自動飛行控制計算機通用自動測試平臺設計

韓建輝，張芬，杜永良

(航空工業(yè)第一飛機設計研究院 飛控系統(tǒng)設計研究所，西安 710089)

0 引 言

長時間的飛行對飛行員的體力、精力及飛行安全帶來了嚴重的挑戰(zhàn)，對遠航程的大型飛機而言更為嚴重。自動飛行控制系統(tǒng)將飛行員從耗時耗力巡航階段的常規(guī)飛行操縱中解放出來，使飛行員將主要精力集中于影響飛行安全的起飛著陸階段及特殊空情的處置之上。因此確保自動飛行控制系統(tǒng)的正常工作以及及時在地面排除故障缺陷就顯得尤為重要。自動飛行控制計算機是自動飛行控制系統(tǒng)的核心部件，主要完成自動飛行控制律的實時解算、航姿信號，飛行管理指令的接口輸入、三軸偏轉指令、三軸飛行指引指令的接口輸出，多余度的表決監(jiān)控及故障隔離等功能[1]。自動飛行控制計算機使用超大規(guī)模集成電路、技術密集復雜，使用通用儀表和專用測試儀器在地面完成故障檢測定位費時費力而且對地勤人員的技術能力提出了很大的挑戰(zhàn)，自動檢測技術可以快速高效完成故障測試定位[2]。

國內外科技人員對自動測試技術進行了相應的研究，李宏偉等[3]研究了基于VMIC和VXI總線的自動測試技術平臺，輔助設計人員快速完成控制系統(tǒng)的雙“V”設計，但不適用于成熟產(chǎn)品的故障診斷測試；段江濤等[4]研究了飛控計算機的自檢測方法，卻只能將故障定位于部件級，無法定位于部件的某一功能模塊；楊堯等[5]介紹了基于LabVIEW的飛控計算機測試系統(tǒng)設計，主要介紹了使用LabVIEW設計測試系統(tǒng)的原理，沒有說明自動測試技術的實現(xiàn)方法；蘇圣陽[6]研究側重于飛控計算機的測試設備硬件設計與實現(xiàn)，主要用于設計開發(fā)階段；虞健飛等[7]研究了動態(tài)仿真激勵模型技術并將其應用于飛控計算機的測試系統(tǒng)設計中，缺少自動故障診斷功能；張丹濤等[8]研究了基于系統(tǒng)需求數(shù)據(jù)庫技術的BIT自測試技術，BIT自測試技術集成于被測計算機內部無法定位功能模塊故障；J.Tong等[9]研究了新一代航空自動測試技術模型，側重于理論技術研究；D.Cheij[10]研究了利用IVI(Interchangeable Virtual Instrument)技術來提高測試系統(tǒng)的性能，側重于研究IVI技術；M.Courtois等[11]研究了新一代法國戰(zhàn)機的綜合診斷技術，側重于測試結果的綜合處理；劉洋等[12]研究了飛機飛行控制系統(tǒng)通用測試平臺設計和實現(xiàn)，側重于飛控系統(tǒng)級的測試驗證，機載設備級的故障無法檢測。自動飛行控制計算機故障時可以利用自動飛行控制系統(tǒng)級的自檢測(Building in Test，簡稱BIT)模塊配合飛機級的中央維護系統(tǒng)定位并上報地勤人員，但是自動飛行控制計算機返回生產(chǎn)廠家進行檢測維修周期過長會極大地降低飛機的完好出勤率。自動飛行控制計算機通常采用基于背板總線的多板卡功能模塊設計，如果使用測試系統(tǒng)將故障定位到某個功能模塊，地勤和生產(chǎn)廠家可以快速實現(xiàn)功能模塊的更換進而實現(xiàn)自動飛行控制計算機的修復，維修時間的縮短可以提高飛機的完好出勤率。

本文設計基于儀器總線架構的硬件平臺以及滿足標準化要求的軟件平臺，利用自動測試標記語言(Automatic Test Makeup Language，簡稱ATML)將測試方法和流程編譯成測試程序集，并下載到測試工作站，通過自動測試平臺向自動飛行控制計算機施加激勵并對響應進行測試診斷，將自動飛行控制計算機的故障定位于其內部的某一功能模塊，從而實現(xiàn)自動飛行控制計算機的自動測試。

1 自動飛行控制計算機的組成與交聯(lián)關系

自動飛行控制計算機通過HB 6096、AFDX總線接收航電系統(tǒng)發(fā)送的大氣數(shù)據(jù)、慣性導航數(shù)據(jù)、無線電高度等飛行姿態(tài)參數(shù)和飛行管理系統(tǒng)的引導模式、偏航距、偏航角、速度差等引導數(shù)據(jù)，同時發(fā)送自動飛行控制系統(tǒng)的工作模態(tài)、狀態(tài)、飛行參數(shù)至航電綜合顯示和飛參事故記錄儀；自動飛行控制板通過HB 6096總線設定自動飛控的導航、自動飛行、飛行指引等模式和縱向、橫航向的目標控制指令；自動飛行控制計算機利用HB 6096總線發(fā)送油門控制指令以實現(xiàn)發(fā)動機的推力控制；自動飛行控制計算機利用1553B總線發(fā)送三軸偏轉指令和三軸指引指令到電傳飛行控制系統(tǒng)控制舵面偏轉進而實現(xiàn)飛機的俯仰、滾轉、偏航運動；多余度的自動飛行控制計算機之間利用交叉數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)計算機之間的余度表決、監(jiān)控、同步等通信。自動飛行控制計算機的交聯(lián)關系如圖1所示。

圖1 自動飛行控制計算機交聯(lián)關系

自動飛行控制計算機采用多板卡功能模塊設計，利用背板總線實現(xiàn)各功能模塊之間的通信，多功能板卡通常包括：負責計算機控制和控制律計算的CPU板、多路總線接口板、模擬信號接口板、電源模塊轉換板、告警/擴展板、背板等組成。每個板卡為獨立的功能模塊可實現(xiàn)插拔更換，其結構如圖2所示。本文設計的通用自動測試系統(tǒng)的目的是將故障定位到自動飛行控制計算機的板卡功能模塊級別，計算機的供應商和地勤維護人員可以快速實現(xiàn)板卡功能模塊的供應和計算機修復，從而提高飛機的完好出勤率。

圖2 自動飛行控制計算機結構圖

2 基于標準化體系的通用軟硬件自動測試平臺設計

自動測試系統(tǒng)若要實現(xiàn)通用化，硬件交聯(lián)應滿足絕大多數(shù)控制器的接口需求，軟件平臺和測試程序集具備可移植性且與硬件平臺無關，同時需要具備可擴展性，以確保被測設備升級后自動測試系統(tǒng)依然可用；飛機上不同的控制計算機可以僅僅通過改變接口適配器和測試算法而實現(xiàn)計算機的測試。為實現(xiàn)該目標，需要設計一個開放的基于標準化體系的自動測試系統(tǒng)架構，相關軟硬件要素及各要素之間的信息交換接口滿足標準化體系，使用滿足IEEE標準的面向信號的ATML描述。

自動測試系統(tǒng)平臺滿足IEEE標準化體系，測試儀器信息滿足IEEE 1671.2，測試工作站信息滿足IEEE 1671.6，實時系統(tǒng)信息滿足IEEE 1671，測試過程信息滿足IEEE 1671.1，故障診斷信息滿足IEEE 1232，測試適配器信息滿足IEEE 1671.5，被測設備信息滿足IEEE 1671.3，測試結果信息滿足IEEE 1636.1。使用標準化體系可以改善自動測試系統(tǒng)全生命周期內的信息流復用，減少更換硬件平臺時自動測試軟件的更改成本，增強測試儀器的互操作和互換性，便于自動測試系統(tǒng)的升級。

自動測試系統(tǒng)的總體架構如圖3所示。測試工作站通過PXI、PXIe、GPIB總線連接測試儀器，其組成為基礎測試儀器和專業(yè)測試儀器，基礎測試儀器包括程控電源和通用測試儀表，專業(yè)測試儀器包括總線信號、模擬信號、離散信號及其他專業(yè)測試模塊。測試儀器通過接口適配器實現(xiàn)與被測設備的信號交聯(lián)，測試控制計算機利用以太網(wǎng)實現(xiàn)測試結果顯示及測試過程控制；軟件平臺完成測試程序開發(fā)和測試執(zhí)行，并對測試結果進行故障診斷，給出測試結論。

圖3 基于標準化體系的自動測試系統(tǒng)總體架構

2.1 通用自動測試平臺硬件設計

通用自動測試系統(tǒng)的硬件平臺建立在基于PXIe、PXI、GPIB總線控制測試儀器的實時測控工作站之上。PXI是美國國家儀器(NI)公司于1997年發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線。PXI是PCI(Peripheral Component Interconnect)在儀器領域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)，它將Compact PCI規(guī)范定義的PCI總線技術發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范, 從而形成了新的虛擬儀器體系結構[13]。PXI總線引入PXI Express技術顯著提升了總線帶寬形成了新的PXIe總線。GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線最早是由美國HP公司提出,是最早的儀器總線,現(xiàn)已成為計算機和儀器間的標準通訊協(xié)議[14]。通用測試儀器一般采用GPIB總線與計算機進行通信。

通用自動測試系統(tǒng)的硬件平臺架構如圖4所示，主要包括：人機交互測試控制計算機、實時測控工作站、基于標準總線的程控通用儀器、程控直流28 V電源、HB 6096總線接口板、GJB 289A總線接口板、AFDX總線接口板、AD/DA接口板以及相關的擴展接口板卡和接口適配器。人機交互計算機選用普通非實時HP工作站，運行64位Windows操作系統(tǒng)，通過TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)實現(xiàn)測試程序和測試控制指令的下載以及接收實時測控工作站的測試結果。實時測控工作站選用研華工控機，運行Vxworks實時操作系統(tǒng)，測控工作站實時運行測試程序。基于PXIe、PXI、GPIB總線的測試儀器資源用于仿真模擬自動飛行控制計算機的外部交聯(lián)接口信號，程控28 V電源模擬計算機的多路直流28 V供電電源，程控通用儀器可以實現(xiàn)單個或者多個信號的測量、監(jiān)控。HB 6096、GJB 289A、AFDX總線接口板用以仿真航電系統(tǒng)、電傳飛控系統(tǒng)、自動油門控制系統(tǒng)和自動飛行控制板等外部交聯(lián)設備系統(tǒng)的通信信號。AD/DA接口板實現(xiàn)模擬量、離散量等硬線信號的仿真。其他測試儀器和專用測試設備可以通過PXIe、PXI、GPIB總線擴展到測試系統(tǒng)之中。接口適配器一端使用和機載電纜及電連接器插頭一樣的電纜和插頭連接于自動飛行控制計算機，接口適配器另一端依據(jù)計算機的各種類型交聯(lián)信號的通道數(shù)連接到基于PXIe、PXI、GPIB總線的測試儀器資源上，同時接口適配器還有信號隔離、調理和調制的作用。通用自動測試系統(tǒng)的硬件平臺實物如圖5所示。

圖4 自動測試系統(tǒng)硬件架構

圖5 自動測試系統(tǒng)硬件實物

2.2 通用自動測試平臺軟件設計

通用自動測試系統(tǒng)的軟件平臺包括開發(fā)管理平臺、執(zhí)行管理平臺、測試運行引擎和驅動控制等組成，軟件架構如圖6所示。

開發(fā)管理平臺包括測試程序開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)集成環(huán)境和系統(tǒng)管理組成，測試程序開發(fā)環(huán)境主要完成被測設備、測試電纜、接口適配器和故障診斷庫的信息描述，能夠支持ATML測試程序的開發(fā)和兼容ATLAS測試程序的導入，主要應用于被測設備的研制單位。系統(tǒng)集成環(huán)境主要提供給測試平臺研制廠商，完成測試平臺內測試資源(測控工作站、測試儀器)的描述和驅動開發(fā)、測試平臺接口描述、測試平臺內部連線開發(fā)。測試軟件采用滿足IEEE 1641及IEEE 1671標準的ATML語言進行開發(fā)和描述，面向信號測試程序只與被測設備有關，與測試硬件環(huán)境無關，從根本上保證了測試軟件的可移植性。

執(zhí)行管理平臺測試程序的運行環(huán)境，運行在實時測控計算機之中。執(zhí)行管理平臺通過COM接口與測試運行引擎交互，實現(xiàn)管理、調度和運行編譯過的測試程序。結合故障模型進行被測設備的故障測試、診斷和定位。執(zhí)行管理平臺支持測試程序進行全面自動測試和部分選項測試，同時具備型號管理、用戶管理和測試平臺自檢、計量的功能。控制板卡進行接口交聯(lián)信號仿真模擬的驅動程序由板卡生產(chǎn)廠家提供或者在已有驅動程序的基礎上進行二次開發(fā)實現(xiàn)。

圖6 自動測試系統(tǒng)軟件架構

3 自動飛行控制計算機測試方法流程和測試程序集設計

3.1 測試方法流程

自動飛行控制計算機的測試方法、內容、流程設計基于計算機的架構組成和交聯(lián)關系。測試方法要求測試原理正確、簡明有效[15]。測試內容要求覆蓋計算機的所有功能模塊[16]。測試流程分為全自動測試流程和選項單獨測試功能。測試流程和測試內容如圖7所示，可以看出：測試開始后首先識別自動飛行控制計算機的型號和硬件編號，通過計算機的針腳阻抗測試初步排除計算機內部的線路故障，之后執(zhí)行測試開始準備，其主要內容為計算機加電啟動引導，確保計算機啟動過程中不會出現(xiàn)硬件自檢錯誤而無法啟動計算機，同時確保計算機交聯(lián)仿真設備返回設備正常的仿真信號，計算機啟動后自檢正常同時系統(tǒng)工作在正常模態(tài)；測試開始前，地勤人員可以選擇進行全自動測試或者選項單獨測試；測試完成后生成程序指定格式的測試結果報告。

圖7 自動飛行控制計算機測試流程

自動飛行控制計算機由于交聯(lián)設備較多和多余度配置導致計算機內部的功能模塊較多，因此依據(jù)內場可更換功能模塊分項逐一進行測試，測試分為功率測試、核心處理器模塊測試、模擬量模塊測試、HB 6096信號模塊測試、GJB 289A信號模塊測試、AFDX信號模塊測試、多余度同步交叉多數(shù)據(jù)鏈通信模塊測試以及邏輯告警模塊測試等。由于篇幅所限本文僅對測試開始準備和HB 6096信號模塊測試的方法進行介紹。自動飛行控制計算機的測試開始準備如表1所示，步驟1～3確保計算機通過硬件自檢正常啟動，步驟4～8確保計算機啟動后自動飛控系統(tǒng)能工作在正常模態(tài)。測控計算機通過自動飛行控制計算機的監(jiān)控串口接收端發(fā)送測試激勵信號，在自動飛行控制計算機的多個HB 6096總線發(fā)送端接收并處理HB 6096信號，利用label號和數(shù)據(jù)內容及有效性校驗確認自動飛行控制計算機計算機的429總線發(fā)送功能正常，具體方法如表2所示，可以看出：利用自動飛行控制計算機HB 6096總線接收測控計算機仿真的指示空速、馬赫數(shù)、氣壓高度、迎角、側滑角、慣導、無線電高度等航姿信號，在自動飛行控制計算機的監(jiān)控串口發(fā)送端接收處理數(shù)據(jù)，判斷自動飛行控制計算機接收到的HB 6096總線數(shù)據(jù)和測控計算機發(fā)送的是否一致。HB 6096總線模塊的信號發(fā)送回繞自檢測功能的測試方法類似本文不再贅述。

表1 自動飛行控制計算機測試開始準備

表2 自動飛行控制計算機HB 6096總線模塊接收功能測試

3.2 測試程序集設計

程序開發(fā)人員依據(jù)編制好的覆蓋自動飛行控制計算機功能模塊的全部測試方法、流程設計測試程序集和故障診斷模型庫，基于IEEE標準將自動飛行控制計算機的測試方法流程編寫成使用XML語言的測試程序集， 同時使用ATML語言代碼完成被測設備描述、接口適配器描述、測試儀器描述、測控工作站描述、故障診斷模型描述以及測試結果描述等。ATML語言詳細定義了約束、規(guī)則及各個組成部分之間的關系，通過多個ATML模式定義將測試程序集的相關部分盡可能分離并保持信息的獨立性，使測試程序可以不依賴于硬件平臺和操作系統(tǒng)，從而實現(xiàn)跨平臺的重載和移植。自動飛行控制計算機進行全項目自動測試驗收的測試結果及軟件測試界面圖如圖8～圖9所示。

圖8 自動飛行控制計算機全項目自動測試核心功能模塊檢測結果

圖9 自動飛行控制計算機全項目自動測試故障邏輯和BIT檢測結果

4 結束語

針對飛機自動檢測系統(tǒng)只能定位到機載設備級別，設計了自動飛行控制計算機通用自動測試平臺將故障進一步定位于自動飛行控制計算機的功能模塊之上，用戶在試用測試中快速實現(xiàn)了自動飛行控制計算機自動測試并高效的將故障定位于計算機的功能模塊，縮短了自動飛行控制計算機的維修時間。通用自動測試硬件平臺易于擴展，軟件模塊相互獨立具有可移植性，通過更改測試方法和測試流程可以快速實現(xiàn)其他機載計算機的自動測試。