機載電子飛行儀表系統測控平臺研制

錢 偉，王海斌，楊 江

（中國民用航空飛行學院 飛機修理廠，廣漢618300）

隨著航空技術的發展和需要，基于大規模集成電路、微處理機、總線傳輸接口技術及多路切換技術的發展，現代飛機駕駛艙普遍用數字式顯示計算機替代以往機電式顯示儀表如地平儀、航道羅盤、電動高度表、馬赫空速表等，并將飛行、導航等大量信息進行綜合，形成電子飛行儀表系統（EFIS）。EFIS主要顯示內容包括主飛行顯示參數：如飛機姿態、高度信息、速度信息、A/P和A/T銜接狀態及工作方式、重要的警告信息；主要導航信息：包括各種導航參數與飛行計劃、系統故障信息等。這些數據信息主要通過 RS232、RS485、Arinc429、以及以太總線接口技術與航電系統其它部件進行交聯傳輸數據。飛行駕駛員通過EFIS顯示信息實時地對飛機工作狀態進行全過程操控，因此EFIS系統失效對于飛行安全影響很大。

如何實現對EFIS系統進行快速準確的性能測試及完成相應的故障自動診斷一直是航空維修領域研究的熱點，自從20世紀80年代以來，文獻[1]開始航空總線測試相關的研究。近年來隨著計算機技術的發展，功能更先進的總線測試裝備被相繼開發[2-3]，但是大多數測試平臺存在通用性差、可繼承性差的問題[4]，而西方國家應用各類總線技術開展的裝備測試技術具有自動化程度高、實用性強、擴展能力好等優點[5-8]。對于航空維修單位通常需要面對多種型號EFIS設備，如何設計實現一種適用于多種型號EFIS設備的測試平臺對于提高測試平臺的通用性與維修效率意義重大。

針對上述現狀，本文設計了基于虛擬儀器的機載EFIS系統測試平臺。該平臺能夠對被測設備性能進行記錄及故障判斷，具有檢測自動化程度高、通用性好、測試效率高、故障自動辨識等優點。

1 系統總體設計

自動測試平臺的設計主要分為硬件平臺與軟件平臺的實現，硬件平臺提供測試所需的物理資源接口，主要由計算機，繼電器控制板，通訊板卡，UUT適配器接口、連接電纜，程控電源，外置通用儀器（提供EFIS信號、導航信號、音頻信號等標準信號源以及電氣參數測量、信號完整性分析等功能的儀器設備）構成。軟件平臺利用虛擬儀器軟件LabVIEW實現測試界面設計、總線協議數據轉換、測試流程實現、測試結果分析，故障自動診斷，資源配置（包括啟動電源適配模塊，調用外部測試計量通用儀器、信道切換等）等功能。為了實現對多型號EFIS系統的測試，設計了多種被測設備接口，為了方便測試結果的存儲、打印及后續測試擴展，系統預留了VXI接口與USB接口。測試平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 測試平臺總體結構Fig.1 Structure of auto test platform

2 系統總體設計

整個測試平臺以工控計算機為核心，采用研華工控機通過總線方式與各物理資源和被測設備進行通訊連接，內置了PCI總線、GPIB總線、IEEE1394總線、VXI總線及USB串行總線等接口。通過PCI接口連接航空專用Arinc429總線通訊板卡，RS232/RS485串行通訊板卡以及AD/DA數模轉換板卡實現與被測試件的通訊以及相應的信號控制、數據讀取與協議轉換，利用AD/DA數模轉換板卡實現內部虛擬信號源與虛擬示波器，以減少外部設備需求，節約測試成本。

GPIB（general purpose interface bus）總線是程控儀器與控制儀器常用標準接口，測試平臺通過GPIB總線調用所需的外部通用儀器資源，包括調用射頻信號源、多功能萬用表、GPS模擬器、Arinc429數據發生器、波形發生器、示波器、通訊/導航綜合測試儀等。

通過VXI總線對相應控制器模塊、數字I/O板卡、32×24路繼電器矩陣開關板進行控制，以實現對信道資源、電源適配器的多路切換，以減少測控電纜的數量，還可對系統連接板上的各路電信號進行自定義，滿足后續的擴展需求。

測試平臺接口板與被測設備之間設計了國內通用航空常裝備的幾類EFIS設備的接口測試電纜，在測試過程中根據需要進行選用。接口板共設計了420路插針接口，現有的需求占用了220路插針，預留200路插針為以后擴展使用，該冗余設計可以適應不斷增加的其它類型EFIS設備的接口需求。

通過系統USB串行數據接口實現對測試數據的儲存和打印，只需要安裝相應驅動即可使用。系統的測試硬件結構如圖2所示。

圖2 測試平臺硬件結構Fig.2 Test platform hardware structure diagram

3 系統軟件設計

3.1 軟件平臺

LabVIEW是NI公司研制基于圖形化編輯語言Gui編寫而成的一種程序開發環境，被廣泛應用于測量及控制領域，并且集成了強大的函數庫可以被直接調用，還包括GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，因此平臺選擇以NI LabVIEW 2011為集成開發環境。

3.2 測試程序構架

測試平臺所需完成的功能是能夠對多型號EFIS系統進行自動性能測試以及根據被測設備的性能進行故障自動判別。程序設計按照模塊化設計思路在LabVIEW集成環境下進行了測試平臺軟件開發，主要包括驅動層設計及功能應用模塊程序設計，如圖3所示。

圖3 測試程序軟件構架Fig.3 Structure of test software

驅動層設計主要包括GPIB底層驅動，以及Arinc429，RS232/485 等通訊數據板卡驅動，便于在應用模塊程序中進行調用。在LabVIEW內部集成了大量可供調用的底層驅動庫函數，通過對Windows環境下DLL動態鏈接庫即可實現調用。對于EFIS模塊中的復雜虛擬顯示模塊，如飛行水平狀態指示器EHSI，它需要實時顯示EFISVOR方位，LOC/GS等導航參數信息，需要在集成開發環境下進行模塊開發，然后存儲到函數庫方便調用。數據庫用于記錄UUT的件號、序號信息，測試數據，故障信息等，平臺開發選用Access數據庫。在應用模塊程序中設計了系統自檢模塊、數據管理模塊、性能測試模塊、故障診斷模塊、工作模式選擇模塊等。

系統自檢模塊用于驗證測試平臺硬件的可靠性，通過自檢程序產生測試指令對硬件系統的輸出響應進行讀取，實現對測試平臺硬件平臺的狀態檢測。

模式選擇可以選擇設備的工作狀態，是進入自動測試模式還是進入人工半自動測試模式，方便對測試程序進行修正及對被測機件進行故障診斷。

最核心的模塊為性能測試模塊、故障診斷模塊及數據管理模塊，每個核心模塊下都可以選擇所需要測試的UUT類型子模塊，每個子模塊對應的測試程序及參考合格參數都嚴格對應維修大綱所要求的性能。

性能測試模塊通過調用GPIB儀器提供測試信號源及對響應信號進行計量測試，通過數據總線實現對UUT的遠程控制實現維修工作單所有的性能測試，并調用數據庫的參考性能參數對每一項測試結果進行比對，以判斷性能是否合格。

測試軟件嵌入了基于知識的故障專家系統模塊，對被測故障UUT進行故障診斷。該故障診斷系統知識庫以維修中心現有的大量EFIS設備維修數據為基礎進行故障診斷，并設計有知識獲取模塊，隨著不斷增加案例，其故障診斷率將會逐漸提高。為了提高故障診斷率，在推理機中并行設計了貝葉斯概率統計的診斷算法，在實際應用中能夠具有70%的故障診斷正確率。

測試數據管理模塊用于對數據進行存儲、打印、數據分析、測試報告生成等。

3.3 核心模塊程序

（1）GPIB 儀器驅動程序

LabVIEW集成了大部分知名測試儀器品牌如安捷倫、羅德施瓦茲、HP等廠家的測試計量儀器的GPIB驅動程序，以子VI的形式儲存于函數庫。在編寫程序時對各調用子VI進行配置即可實現測試儀器的程控。以測試中需要用到的羅德施瓦茲R&S 57綜合通訊測試儀的GPIB調用為例，其GPIB接口函數位于主菜單Functions目錄下Instrument I/O文件路徑中，分別調用GPIB Write和GPIB Read 2個子VI，完成對儀器GPIB接口的初始化。通過調用的子VI的前面板輸入窗口可以對參數進行讀寫配置，如設置所需要的信號源頻率、電平、選擇測試信噪比、失真度等，當變換參數進行配置時，只需將所有參數按照測試流程加入循環延時函數寫入子VI即可滿足自動測試需要。

（2）性能檢測程序

性能檢測程序是通過改變輸入參數及切換UUT工作狀態進行性能參數采集的過程。EFIS系統性能檢測主要分為控制功能測試與顯示測試，控制功能需要測試控制面板按鍵、旋鈕的切換功能、不同顯示方式以及參數設定功能是否正常。顯示測試主要用于測試各數據通道通訊是否正常，包括測試各種總線數據傳輸性能，顯示參數譯碼是否正確等。典型的EFIS系統性能檢測流程如圖4所示，每項測試相對獨立，測試時長用延時函數控制，完成所有測試所需時間約10 min。測試過程中每測試一項后將獲取的性能參數與數據庫的參考數據進行比對，對用Pass、Fail對每一項測試結果都進行標識，從而判定UUT的狀態。

圖4 典型EFIS性能測試流程Fig.4 Typical EFIS system test flow chart

性能檢測需要對EFIS系統的各路輸出信號進行讀取、分析、譯碼，EFIS系統通訊協議信號主要包括 RS232、RS485、Arinc429、以太等格式數據。 其中Arinc429總線協議主要用于設置工作參數、相關軟硬件配置及傳輸某些飛行參數。在LabVIEW提供的函數庫中沒有集成Arinc429協議數據的相關函數，為了方便LabVIEW進行數據讀寫，在計算機與被測設備之間利用Arinc429-PCI協議板卡對EFIS設備的Arinc429總線數據進行格式轉換，計算機可以在LabVIEW內部函數庫中直接調用PCI相關的功能模塊即可完成數據的讀寫操作。RS232、RS485總線協議主要用于導航參數指示，飛機姿態與高度、速度信息；以太數據作為冗余備份通道用以增加飛行數據的傳輸可靠性。相關總線函數模塊可直接在LabVIEW函數庫中調用。

4 測試流程與故障診斷流程

測試軟件流程如圖5所示，啟動系統后，首先運行系統自檢程序，檢測相關的硬件系統工作狀態是否良好，如果自檢通過系統將進入工作方式選擇頁面，包括數據管理、性能測試、故障診斷、工作模式選擇。實際的測試工作首先需要判斷相關的功能按鍵是否正常，此時需要選擇工作模式為人工測試模式，人工測試通過后再進入性能測試的自動測試頁面。進入自動性能測試頁面，選擇相應的被測型號后系統將會自動對資源進行配置，點擊啟動性能測試即可完成如圖4的所有測試流程。測試過程中，計算機會將測試數據與數據庫中的參考數據進行比對，利用Pass和Fail對測試項性能進行標識，測試完成后關閉資源并對測試數據進行存儲。

若被測設備性能測試未通過，則需要進行故障診斷。計算機人工智能的發展使神經網絡、專家系統、模糊理論、傳感器信息融合技術、粗糙集理論、小波包分析等人工智能技術開始被工程師應用于電子電路智能故障診斷中[9-11]，本測試平臺設計了基于知識的專家故障診斷系統，主要由知識庫、推理機、知識獲取、人機交互界面、解釋器等幾個部分組成。故障診斷專家系統知識庫存儲有大量故障樣本作為專家知識庫，被測設備存在故障時，系統會從測試數據庫調用其故障性能數據與故障信息，然后檢索知識庫預報相應的故障原因。為了改善推理機無法檢索到匹配故障樣本信息的情況，在故障推理機中并行設計了基于先驗概率的貝葉斯網絡診斷程序，各模塊的故障概率由維修歷史數據統計賦值。故障診斷流程如圖6所示。

圖5 測試軟件運行流程Fig.5 Test software running flow chart

圖6 故障診斷流程Fig.6 Fault diagnosis flow chart

5 結語

在實際維修過程中該測試平臺極大提高了EFIS系統的測試、排故效率，加快了維修周期，提高航材周轉率，產生工程價值的同時也帶來可觀的經濟價值。同時，該測試平臺采用總線協議方式，對開發其它類別機載電子設備如機載測距機、收發機、應答機、自動駕駛儀等部件提供了一個基本框架平臺，可以通過擴展軟硬件應用到更多航電測試維修領域，解決了現有的航電測試儀器擴展性能差的問題。通過實踐證明，在測試平臺中嵌入故障專家系統，通過錄入長期的維修經驗數據能夠為維修人員提供可靠的故障定位，顯著提高排故效率。綜上所述，該測控平臺具有自動化測試程度高，故障識別率好，可擴展能力強的特點。

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