彈射座椅電氣附件自動(dòng)綜合檢測設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳傳貴， 王緯國， 彭 虎， 周勇軍， 張小輝， 闞 艷

(1.中國人民解放軍第5720工廠，安徽 蕪湖 241007；2.安徽省航空設(shè)備測控與逆向工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241007)

彈射座椅是飛行員的“救生法寶”。在飛機(jī)發(fā)生故障時(shí)，依靠座椅下的動(dòng)力裝置將飛行員彈射出機(jī)艙，然后人椅分離、打開降落傘使飛行員安全降落的座椅型救生裝置。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，第3代彈射座椅里面含有電子設(shè)備，這給彈射座椅的測試、維修和保障帶來新的問題。傳統(tǒng)的維修方法是由操作人員使用萬用表、絕緣儀器逐一對各附件線路進(jìn)行手動(dòng)測試。維修的彈射座椅型號多、電氣附件種類也多，附件路線也越來越復(fù)雜。針對人工檢測效率低、時(shí)間長、強(qiáng)度大且易出錯(cuò)的難題，需要研制一臺彈射座椅自動(dòng)綜合檢測設(shè)備。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對多型座椅電氣附件進(jìn)行自動(dòng)檢測，同時(shí)，為快速開發(fā)同類被測電氣附件測試項(xiàng)目提供技術(shù)基礎(chǔ)。因此，在彈射座椅維修保障過程中，研制自動(dòng)綜合檢測設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 需求分析

1.1 功能測試分析

彈射座椅電氣附件自動(dòng)綜合檢測設(shè)備的測試對象是國內(nèi)外多型彈射座椅的電氣附件，包括脫開式信號接頭、聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換電門、轉(zhuǎn)換電門組件、座椅椅盆電路，及整個(gè)座椅的內(nèi)部電路，測試內(nèi)容主要有電阻、絕緣、抗電和控制。

1.2 性能測試及指標(biāo)

電氣附件主要指標(biāo)要求是：觸點(diǎn)電阻要求不大于0.3 Ω、絕緣電阻不小于20 ΜΩ、控制信號27 V下電路通斷正常、抗電強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)在1 s內(nèi)不被625 V電壓擊穿，或在1 min內(nèi)不被500 V電壓擊穿。為此，檢測設(shè)備需要按各電氣附件的連接關(guān)系，檢測各觸點(diǎn)電阻、絕緣電阻、電路通斷和抗電性能，并判斷其是否滿足技術(shù)要求。

1.3 系統(tǒng)擴(kuò)展性

檢測設(shè)備在滿足各電氣附件的電氣性能測試的基礎(chǔ)上，要求具備手動(dòng)和自動(dòng)測試，并且具有一定的擴(kuò)展性，根據(jù)新增被測對象及測試電纜，通過軟件能夠增補(bǔ)測試產(chǎn)品測試項(xiàng)目。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)分析

檢測設(shè)備在滿足各電氣附件的電氣性能測試的基礎(chǔ)上，要求具備手動(dòng)和自動(dòng)測試，并且具有一定的擴(kuò)展性，根據(jù)新增被測對象及測試電纜，通過軟件能夠增補(bǔ)測試產(chǎn)品測試項(xiàng)目。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決以下幾個(gè)難題：

① 如何實(shí)現(xiàn)軟硬件功能融合。以通用連接器和信號切換模塊為功能融合中心，通過一種地址映射的方法，將通用連接器連接的外部硬件電纜的各接口定義，映射到信號切換模塊控制繼電器的地址，軟件操作界面只反映出硬件的接口和測試要求，具體映射地址在程序內(nèi)調(diào)用接口表來實(shí)現(xiàn)。

② 如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。綜合運(yùn)用線程和程控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與測量儀器的通信，如程序設(shè)置、測量和數(shù)據(jù)讀取等功能；結(jié)合繼電器的映射地址，實(shí)現(xiàn)繼電器組件的單路多路繼電器接通/斷開控制功能；開發(fā)測試線程，通過自動(dòng)測試的開始、暫停、繼續(xù)和終止這四個(gè)操作，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)運(yùn)行及控制。

③ 如何實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性。選擇用數(shù)據(jù)庫來保存編譯測試項(xiàng)目，由程序調(diào)用各表的內(nèi)容到測試表單中，形成具體的測試項(xiàng)目。通過程序新增測試模塊、測試接口、測試關(guān)系等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

借鑒文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[11]相關(guān)檢測設(shè)備和測試系統(tǒng)的研究內(nèi)容。檢測設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，以信號切換模塊為中心，數(shù)字多用表和絕緣耐壓絕緣儀直接連接到信號切換模塊的資源信號切換部分；各型測試電纜通過通用連接器連接到信號切換模塊的通道信號切換部分。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備組成

如圖1所示，檢測設(shè)備的硬件主要由工控機(jī)、數(shù)字多用表(可調(diào)電源和三用表)、絕緣耐壓絕緣儀、信號切換模塊、UPS不間斷電源、通用連接器及各型測試電纜組成。

3.2 儀器儀表

數(shù)字多用表主要實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸電阻2線/4線制測量和電壓測量，以及產(chǎn)品直流電源供給。數(shù)字多用表選用U3606B三用表/直流電源混合儀器，該儀器既可當(dāng)5位半三用表使用，又可充當(dāng)30 V/1 A、8 V/3 A、30 W直流電源使用。

絕緣耐壓絕緣儀實(shí)現(xiàn)對線路絕緣和抗電性能測試，選用的TOS9200耐壓絕緣儀是一款搭載有AC耐壓、絕緣電阻試驗(yàn)兩大功能的儀器，具有GPIB和RS232遠(yuǎn)程接口控制功能，其絕緣試驗(yàn)指標(biāo)高達(dá)0.01 MΩ～9.99 GΩ/(DC 25～1000 V)，抗電指標(biāo)高達(dá)5 kV/100 Ma/500 VA。

3.3 信號切換模塊

信號切換模塊為檢測設(shè)備的核心硬件，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試和擴(kuò)展性的主要硬件支持部分。信號切換模塊內(nèi)的測試線路原理如圖2所示，在測試程序的控制下，實(shí)現(xiàn)資源連接到測量測試端點(diǎn)上。針以不同的被測對象、測試項(xiàng)目和電纜連接關(guān)系，設(shè)計(jì)不同的接口定義表。

信號切換模塊由10塊繼電器板組成。繼電器板主要由16×4路的矩陣開關(guān)、串口通信模塊、FPGA芯片和驅(qū)動(dòng)芯片等組成，開發(fā)有驅(qū)動(dòng)控制程序，通過RS322串口可控制FPGA芯片和驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)對繼電器的控制及線路的切換功能。繼電器選用59W-1A2 0N0-92型號水銀繼電器，該繼電器采用24 V電壓控制，具有1000 V/1 A的開關(guān)切換能力，開關(guān)壽命高達(dá)109次，絕緣強(qiáng)度高達(dá)1010Ω，500個(gè)繼電器并聯(lián)時(shí)仍可保證20 MΩ的系統(tǒng)絕緣強(qiáng)度。

圖2 信號切換模塊線路測試原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)

檢測設(shè)備的軟件系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。主要有初始化及結(jié)果顯示、主程序、幫助說明、串口設(shè)置等模塊，其中，主程序包括自動(dòng)測試、手動(dòng)測試、模塊維護(hù)、連接管理及建立連接等子模塊。

圖3 軟件組成架構(gòu)

自動(dòng)測試子模塊是主程序的默認(rèn)功能選項(xiàng)，是檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的體現(xiàn)。具體功能有：① 系統(tǒng)測試模塊選擇；② 測試項(xiàng)目及結(jié)果顯示；③ 件號、操作者和檢驗(yàn)員信息編輯；④ 自動(dòng)測試開始/終止/暫停/繼續(xù)控制;⑤ 對單個(gè)選定的測試項(xiàng)目進(jìn)行一次測試；⑥ 系統(tǒng)測試信息顯示及打印等。

手動(dòng)測試子模塊主要是用于檢測設(shè)備的調(diào)試，提供能夠?qū)π盘柷袚Q模塊、TOS9200儀器及數(shù)字多用表的測試界面，可以對串口控制的儀器地址進(jìn)行設(shè)置。

模塊維護(hù)子模塊是整個(gè)測試對象的數(shù)據(jù)匯總。實(shí)現(xiàn)對被測試模塊進(jìn)行查看、增加、修改和刪除等操作。

連接管理及建立連接子模塊是測試項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫的操作控制中心，可對模塊所涉及的測點(diǎn)和連接關(guān)系進(jìn)行編輯，測點(diǎn)管理包括有增加、修改和刪除測點(diǎn)，連接關(guān)系管理主要有建立和刪除連接。

4.2 測試流程設(shè)計(jì)

4.2.1 主程序的控制

主程序的控制流程圖如圖4所示。程序運(yùn)行后先對硬件資源進(jìn)行了初始化，判斷是否正常，若正常則顯示主界面并且加載各功能界面，若出現(xiàn)故障，則彈出初始化結(jié)果顯示界面，并且打印出故障模塊。主程序加載自動(dòng)測試、手動(dòng)測試、模塊維護(hù)和連接管理等4個(gè)功能界面，具體的測試控制和數(shù)據(jù)管理均在此4個(gè)界面中完成。

圖4 主程序流程圖

4.2.2 自動(dòng)測試流程的控制

自動(dòng)測試控制流程圖如圖5所示。自動(dòng)測試模塊是針對操作人員使用的，主要完成產(chǎn)品的測試項(xiàng)目選擇及測試，主要解決系統(tǒng)的自動(dòng)化測試的要求，根據(jù)測試過程需求，設(shè)計(jì)有單次測試和自動(dòng)測試兩個(gè)控制流程。進(jìn)入自動(dòng)測試模塊，初始化自動(dòng)測試界面的控件狀態(tài)和測試項(xiàng)目數(shù)據(jù)；根據(jù)被測對象產(chǎn)品型號，在測試模塊選擇控件中選定對應(yīng)的模塊名稱，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示出當(dāng)前模塊對應(yīng)的測試項(xiàng)目；輸入產(chǎn)品和操作/檢驗(yàn)者的信息后，可選擇單次或自動(dòng)測試方式進(jìn)行測量，或者選擇打印已保存的測試記錄；根據(jù)測試結(jié)果選擇繼續(xù)測試或退出。

圖5 自動(dòng)測試流程圖

4.2.3 模塊維護(hù)和連接管理流程的控制

模塊維護(hù)主要對被測試模塊進(jìn)行查看、增加、修改和刪除等功能，其控制流程如圖6所示。進(jìn)入模塊維護(hù)，初始化該界面顯示已有模塊信息內(nèi)容；指定需要編輯的模塊編號；選擇是否刪除操作，若是則直接刪除，否則編輯該模塊；編輯后再選擇新增或修改操作；更新顯示模塊維護(hù)數(shù)據(jù)。

圖6 模塊管理流程

連接管理控制流程圖如圖7所示。進(jìn)入連接管理模塊，初始化該模塊界面顯示默認(rèn)模塊已有的測點(diǎn)和連接關(guān)系信息內(nèi)容；根據(jù)測點(diǎn)操作還是連接關(guān)系編輯，選擇不同流程，連接關(guān)系的建立時(shí)所選擇的測點(diǎn)必須為已有的測點(diǎn)；針對測點(diǎn)進(jìn)行增加、修改和刪除操作，操作完成后將更新顯示測點(diǎn)數(shù)據(jù)；針對連接關(guān)系進(jìn)行刪除和建立操作，完成后更新顯示連接關(guān)系數(shù)據(jù)。

圖7 連接管理及建立流程

4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫主要有測試模塊表、測試接口表、測試關(guān)系表、測試結(jié)果記錄表、測試狀態(tài)表等。其中，測試結(jié)果記錄表定義與測試關(guān)系表相一致，模塊表、接口表和關(guān)系表的字段說明見表1。

模塊表是模塊維護(hù)編輯的數(shù)據(jù)后臺，是其他表的檢索項(xiàng)。增加新的被測對象時(shí)要建立此表，建立的原則是：① 被測產(chǎn)品不同;② 測試類型不同。

接口表是連接管理中的測點(diǎn)編輯的數(shù)據(jù)后臺，是軟硬件資源結(jié)合的重要部分，根據(jù)電纜的接線連接關(guān)系，設(shè)定了一個(gè)測點(diǎn)引腳映射到通道繼電器上的控制地址最多為兩個(gè)。定義連接電纜與被測產(chǎn)品連接的引腳為PID；定義測點(diǎn)對應(yīng)的通道繼電器模塊的映射地址為ADDMAP1和ADDMAP2；定義連接狀態(tài)為CONNSTAT。

關(guān)系表是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，對應(yīng)連接管理中的連接關(guān)系編輯的數(shù)據(jù)后臺，是實(shí)現(xiàn)測試程序自動(dòng)化重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是：① 測試有電阻測量、絕緣和電抗、開關(guān)控制等類型；② 僅對通道繼電器進(jìn)行控制，不需要測量的測試過程；③ 測量儀器接入到資源繼電器上有兩線制和四線制的測試項(xiàng)目。為此，關(guān)系表除了模塊和測點(diǎn)，及測量參考數(shù)據(jù)和測量結(jié)果數(shù)據(jù)外，關(guān)鍵是定義關(guān)系邏輯控制字段，定義測試類型為TYPE、測試方法為METHOD、測試策略TACTICAL。

表1 各表字段說明

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 系統(tǒng)自動(dòng)化和擴(kuò)展性分析

檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)需求。軟件設(shè)計(jì)做到了功能劃分合理，人機(jī)交互操作友好，輸入輸出控件清晰。測試軟件運(yùn)行后，經(jīng)初始化系統(tǒng)正常，進(jìn)入主程序的自動(dòng)測試模塊(如圖8所示)，通過自動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)，檢測設(shè)備能夠?qū)Ρ粶y產(chǎn)品的單次和自動(dòng)測試。

通過切換模塊選項(xiàng)，可以進(jìn)入模塊維護(hù)和連接管理模塊。通過操作，驗(yàn)證了模塊維護(hù)和連接管理模塊實(shí)現(xiàn)了對測試產(chǎn)品和項(xiàng)目的新增和編輯，滿足了檢測設(shè)備的擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)需求。

5.2 系統(tǒng)電阻檢測分析

通過對聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換電門進(jìn)行自動(dòng)測試，其測試數(shù)據(jù)見表2。表2中，起始測點(diǎn)和終止測點(diǎn)對應(yīng)聯(lián)鎖轉(zhuǎn)換電門的測試端點(diǎn)，類型1為電阻測試，方法1和方法2分別為兩線制和四線制，策略2為測量項(xiàng)，實(shí)測值為測試結(jié)果。測試過程和數(shù)據(jù)均滿足了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對電阻量兩線、四線制自動(dòng)測試。

圖8 主程序工作界面

序號起始測點(diǎn)終止測點(diǎn)類型方法策略實(shí)測值/Ω提示說明1電阻:正電阻:負(fù)1122967221:221:71220.017開關(guān)11321:422:61220.017開關(guān)2421:422:91220.022開關(guān)4521:422:71220.022開關(guān)6621:422:31220.020開關(guān)8721:522:51220.015開關(guān)1821:522:81220.019開關(guān)3921:522:41220.035開關(guān)51021:522:21220.014開關(guān)71121:1022:11220.008開關(guān)71221:122:101220.010開關(guān)1-8

5.3 系統(tǒng)電阻檢測分析

通過對轉(zhuǎn)換電門組件絕緣和抗電進(jìn)行自動(dòng)測試，其絕緣測試數(shù)據(jù)見表3。表3中，起始測點(diǎn)和終止測點(diǎn)對應(yīng)為測試產(chǎn)品的端點(diǎn)，類型1和類型2分別為電阻和絕緣測試，方法1為兩線制，策略1和策略2分別為控制項(xiàng)和測量項(xiàng)，實(shí)測值為絕緣測試結(jié)果； 產(chǎn)品抗電項(xiàng)目與絕緣相同，只是將類型2定義為3，實(shí)測值則為讀取的抗電參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，絕緣和抗電測試均滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對絕緣和抗電的自動(dòng)控制和測試。

表3 絕緣測試數(shù)據(jù)(節(jié)選)

6 結(jié)束語

對各型彈射座椅電氣附件測試需求進(jìn)行分析，提出了一種基于640路信號切換模塊的測試方案，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種彈射座椅電氣附件自動(dòng)綜合檢測設(shè)備，通過測試關(guān)系數(shù)據(jù)庫和自動(dòng)測試程序，實(shí)現(xiàn)對座椅電氣附件自動(dòng)綜合檢測，可用于測試維修飛機(jī)座椅電氣附件的電阻、電壓、絕緣、抗電的性能和控制功能的自動(dòng)測試，為快速檢測座椅電氣附件提供了技術(shù)手段，提高了人工效率，提升座椅電氣附件的維修能力，達(dá)到了保證座椅電氣附件修理質(zhì)量的效果。