法。軟件程序包括數據管理、任務管理、測試執行以及輔助功能等幾大功能，其中任務管理具有測試流程導入、修改、刪除、查詢、瀏覽等編輯功能；測試執行具有型號測試流程選擇、連續執行、單步執行、中斷、暫停等功能；數據管理及輔助功能具有權限管理、底層配置數據查詢等功能。

2 軟件設計

測試應用軟件在當前虛擬儀器時代的特點就是其控制面板由計算機軟件界面取代，由計算機控制儀器硬件，軟件框架如圖3所示。依據通用飛行器測試平臺軟件需求，軟件開發考慮的要素有如下幾點：必須與底層PXI板卡驅動接口兼容；良好的人機交互界面；底層配置文件的有效管理。綜合以上幾點，數據庫應用層設計選擇使用Access數據庫，而用戶層選擇LabView作為平臺界面及功能開發工具。

LabView軟件開發工具是開發一個測試系統的高效選擇，其采用圖形化的編程語言、直觀的前面板和流程圖相結合的方式來構建虛擬儀器。相對于傳統編程方式而言，LabView簡單易學，節省了開發周期，豐富的圖形界面組件和庫函數為用戶設計各種專業軟件提供方便，有著廣泛的應用[4]。

圖3 虛擬儀器測試系統軟件框架圖Fig.3 Software architecture of virtual instrument test system

但是在使用LabVIEW軟件開發該通用平臺過程中，很重要的一個考慮因素是用戶需對采集到的數據進行顯示、查詢、刪除、分析、報表、打印等操作。這就需建立安全高效的數據庫對數據進行管理，雖然LabVIEW擁有強大的設計功能，但是它本身并不具備數據庫訪問功能，需要其他的輔助方法來進行數據庫的訪問。對通用測試軟件平臺而言，需要底層文件靈活配置來實現對不同型號的擴展，從而達到軟件的通用性。所以采用Access數據庫方式來保存測試信息，包括測試參數、信號配置、測試流程等。

2.1 數據庫應用層設計

Access數據庫訪問操作通過ADO技術完成，而數據庫訪問工具包LabSQL是一個免費的、多數據庫、跨平臺的工具。它支持Windows操作系統中任何基于OBDC的數據庫，利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數據庫訪問，將復雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs。它的優點是易于理解、操作簡單，不熟悉SQL語言的用戶也可以很容易地使用[5]。

飛行器通用測試軟件平臺采用LabView圖形化編程開發工具開發，一方面可以設計開發具備友好風格的界面，另一方面利用LabView強大的板卡操作驅動工具包控制板卡的I/O信號，并且可使用LabSQL控件操作底層數據庫配置與讀寫，形成數據庫配置信息到PXI板卡I/O操作的完整鏈路。其中LabSQL VIs按照功能可以分為4類：Command VIs，Connection VIs，Recordset VIs和 Top Level VIs。

1）Command VIs的功能是完成一系列的基本ADO操作，例如創建或刪除一個Command，對數據庫的某一個參數進行讀或寫等。

2）Connection VIs的功能是管理 LabVIEW 與數據庫之間的連接。

3）Recordset VIs用于對數據庫中的記錄進行各種操作，例如創建或刪除一條記錄，對記錄中的某一個條目進行讀或寫等。

4）Top Level VIs屬于頂層的LabSQL應用，對前3類LabSQL VIs某些功能的封裝，例如SQL Execute.vi可用于直接執行命令。

2.2 數據庫配置設計

測試平臺的軟件測試配置信息通過Access數據庫記錄讀取方式，為了實現柔性化配置，采用多表單配置方式，即通用表單對應于通用硬件配置信息，專用表單對應于獨特專用的配置信息。軟件用戶層首先根據型號索引相應型號專用數據庫表單，再通過表單鏈接索引方式，將該型號參數信號與模塊一一對應，實現對參數的操作解析翻譯成模塊操作。若未來擴展型號，硬件方面增加型號適配器，而軟件對應增加相應數據庫表單即可，大大減少軟件系統重新更改設計的工作。

測試數據庫組成有手動執行、自動流程執行、被測對象與適配器關系、適配器內部關系、適配器與PXI關系這幾個表單。軟件界面以及測試數據庫表單的相互間索引關系如圖4所示。

圖4 參數數據結構索引關系示意圖Fig.4 Schematic diagram of index relationship of parameter data structure

通過索引關系建立起參數與底層硬件模塊的映射，而且更換型號適配器只需更換對應的適配器信息與參數名稱即可完成柔性化擴展，通用平臺的數據庫分表配置信息架構非常適用于設計可擴展多型號的軟件平臺。

2.3 用戶層設計

從飛行器電氣系統通用測試平臺的軟件需求角度出發，軟件需要具備的功能有[6]：

1）用戶登錄功能，包括型號選擇、操作選擇、登錄口令等管理；

2）權限管理、測試配置瀏覽以及部分測試功能，其中測試功能包括測試界面、手動測試界面、自動測試流程TPS編輯生成；

3）底層測試數據庫設計功能；

4）與底層板卡驅動的數據控制交互功能；

5）自動測試界面自動執行功能。

2.3.1 登錄權限管理功能

測試軟件登錄界面中有 “型號選擇”、“操作選擇”、“用戶名”、“密碼”、“進入”等輸入控件，軟件根據數據庫設置值來決定用戶是否具備該型號測試或者配置等權限，例如軟件平臺為最高權限管理員提供人員權限管理入口。管理員進入人員權限配置界面后，可以查看所有用戶及權限分配情況，同時可以直接編輯人員與其對應的型號權限分配設置值。

用戶名與密碼為最高權限者分配給測試用戶的進入口令，若未分配權限或者密碼輸入錯誤，信息框將會提示錯誤。若用戶名和密碼正確，軟件將自動進入測試界面。

2.3.2 測試執行功能

自動測試流程的執行與配置編輯在測試界面完成，為了滿足測試軟件管理要求，程序要求用戶必須具備管理員Administrator權限，程序才提供修改底層自動流程數據庫入口，而普通用戶只具備執行自動測試流程的權限，從而形成自動流程版本與更改的管理控制。

測試執行界面采用表格、文本框、指示燈、按鈕等控件元素組成，自動測試載入的操作步驟基本如下：

1）測試操作選擇“自動操作”，選擇測試流程，默認為“型號自動測試流程表”；

2）點擊“讀取自動流程”，將會加載該測試流程，并且在自動測試流程執行表中顯示；

3）載入自動測試流程后可“自動執行”、“單步執行”、“暫停”或“終止”。

為了更好驗證系統工作狀態預期，通過A/D模塊監測采集舵機系統的位置信號，其回放數據曲線如圖5所示，可以觀察到波形與仿真結果一致，比較好地驗證了系統測試功能穩定并且效果與預期一致。

圖5 舵機位置信號監測圖Fig.5 Signal monitoring graph of the servo position

3 結語

本文詳細介紹了通用飛行器測試平臺架構設計方法，即采用PXI總線儀器模塊架構為硬件基礎，軟件開發方面使用圖形編程工具LabView結合Access數據庫柔性配置測試信息的方式，并且該設計平臺結合某型號飛行器分系統的測試，試驗結果表明，效果滿足系統要求，該方法可作為類似系統平臺設計的參考。

[1]趙麗.某型號雷達導引頭測試控制系統的設計[D].成都：西南交通大學，2008.

[2]何遠輝，譚業雙.基于PXI總線的某型裝備自動測試系統[J].四川兵工學報，2009，30（5）：83-85.

[3]鮑傳美，陳剛，李云.基于Matlab/Simulink的電動舵機系統建模與仿真[C]//企業產品國際化與微電機技術論壇，2006.

[4]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]王瑞，張彥軍，于曉光.基于PXI總線的遙測信號測試平臺的設計[J].微型機與應用，2010，29（3）：11-16.

[6]趙鵬，蔡忠春，李曉明，等.某型飛機發動機故障診斷專家系統設計[J].計算機測量與控制，2014，22（12）：25-27.