一種飛機無線電高度表原位檢測儀的設計

趙波+魏俊淦++田建學

摘 要： 基于飛機外場原位檢查無線電高度表的目的，采用PC104工控機和STM32嵌入式處理器為系統核心研制了高度表原位檢測儀，包括功能框圖、各模塊的設計思路，軟件功能劃分和體系結構，實現高度表信號隔離和電平轉換，產生高度模擬信號、指示器模擬信號、提供高度表檢查信號，對正常、告警跳閘信號進行指示，對線性高度電壓、非線性高度電壓進行測量，該設計實現了簡便友好的人機交互，已經在航空檢測中使用驗證。

關鍵詞： 高度表； 原位檢測； 高度模擬； 單元電路

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0075?03

無線電高度表實時測量飛機至地（海）面的真實高度，測量的高度數值在指示器上進行指示，同時高度電壓輸出到自動駕駛儀和導航計算機進行飛行控制，輸出到飛行參數記錄儀記錄高度表工作狀態。高度表性能對飛行安全有著重要的影響[1]，按照飛機維護工藝卡片要求，需要定期對高度表輸出的高度數值和高度電壓以及代表高度表工作狀態的跳閘電壓，高度表良好電壓等進行檢查和測量，為此研制了某型無線電高度表原位檢測儀（以下簡稱原位檢測儀），使其可以在外場對高度表在安裝位置上直接進行性能測試。

1 硬件設計方案

原位檢測儀功能框圖見圖1。原位檢測儀包括電源模塊、PC104、信號調理電路、數據采集模塊等。它通過測試電纜和高度表檢測插座相連，負責產生高度模擬信號、指示器模擬信號、提供高度表檢查信號，對正常、告警、高度正常、閉鎖、危險高度、跳閘信號顯示，對線性高度電壓、非線性高度電壓進行測量和顯示，可單獨完成外場的檢測任務[2]。

1.1 系統控制板和觸摸屏

系統控制板擬采用研祥生產的104?1816CL2NA，是一款基于Intel?新一代凌動Bay Trail SoC 平臺的104 主板，CPU 選用Future Intel? Celeron? Processor for Intelligent Systems（based on 22 nm Intel? Silvermont MicroarChitecture），主頻為4 核2.0 GHz，圖形核心整合Intel第七代圖形引擎、兩條顯示管線，支持DX11及3D 輸出。配備觸摸顯示屏，亮度要求達到1 000 nit，確保在強光下也能看到顯示內容[3]。采用Windows操作系統作為系統軟件支持平臺來進行資源的統籌管理，采用CVI8.0進行編程，對檢測信號的處理和控制；使用研華的PC104數字采集模塊和信號調理板進行通信，其功能上可實現多點自動測試、單點自動測試、手動測試，對測試結果可實現顯示、存儲。因而具有技術先進、功能較強、自動化程度高的特點。

1.2 信號調理板

信號調理板見圖2，信號調理板用于安全連接高度表電路，并對模擬量的幅度進行變換，使其幅度滿足A/D采集卡對信號幅度的要求。對控制信號進行信號隔離和電平轉換，高度表設備控制信號和狀態信號為27 V，而STM32處理器無法忍受27 V的電壓，需要對電平轉換。對需要檢測模擬信號進行變換，這里包括幅度和極性，使其幅度在A/D采集電壓范圍之內，對交流信號檢測，采取把交流電壓線性變換為直流電壓方法來實現。在本檢測設備中需要檢測的模擬量有：DC 27 V電源、AC 115 V電源和AC 36 V電源，線性和非線性電壓，音頻電壓，還有高度及速度模擬輸出電壓。其中DC 27 V、線性非線性電壓為直流電壓；音頻電壓、AC 115 V和AC 36 V電源為交流電壓[4]。

高度、速度模擬信號是通過D/A轉換器產生符合要求的電壓信號，原理見圖3，高度模擬時，為一個固定的電壓；速度模擬時為一個隨時間變化的三角波。然后加到電壓放大器使其輸出符合測試要求的電壓（6.2～8.5 V）。最后加到射隨器，進行阻抗變換。當需要高度速度模擬時，把控制信號和模擬信號一起加到高度表[5]。

1.3 電源電路

電源電路用于提供PC104、STM32和信號調理部分需要的+12 V/1 A，-12 V/1 A，+15 V/1 A，-15 V/1 A，

+36 V/1 A，-36 V/1 A，+5 V/4 A電源。

1.4 測試電纜

高度表測試電纜用于連接原位檢測儀和高度表檢測插座。

2 軟件總體方案

2.1 研制思路

以現代故障檢測理論為指導，以外部輸入激勵進行功能、性能檢測的黑盒測試方法為基礎，以故障樹分析算法為核心，對高度表設備進行軟硬件快速檢測和故障定位。軟件結構上采用模塊化、開放式結構，軟件可以靈活配置。盡量釆用標準模塊，根據不同接口、不同測試要求進行構建。

2.2 檢測設備功能模塊劃分

如圖4所示，測試軟件由人機界面顯示模塊、數據庫管理模塊、高度速度模擬模塊、離散量檢測模塊、串口通信模塊等，PC104還負責完成系統的初始化、自檢、用戶管理、檢測流程控制、檢測結果分析入庫等。

2.3 軟件體系結構

本系統軟件結構如圖5所示。

從結構上可將系統軟件分為硬件驅動層、接口協議層和應用軟件層三個層次[6]。

其中硬件驅動層用于提供應用層與硬件的通信接口，為了保護操作系統安全，系統不允許應用程序直接訪問硬件，因此必須通過驅動層使應用程序來訪問硬件；接口協議層包含所有測試協議及測試信息數據分流與控制模塊，測試程序的所有數據信息都在這層流動；應用軟件層包含用戶界面和系統功能模塊，與用戶進行友好交互，實現測試流程以及進行測試結果處理。

系統軟件由一系列功能模塊組成，包括系統自檢模塊、串行通信模塊、數據控制模塊、設備驅動模塊、數據顯示模塊和數據庫管理模塊等。系統軟件模塊與模塊之間采用消息方式進行數據通信。

2.3.1 硬件驅動層

其作用是使應用層程序可以訪問硬件，包括ADC轉換驅動、DAC轉換驅動等。提供各對外接口的協議包，接口協議等的打包和解析功能。例如對對高度表的控制及狀態監控，對電壓及電流的監控等，其作用是簡化應用層軟件對設備的訪問。

2.3.2 應用軟件層

應用軟件層包括檢測管理模塊及人機交互模塊。應用軟件層直接體現了檢測的過程和思路，是整個軟件系統的重點和難點。

其完成部分檢測任務，檢測管理任務除了調度檢測流程外，還要完成數據庫的管理、檢測報表生成等任務。

2.3.3 檢測管理模塊

檢測管理主模塊完成檢測的大部分管理工作，包括以下幾個方面：接收人機交互模塊發來的檢測命令并實施檢測流程；記錄檢測人、檢測時間、判斷授權情況，管理授權；高度速度模擬模塊的測量任務；生成檢測報告，生成報表。

2.3.4 數據庫管理模塊

該模塊和檢測管理模塊交互，可用于將歷史檢查結果存入數據庫，方便維護人員掌握各個裝備的歷史狀態；其次，可響應檢測管理模塊的請求從數據庫中查找特定數據，完成數據的檢索及統計功能，輔助維護人員判斷故障件。

3 關鍵技術

3.1 實時顯示高度表需要檢測的數據

本檢測設備把需要檢測的電源電壓、電流、線性、非線性高度電壓、模擬高度速度電壓、音頻信號的電壓、頻率及持續的時間、故障模擬電壓等都實時的顯示在觸摸屏上。為了保證檢測的準確性，檢測設備每次開機時，都進行一次自校，同時系統提供校驗接口，在校驗菜單下進行校驗。

3.2 檢測設備提供自檢

檢測設備對高度表輸入的每一路模擬信號和狀態信號都能提供校驗信號，對輸出的控制信號和模擬信號都進行閉環檢測，這樣能最大限度的判斷是檢測設備問題還是機載設備問題。

4 結 語

該檢測儀以工控機和ARM 微處理器為核心，具有體積小、重量輕等優點，非常適合外場對高度表的快速檢測。 實際應用表明，該系統方便易攜帶，完全可以滿足外場檢測精度和檢測速度的要求，同時還具有良好的經濟效益。

參考文獻

[1] 邸亞洲，周玉平，袁濤，等.無線電高度表綜合檢查儀的設計[J].測控技術，2014，33（6）：5?7.

[2] 程國曉，高憲軍，霍長庚.某型無線電高度表原位檢測儀的設計與應用[J].儀器儀表裝置，2011（10）：16?18.

[3] 陳勇，劉曉平，應懷樵.基于 PC104的高性能便攜式數據采集系統[J].測控技術，2008，21（1）：24?27.

[4] 馮玲.基于 C8051F005 無線電高度表檢測儀的研制[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[5] 譚忠吉，董正旭，石宇.某型高度表綜合檢查儀設計與實現[J].計算機測量與控制，2008，17（4）：715?717.

[6] 汪鳳蘭.軟件體系結構初探[J].計算機時代，2011（10）：1?2.