某型直升機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)原位檢測設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

現(xiàn)代直升機(jī)為滿足新形勢下戰(zhàn)爭需要，往往配備有大量性能先進(jìn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)載電子系統(tǒng)，當(dāng)這些復(fù)雜的機(jī)載電子系統(tǒng)在外場執(zhí)行任務(wù)出現(xiàn)故障時(shí)，僅靠機(jī)內(nèi)測試(Build-in Test, BIT)來隔離到外場可更換單元(Line Replaceable Unit, LRU)，往往無法實(shí)現(xiàn)故障檢測率全覆蓋[1]。按照某型直升機(jī)測試性設(shè)計(jì)要求，機(jī)載航電系統(tǒng)的故障檢測率要在90%以上，機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)的故障檢測率要求在70%以上，其中還需考慮虛警率等問題[2]。

目前，由于一線作戰(zhàn)部隊(duì)外場缺少有效的加載電子系統(tǒng)外部檢測手段，以往當(dāng)發(fā)生直升機(jī)在外場執(zhí)行任務(wù)出現(xiàn)機(jī)載電子系統(tǒng)故障而機(jī)內(nèi)BIT無法定位到LRU的情況時(shí)[3]，往往是通過采取拆換件或者聯(lián)系生產(chǎn)廠商技術(shù)人員現(xiàn)場協(xié)助排故的方式解決，但此種方式排故周期長、對機(jī)載電子系統(tǒng)故障排除能力有限，特別是在戰(zhàn)場環(huán)境下，對后勤保障要求極高[4-5]。

若針對每個(gè)機(jī)載電子系統(tǒng)采用專檢方式，研制用于支持其維修的保障設(shè)備，則全機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)的維修保障設(shè)備將相當(dāng)龐大，非常不利于部隊(duì)外場的使用[6-8]。這與新形勢下，我軍對直升機(jī)外場保障的便捷性、準(zhǔn)確性，在最短時(shí)間內(nèi)定位故障，更換備件，特別是要在戰(zhàn)場環(huán)境中保證直升機(jī)的出勤率的總要求不符。

針對某型直升機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)性能先進(jìn)、功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)載電子系統(tǒng)綜合化、模塊化程度高，信號(hào)相互交聯(lián)多的特點(diǎn)。研究設(shè)計(jì)了一種小型組合式多功能原位檢測設(shè)備為其外場保障提供排故檢測手段，以提直升機(jī)高機(jī)載電子系統(tǒng)的維護(hù)效率、降低全機(jī)電子系統(tǒng)保障費(fèi)用、滿足野戰(zhàn)環(huán)境下快速保障的要求。

1 原位檢測設(shè)備總體設(shè)計(jì)

1.1 檢測原理

原位檢測以被測系統(tǒng)的地面通電檢查技術(shù)條件、地面聯(lián)試報(bào)告以及故障模式、影響及危害度分析(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis, FMECA)報(bào)告為依據(jù)，通過原位檢測設(shè)備在系統(tǒng)不下電、不拆件的情況下對被測系統(tǒng)的外部信號(hào)交聯(lián)、功能、性能、邏輯以及系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)交聯(lián)進(jìn)行檢測。

原位檢測設(shè)備由便攜維護(hù)診斷檢測儀器(Portable Maintenance Aid Instrument Pack, PIP)及便攜維護(hù)輔助設(shè)備(Portable Maintenance Aid, PMA)兩大部分組成。其中PIP提供檢測所需的激勵(lì)、測量資源是原位檢測設(shè)備的主要部件；PMA可通過網(wǎng)絡(luò)接口對PIP進(jìn)行控制，結(jié)合測試程序完成機(jī)載電子系統(tǒng)的故障隔離定位，是PIP的主要人機(jī)交互載體，TUA實(shí)現(xiàn)被測系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)接。針對不同機(jī)載電子系統(tǒng)，只需在PIP主機(jī)中更換相應(yīng)資源模塊及在PMA中運(yùn)行對應(yīng)測試程序即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的原位檢測。原位檢測原理如圖1所示。

圖1 原位檢測原理示意圖

圖1中，適配器內(nèi)部采用三通設(shè)計(jì)，其一端通過適配器電纜與被測系統(tǒng)連接；另一端通過連接電纜，實(shí)現(xiàn)與其他機(jī)載系統(tǒng)的連接；適配器實(shí)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)與被測系統(tǒng)連接的同時(shí)，將需要檢測的信號(hào)從適配器的檢測接口引出，通過檢測電纜連接到PIP的測試主機(jī)(簡稱PIP主機(jī))。PIP主機(jī)通過檢測接口獲取被測系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息并將故障隔離、定位到被測系統(tǒng)的LRU。

1.2 設(shè)備組成

原位檢測PIP一般由PIP主機(jī)、測試接口適配器(Test Unit Adapter, TUA)、檢測電纜、電源電纜、TUA電纜、自檢測模塊等組成。PMA可選用平板電腦等手持式終端設(shè)備。整套檢測設(shè)備采用便攜式機(jī)箱設(shè)計(jì)；TUA、TUA電纜、檢測電纜、220 V交流電源電纜、28 V直流電源電纜、自檢模塊以及PMA均存放于包裝箱內(nèi)，包裝箱內(nèi)有根據(jù)存放物品尺寸設(shè)計(jì)的減震海綿。整套原位檢測設(shè)備組成如圖2所示。

圖2 原位檢測設(shè)備組成示意圖

2 原位檢測硬件設(shè)計(jì)

2.1 PIP主機(jī)設(shè)計(jì)

PIP主機(jī)內(nèi)部依據(jù)CPCI標(biāo)準(zhǔn)3.0版本架構(gòu)設(shè)計(jì)，控制器和各類資源模塊采用基于IEC 60297-3、IEC 60297-4以及IEEE 1101.10定義的3U歐式外形；各類檢測資源模塊通過背板與控制器連接；檢測資源模塊包含離散量信號(hào)采集模塊、開關(guān)量模塊、模擬量信號(hào)采集模塊、模擬量信號(hào)激勵(lì)模塊、1553B總線通訊模塊、串口總線通訊模塊等；28 V直流工作電源通過電源接口輸入。檢測資源模塊與控制器之間采用CPCI總線通信，主機(jī)內(nèi)部原理如圖3所示。

圖3 PIP主機(jī)內(nèi)部原理框圖

PIP主機(jī)采用便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)功能可將PIP主機(jī)前面板劃分為：檢測接口區(qū)和人機(jī)交互區(qū)兩大功能區(qū)。檢測接口區(qū)包含：1)兩個(gè)矩形接口，主要實(shí)現(xiàn)離散量信號(hào)、模擬量信號(hào)、除串口總線信號(hào)的輸入、輸出功能；2)4個(gè)1553B總線接口(兩路信號(hào))，實(shí)現(xiàn)被測記載系統(tǒng)與外部交聯(lián)系統(tǒng)1553B總線通訊的監(jiān)控；3)外部電源接口，實(shí)現(xiàn)PIP的供電。人機(jī)交互接口區(qū)包含：1)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口(含1個(gè)備份接口)，實(shí)現(xiàn)PIP主機(jī)與PMA的通訊；2)4個(gè)USB接口(含3個(gè)備份接口)，現(xiàn)實(shí)PIP主機(jī)與其他外部設(shè)備的交互；3)一個(gè)VGA接口， PIP主機(jī)通過VGA接口實(shí)現(xiàn)與顯示器的連接，便于PIP主機(jī)硬件及原位檢測軟件的調(diào)試。此外，為加強(qiáng)PIP主機(jī)使用強(qiáng)電的安全性，在PIP主機(jī)前面板配置兩個(gè)強(qiáng)電保險(xiǎn)插座，PIP主機(jī)電源啟動(dòng)開關(guān)指示燈。

為保證PIP主機(jī)具有良好散熱性，PIP主機(jī)前面板采用鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部設(shè)計(jì)有散熱風(fēng)扇，并在面板的非功能區(qū)配置若干大小均勻的散熱孔，在散熱孔下面貼有一層防塵網(wǎng)，防止灰塵通過散熱孔進(jìn)入PIP主機(jī)內(nèi)部。

2.2 檢測接口設(shè)計(jì)

由于原位檢測所涉及的檢測信號(hào)幾乎均為小信號(hào)，故PIP主機(jī)中的兩個(gè)矩形檢測接口，設(shè)計(jì)時(shí)均采用普通的信號(hào)針腳，每根針腳最大過流為1A。為便于接口拓展在檢測接口上仍預(yù)留最大過流為10A的大電流信號(hào)針腳(占20根針腳)。

根據(jù)信號(hào)類型的不同，其在PIP主機(jī)內(nèi)部及TUA中布線時(shí)選用對應(yīng)的單芯線、單芯屏蔽線、雙絞屏蔽線或三絞屏蔽線。矩形接口連接器外殼設(shè)計(jì)有導(dǎo)向定位及防插錯(cuò)功能；為防止連接器插合后脫落連接器還設(shè)計(jì)有鎖定螺桿，保障連接器連接的可靠性。

2.3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PIP主機(jī)機(jī)箱設(shè)計(jì)有直流供電和交流供電兩種方式，既可滿足外場檢測時(shí)使用機(jī)上28 V直流電源供電，也可滿足在機(jī)庫檢測環(huán)境下采用220 V交流/50 Hz市電供電。

PMA內(nèi)含有鋰電池，原位檢測時(shí)無需外部供電，只需要平時(shí)保持電量充足即可，為其配備有專用充電電纜。

對于輸入PIP主機(jī)的機(jī)上28 V直流電源，PIP主機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)兩級(jí)電壓調(diào)理，第一級(jí)為直流穩(wěn)壓模塊，第二級(jí)為電壓變換模塊能同時(shí)輸出多個(gè)不同電壓值得直流電壓。機(jī)上28 V直流電壓通過直流穩(wěn)壓模塊后一部分直接接入到PIP主機(jī)的開關(guān)量模塊級(jí)測試接口上，另一部分進(jìn)入電壓轉(zhuǎn)換模塊，將28 V直流電壓轉(zhuǎn)換為±12 V、±5 V、+3.3 V，輸出到PIP主機(jī)檢測模塊的背板和散熱風(fēng)扇，作為PIP主機(jī)內(nèi)部控制器及各類檢測模塊等的工作電源。此外直流穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)有寬范圍輸入、過壓過流保護(hù)功能，保護(hù)被測產(chǎn)品供電安全。檢測供電如圖4所示。

圖4 檢測供電示意圖

2.4 TUA設(shè)計(jì)

原位檢測TUA的主要功能為：1)實(shí)現(xiàn)PIP主機(jī)、被測機(jī)載系統(tǒng)與外部交聯(lián)機(jī)載系統(tǒng)的機(jī)械和電氣連接功能；2)根據(jù)測試需要，實(shí)現(xiàn)對需要檢測信號(hào)的濾波、整形、放大、變換等調(diào)理功能；3)實(shí)現(xiàn)必要的信號(hào)隔離，確保PIP主機(jī)、被測記載系統(tǒng)與外部交聯(lián)機(jī)載系統(tǒng)的安全功能。

原位檢測TUA內(nèi)部設(shè)計(jì)與外部交聯(lián)如圖5所示。

圖5 適配器內(nèi)部接線示意圖

由圖5可知，TUA右側(cè)外部交聯(lián)接口與外部交聯(lián)機(jī)載系統(tǒng)連接，將機(jī)上信號(hào)引入到TUA內(nèi)部底板上。內(nèi)部底板根據(jù)原位檢測需要將信號(hào)分為以下三類：1)需PIP主機(jī)提供激勵(lì)的信號(hào)，如圖5中黑線所示，該類信號(hào)從底板通過TUA檢測接口連接到PIP主機(jī)的檢測接口，一直連接到C型開關(guān)模塊的NC端上，然后再從COM端引出依次通過PIP主機(jī)檢測接口、TUA檢測接口、TUA連接接口直至被檢測系統(tǒng)上，當(dāng)需要PIP主機(jī)輸出激勵(lì)信號(hào)時(shí)首先將C型開關(guān)模塊的開關(guān)切換到NO端，斷開與外部交聯(lián)機(jī)載系統(tǒng)的連接，然后通過PIP主機(jī)的其他模塊給出相應(yīng)激勵(lì)信號(hào)；2)需PIP主機(jī)提供測量的信號(hào)，主要用于信號(hào)的監(jiān)控，如圖5中單向箭頭所，該類信號(hào)從TUA底板分出后進(jìn)入三通板一分為二，一端從連接接口進(jìn)入被檢測系統(tǒng)，另一端從TUA檢測接口穿過PIP主機(jī)檢測口進(jìn)入PIP主機(jī)內(nèi)部相應(yīng)信號(hào)測量模塊，其中由于1553B總線比較特殊，需通過耦合器進(jìn)行分線的；3)直連信號(hào)，該類信號(hào)雖不需要PIP主機(jī)對其進(jìn)行任務(wù)操作，但卻是被測機(jī)載系統(tǒng)與外部交聯(lián)機(jī)載系統(tǒng)交互不可或缺的，如圖5中雙向箭頭所示，信號(hào)從適配器底板引出后直接通過連接口與被測系統(tǒng)相連。

2.5 電纜設(shè)計(jì)

原位檢測電纜包括檢測電纜、連接電纜和1553B總線電纜三類。其中檢測電纜、連接電纜內(nèi)部信號(hào)線設(shè)計(jì)采用高溫導(dǎo)線制作，依據(jù)信號(hào)抗干擾能力的需求分別對應(yīng)選用單芯線、單芯屏蔽線、雙絞屏蔽線和三絞屏蔽線，所有電線屏蔽層均采用可靠接地設(shè)計(jì)。為保證電纜的柔軟性，所有電纜均選用繞包線，該種電線與普通電線相比在同等規(guī)格線芯下整個(gè)電纜的直徑會(huì)更小，同時(shí)能有效提高電纜的柔軟度。電纜還采用防差錯(cuò)螺釘設(shè)計(jì)，保證檢測電纜與連接電纜使用無誤。

為保證1553B信號(hào)的完整傳輸，1553B電纜采用專用電纜制作，接頭采用符合1553B信號(hào)傳輸要求的專用連接器。

2.6 自檢設(shè)計(jì)

為提高原位檢測的安全性、有效性和穩(wěn)定性，在對被測機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行原位檢測前，需先對PIP主機(jī)進(jìn)行自檢測試，以確保PIP主機(jī)內(nèi)各檢測資源模塊能正常有效工作。

由于PIP主機(jī)內(nèi)部各檢測資源模塊均通過CPCI總線連接控制器進(jìn)行控制，故在控制器中設(shè)計(jì)有快速自檢測出現(xiàn)，通過該程序可快速檢測各類資源模塊是否能正常有效工作，從而達(dá)到快速自檢目的。

自檢測試，依據(jù)原位檢測PIP主機(jī)內(nèi)部資源的類型可分為：1)總線類模塊自檢測試；2)非總線類模塊自檢測試；3)開關(guān)類模塊自檢測試。

其中，總線類模塊包含：串口總線(含RS232、RS429、RS485)、ARINC429總線和1553B總線三類；非總線類模塊包含有，模擬信號(hào)測量、模型信號(hào)激勵(lì)、離散信號(hào)測量、離散量信號(hào)激勵(lì)四類；開關(guān)類模塊包含有，功率開關(guān)、C型開關(guān)、矩陣開關(guān)等三類。

2.6.1 總線類模塊自檢測設(shè)計(jì)

對于1553B總線模塊，由于PIP主機(jī)設(shè)計(jì)使用的是雙通道、雙冗余1553B總線模塊，在進(jìn)行1553B總線模塊自檢時(shí)首先，通過自檢測程序控制1553B總線模塊某一通道的BUS A與BUS B相互間的數(shù)據(jù)收發(fā)以驗(yàn)證該通道性能是否降級(jí)；然后，通過自檢電纜連接通道1的BUS A與通道2的BUS A進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，以驗(yàn)證1553B總線模塊通道間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

在進(jìn)行串口總線及ARINC429總線自檢測時(shí)，將自檢連接器與PIP主機(jī)檢測接口對接，自檢連接器實(shí)現(xiàn)串口總線及ARINC429總線發(fā)送通道和接收通道對接，使總線模塊的某一通道進(jìn)行數(shù)據(jù)自發(fā)自收測試，以驗(yàn)證運(yùn)串口總線模塊及ARINC429模塊功能的穩(wěn)定性。

2.6.2 非總線類模塊自檢測設(shè)計(jì)

對于非總線類模塊中的模擬量信號(hào)、離散量信號(hào)，在自檢測連接器中設(shè)計(jì)有交叉互檢，即利用激勵(lì)模塊作為測量模塊的輸入進(jìn)行檢測。通過觀察測量數(shù)據(jù)與給定激勵(lì)值是否一致，以驗(yàn)證非總線類資源模塊的有效性。

2.6.3 開關(guān)類模塊自檢測設(shè)計(jì)

對于3種類型的開關(guān)類模塊的自檢，可借助離散量測量模塊來實(shí)現(xiàn)，在自檢連接器中實(shí)現(xiàn)如圖6所示的接線便可實(shí)現(xiàn)開關(guān)類模塊的自檢。

如圖6所示，將開關(guān)的一端與離散量采集模塊的信號(hào)地連接，另一端接到離散量測量模塊的信號(hào)采集通道上，若開關(guān)正常閉合則采集到的信號(hào)為地信號(hào)，否則測得結(jié)果為開路信號(hào)。

圖6 開關(guān)自檢接線示意圖

3 原位檢測程序設(shè)計(jì)

在完成某型直升機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)原位檢測設(shè)備硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需完成原位檢測測試程序的開發(fā)，才能對某型機(jī)的機(jī)載電子系統(tǒng)進(jìn)行原位檢測。

為提高原位檢測測試程序(Test Program, TP)的通用性和可移植性，本文設(shè)計(jì)采用面向信號(hào)通用自動(dòng)測試軟件(Signal Oriented General Test Software, SGTS)作為原位檢測的TP開發(fā)平臺(tái)[9,10]。SGTS是一種基于自動(dòng)測試標(biāo)記語言(Automatic Test Markup Language, ATML)標(biāo)準(zhǔn)和基于測試和信號(hào)定義(Signal and Test Definition, STD)標(biāo)準(zhǔn)的面向信號(hào)編程軟件，能很好地將測試需求與具體硬件檢測設(shè)備分離，滿足原位檢測TP通用性和可移植性的需求。

SGTS將作為TP開發(fā)和運(yùn)行的核心，通過將TP測試需求與具體硬件平臺(tái)分離，實(shí)現(xiàn)了TP的跨平臺(tái)可移植，測試數(shù)據(jù)可交互，提高了測試設(shè)備的互換性。SGTS平臺(tái)軟件采用層次化體系結(jié)構(gòu)，自上至下分為用戶交互層、數(shù)據(jù)交互層、運(yùn)行期解析執(zhí)行層和儀器驅(qū)動(dòng)層，體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 SGTS體系結(jié)構(gòu)框圖

由圖7可知，用戶交互層提供交互式的開發(fā)工具，用戶在開發(fā)界面編輯相關(guān)信息；數(shù)據(jù)交互層以可擴(kuò)展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language, XML)文件接口形式完成測試資源信息的交互，運(yùn)行期解析執(zhí)行層解析XML文件包含的測試項(xiàng)目及測試動(dòng)作，完成物理路徑的匹配及虛擬儀器資源的映射，儀器驅(qū)動(dòng)層通過調(diào)用面向信號(hào)的儀器驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種針對該型直升機(jī)的便攜式原位檢測設(shè)備。其中，硬件設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，大大提高了硬件設(shè)備自身的可維護(hù)性及互換性，軟件測試程序采用面向信號(hào)的編程方式，有效提高了軟件的通用性及可移植性。能較好地滿足我軍對某型直升機(jī)外場保障便捷性、準(zhǔn)確性，在最短時(shí)間內(nèi)定位故障，更換備件的要求，通過在某試飛基地外場試用表明，本文所提方法設(shè)計(jì)的原位檢測設(shè)備能夠很好滿足該型直升機(jī)的外場檢測需要，具有攜帶方便、檢測針對性強(qiáng)，檢測效率高的特點(diǎn)。