基于虛擬儀器的GPS導航測試儀的設計研究

王海斌，丁發(fā)軍

(中國民航飛行學院 飛機修理廠，四川 廣漢 618307)

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基于虛擬儀器的GPS導航測試儀的設計研究

王海斌，丁發(fā)軍

(中國民航飛行學院 飛機修理廠，四川 廣漢 618307)

摘要：針對航空GPS導航系統(tǒng)故障率較高現(xiàn)狀，設計了航空GPS導航系統(tǒng)測試儀。在總體結構設計上采用模塊化設計思想，以電路功能模塊為依托實現(xiàn)硬件方面的設計。在軟件設計上，利用虛擬儀器實現(xiàn)對各類資源的控制。從實際應用情況來看，該測試平臺可實現(xiàn)KLN94型GPS導航系統(tǒng)性能測試要求。

關鍵詞：導航系統(tǒng)；虛擬儀器；系統(tǒng)設計

KLN94GPS導航系統(tǒng)是世界通用航空領域應用最為廣泛的GPS導航產(chǎn)品，國內多家航空公司及飛行培訓學校(包括飛行學院)的航空器上均有安裝[1-3]。目前國內尚沒有KLN94GPS導航系統(tǒng)的維修能力，對于所出現(xiàn)的故障只能返回美國生產(chǎn)廠家進行維護。由于GPS導航系統(tǒng)屬于高功率工作部件，故障率較高，且返廠維護成本較高，平均每次維護費用約占產(chǎn)品價格本身的20-30%[4]。因此，針對該導航系統(tǒng)進行測試及維修的相關研發(fā)，具有較好的應用前景。

本文應用了虛擬儀器技術，通過測試平臺對內部各類資源進行調用，最終實現(xiàn)針對導航系統(tǒng)的性能測試。下面結合導航系統(tǒng)測試儀的研制過程，對測試儀系統(tǒng)總體構架、軟硬件組成及關鍵技術進行逐一闡述。

1總體結構

KLN94GPS導航系統(tǒng)測試儀設計了由電源及信號監(jiān)視模塊、信號處理及功能轉換模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、設備測試模塊、設備調整模塊及測試系統(tǒng)自測模塊組成。測試儀結構框圖如圖1所示。

圖1測試儀結構框圖

2硬件組成

KLN94GPS導航系統(tǒng)測試儀在硬件方面的組成包括：電源電路、信號監(jiān)測與電流電壓監(jiān)視電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、設備調整電路、輸入輸出信號檢測電路、電纜適配器、控制面板和顯示系統(tǒng)。測試儀系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件結構圖

(1)數(shù)據(jù)采集電路。該電路完成22路信號數(shù)據(jù)采集，包括數(shù)字信號和模擬信號。采集信號的精度較高，其中，電流采集精度≥1mA；電壓采集精度≥1mV；溫度采集精度≥1℃。

(2)功能轉換控制電路。利用繼電器轉換功能制作實現(xiàn)了多路轉換控制卡，完成了導航系統(tǒng)所需48路信號的控制轉換功能。多路轉換主要完成對信號流向的控制、信號的轉換功能。這些轉換信號包括：RS232 SEL、DEV FLAG SEL、ANNUNCAT SEL、WPT ALERT TEST、MSG TEST、APPROACH ARM、APPROACH ACTIVE等。

(3)電源電路。設計獨立的28V線性電源供電，該電源由外部交流電源220VAC轉換，通過28V電壓輸出正負接口為KLN94 GPS導航系統(tǒng)測試儀提供穩(wěn)定的直流電源，且不需要外接供電儀器，使測試操作步驟得以簡化。

該電源系統(tǒng)模塊采用的是線性電源，線性電源的基本工作原理是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后，得到脈動直流，后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。經(jīng)過穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓從而達到高精度的直流電壓。從應用效果來看，達到了很高的穩(wěn)定度。

另外，該電源系統(tǒng)模塊在設計時還考慮到過流保護功能，即在交直流轉換的電路及輸出電路中設計了保險電路。

(4)信號監(jiān)測與電流電壓監(jiān)視系統(tǒng)。為監(jiān)控系統(tǒng)提供的電源及在測試過程中各種測試信號的情況，在研發(fā)FTS-155試驗臺時設計了由單片機控制的信號監(jiān)測與電流電壓監(jiān)視電路，以便操作者能夠實時監(jiān)控電路的電壓、電流值及測試系統(tǒng)的各種測試信號值。

(5)電纜適配電路。完成信號的適配功能，包括負載的適配設計(如阻抗、功率、顯示功能匹配等)、A/D轉換功能等，負載精度≥1Ω。

(6)制作了專用接口電路(J941、J942)及與外設連接接口，實現(xiàn)了與KLN94 GPS導航設備及與外設的測試連接。

(7)制作了設備輸入輸出交聯(lián)電路，該交聯(lián)電路能夠完成打印輸出、升級輸入、聯(lián)機控制及遠程控制等功能，通過前面板的USB接口實現(xiàn)與外設的連接(見圖3)。

(8)制作了面板控制電路，實現(xiàn)設備的操作控制。在設計制作面板控制電路時，開關的設計采用微控的形式，包括多功能操作按鍵、數(shù)據(jù)操作按鍵、控制操作按鍵和顯示屏設置。另外，測試過程中采用“選擇轉輪”形式進行測試各項的切換和選擇，操作方便、快捷，且減小占用面板的面積。

(9)KLN94 GPS導航系統(tǒng)測試儀面板根據(jù)系統(tǒng)組裝情況量身設計，能夠節(jié)省設備的占用空間，體現(xiàn)了系統(tǒng)外觀設計的合理性。

3軟件實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)軟件框架

KLN94GPS導航系統(tǒng)測試儀測試程序在windows 8.1系統(tǒng)下運行，軟件開發(fā)環(huán)境采用Labview2013，軟件的設計過程是面向對象的，最終實現(xiàn)測試系統(tǒng)層次化、模塊化設計[5-6]。

導航系統(tǒng)測試儀所要達到的主要目標，是能夠實現(xiàn)對被測設備的全部性能進行檢測。在確保檢測設備硬件設計正確、可靠的前提下，測試軟件是實現(xiàn)系統(tǒng)所有各項檢查功能的重要保證。本測試設備的系統(tǒng)軟件框架圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件框架圖

3.2測試程序功能及特點

(1)軟件測試平臺實現(xiàn)設備的控制轉換與測試等基本操作，且完成了測試系統(tǒng)開發(fā)各子程序模塊與系統(tǒng)硬件的匹配、調試及使用。

(2)虛擬儀器顯示功能。采用了虛擬儀器完成各類指示儀表的模擬顯示，平臺儀器顯示界面如圖4所示[7]。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合軟件來完成各種測試應用，使得構建測試系統(tǒng)的硬件簡化。測試界面利用虛擬儀器實現(xiàn)的指示儀表模擬包括：

模擬水平狀態(tài)指示儀：實現(xiàn)了VOR方位、LOC偏離和GS偏離等導航信息的顯示功能；

模擬OBI方位指示儀表：實現(xiàn)了OBI方位信息的直觀判讀；

模擬信號牌指示：實現(xiàn)了信號牌的直觀判讀；

模擬警告燈：包括WPT ALERT、MSG、APPROACH ARM、APPROACH ACTIVE、ALT ALERT、STEERING SUPERFLAG、LNAV SUPERFLAG、VNAV SUPERFLAG及FCS；

模擬溫度監(jiān)測：實現(xiàn)了對溫度的監(jiān)測并顯示結果。

圖4　儀器顯示界面

3.3軟件功能模塊

軟件功能模塊主要包括：

(1)開發(fā)了模擬OBS解算器工作程序，完成VOR方位解算功能；

(2)開發(fā)了高度碼解算程序，完成高度解算功能；

(3)開發(fā)了RS232通訊程序，完成RS232的收發(fā)功能；

(4)開發(fā)了自測試程序，實現(xiàn)測試系統(tǒng)各功能模塊自檢功能；

其中自檢項目包括：硬件自檢、ADC自檢、OBS自檢、開關狀態(tài)自檢、輸出端口自檢及串口中斷自檢。測試參數(shù)界面如圖5所示。

圖5　測試參數(shù)界面

(5)開發(fā)了KLN94專用測試程序，實現(xiàn)了對機載設備性能的自動測試；

(6)自動存儲功能：能夠自動生成測試報表也是該測試系統(tǒng)的主要優(yōu)點之一。針對此項功能開發(fā)了自動存儲報表程序，能夠實現(xiàn)測試結果的自動存儲，自動生成性能單，并可進行連機打印。

3.4程序流程

KLN94GPS導航系統(tǒng)測試儀軟件測試流程如圖6所示。

圖6　軟件測試流程

4工程應用

目前，KLN94GPS導航系統(tǒng)測試儀已取得項目認證，并已投入實際工程使用。利用該測試儀已完成10余件組件測試。表1中列舉了6部被測組件部分主要測試參數(shù)實測情況，通過測試數(shù)據(jù)分析，測試儀滿足性能參數(shù)測試要求。

表1　KLN94主要性能參數(shù)實測值

5結語

本文從系統(tǒng)構成的角度，討論了KLN94GPS導航系統(tǒng)測試儀基本設計思路，設計研發(fā)了KLN94GPS導航系統(tǒng)測試儀。該測試儀能夠實現(xiàn)對GPS導航系統(tǒng)進行性能測試，維修人員利用此測試儀，結合掌握的相關維修資料，可進一步實現(xiàn)對KLN94GPS導航系統(tǒng)進行部件修理。經(jīng)過實踐證明，該測試儀在執(zhí)行效率和可靠性方面都取得較為滿意的效果。

參考文獻

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[責任編輯、校對：東艷]

Development of the GPS Navigation Tester Based on Virtual Instruments

WANGHai-bin,DINGFa-jun

(Airplane Repair Shop,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

Abstract：To reduce the high failure rate of the aviation GPS navigation system,the paper designs a tester for the aviation GPS navigation system.In terms of hardware design,the tester adopts the modular design method on the basis of circuit function module.In terms of software design,virtual instruments are utilized to control various kinds of resources.As indicated by the practical application,this testing platform is able to satisfy the performance test requirements of KLN94 GPS navigation system.

Key words：navigation system;virtual instrument;system design

中圖分類號：TP311.1

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)01-0017-04

作者簡介：王海斌(1984-)，男，內蒙古赤峰人，工程師，從事機載航電設備的維修工作與飛機維修工程。

收稿日期：2015-11-30