高度傳感器自動測試系統的設計與實現

徐元軍,高登強,郝 林,張 燕

(航空工業成都凱天電子股份有限公司，成都 610092)

0 引言

公司是機載傳感器研制和生產的骨干企業，過去針對不同型號傳感器的測試，設計專用的測試設備和軟件。由于機載傳感器需要滿足在不同的大氣壓力和溫度條件下正常工作，測試人員在測試過程中需要操作環境溫度控制設備和大氣壓力設備設置不同的溫度點和壓力點，當溫度和壓力達到設置值并保持一定時間后記錄測試數據，測試結束后對測試結果做出分析和判斷。單只傳感器測試需要占用測試人員、測試設備以及測試資源大量時間，隨著傳感器型號以及產量的增加，這種測試設備及測試方式已不能滿足公司的需求。高度傳感器自動測試系統的研制，節省了測試所需人力的投入，提高了測試設備以及測試資源的利用，提高了傳感器的測試效率。測試人員根據傳感器型號連接好適配電纜，操作自動測試系統軟件，就能一次完成多只傳感器的測試。

1 高度傳感器及測試需求

1.1 高度傳感器的工作原理

傳感器作為一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。機載傳感器是飛控系統的基礎部件，高度傳感器作為機載傳感器中重要成員，能測量飛行器所處飛行高度，對于飛行器的安全飛行與自主控制具有十分重要的作用[1]。公司研制的高度傳感器是通過測量大氣參數來測量飛行高度，其主要功能是感受飛行器空速系統輸入的大氣壓力信號(包括總壓、靜壓值等)，并將其轉換成電信號輸入相關控制系統的微計算機中進行處理。

按照世界各主要航空國家制定的標準大氣模型，大氣的溫度、密度和壓強隨高度按固定規律變化[2]。通過測量大氣壓強數值，帶入標準氣壓—高度公式[3]：

(1)

1.2 測試需求

公司研制的高度傳感器，主要是硅壓阻式壓力傳感器，該種類型的傳感器具有靈敏度、集成度、綜合精度、可靠性高的特點，并且性能穩定、體積小、質量輕、方便使用。根據不同飛行器及機載系統的需要，可集成后續處理模塊實現數字信號輸出，也可以集成溫度傳感器、加速度傳感器等實現多種功能，從而實現了公司高度傳感器的系列化和多種型號。

高度傳感器工作在不同的大氣壓力和溫度條件下，研制過程中的調試，交付前的驗收測試和使用過程中的校驗，都需要對其在不同溫度和壓力條件下的輸出參數進行測試和分析，且不同型號傳感器的功能和測試指標具有差異性。高度傳感器在測試過程中，需要連接大氣壓力設備，并放入環境溫度控制設備，當大氣壓力和環境溫度達到一定值的時候均需保持一定的時間。因此，單只傳感器測試所占用人力和測試資源的時間周期長，過去的測試設備能測試的型號以及數量有限。

針對該類傳感器型號多，產量大，不同型號功能和測試指標具有差異性，測試溫度點和壓力點多，測試周期長的狀況，急需開發新的測試系統。高度傳感器自動測試系統的成功研制，實現了無人值守全自動測試和并行測試，并能測試多種型號傳感器，大大節省測試所需投入的人力、物力和時間，提高了測試效率。

2 系統及軟硬件設計

2.1 系統架構

高度傳感器自動測試系統在工控計算機下采用多通道CPCI總線、GPIB總線、RS-232總線和以太網絡標準接口儀器，設計具有模塊化結構的通用硬件測試平臺，在VC++和SQL Server數據庫開發環境下設計層次化、模塊化的軟件體系結構。整個系統采用開放的體系架構，使系統的維護、更改，以及對類似傳感器的測試和測試數量的擴展極其方便，系統架構如圖1所示。測試系統的物理層由儀器資源、儀器總線、測試計算機、公共測試接口組成；軟件層由儀器控制模塊和系統應用程序集組成；信息交換層由被測信號定義、儀器設備定義、被測傳感器、測試適配接口、測試配置、測試過程配置、測試結果描述、測試診斷信息定義等元素組成。

圖1 系統架構

2.2 硬件平臺設計

系統硬件平臺由通用測試平臺、專用設備和輔助設備組成。通用測試平臺包括工控機、CPCI總線系統、RS-232總線模塊、LAN總線儀器、通用測試接口ICA(interface connect adapter)以及系統校準機構等；專用設備主要是測試線纜ITA(interface test adapter)，各型號傳感器均配有專用的ITA；輔助設備主要包括大氣壓力控制設備和環境溫度控制設備等。整個硬件平臺，除了ICA/ITA和大氣壓力控制設備為公司自己研制，其余設備、儀器和模塊均選用市場成熟、接口標準的產品，提高了硬件的通用性、可靠性、維護性，同時也降低了研制周期和成本。系統硬件平臺結構如圖2所示。

圖2 系統主要硬件結構

ICA為系統測試資源按照一定規則分類排布的對外接口，將系統所有的測試資源都引到ICA上，測試資源不直接與被測對象相連，而是通過ITA對測試資源進行調理、再分配后連接至不同的被測傳感器，實現了資源的優化配置。這樣的接口設計，實現了對新型號傳感器測試的擴展需求，對于新型號傳感器的測試，只需要設計ITA，并將型號信息、接口信息和測試信息錄入數據庫，測試軟件通過讀取數據庫獲取和使用。

為防止操作人員因連接錯誤帶來的危害，對每種型號傳感器的ITA進行防插錯設計，主要措施包括：對每種型號的ITA進行標識，使之與傳感器型號一一對應起來；在每種型號的ITA內放置不同阻值的適配電阻，并將該阻值和與之對應的傳感器型號輸入數據庫，測試軟件在建立測試連接時檢測適配電阻，若型號與阻值不匹配進行報警提示，并斷開連接。

2.3 軟件架構設計

系統軟件基于層次化、模塊化設計思想，部分組件采用構件技術，使得功能模塊易于修改替換，提高了系統集成的靈活性和復用度，方便系統維護升級[4]。采用DLL，ActiveX，COM等軟件技術組建，各個軟件模塊間有良好的接口，使系統的實現靈活方便。系統軟件采用Visual C++進行開發[5]，以SQL Server作為配置數據管理系統，整個系統軟件由主控軟件、系統自檢軟件、系統自校軟件、傳感器測試軟件、系統管理軟件、傳感器軟件加載軟件和測試報告打印軟件組成。系統軟件架構如圖3所示。

圖3 系統軟件架構

系統主控軟件是各功能軟件的統一接口，實現對系統功能的管理和調用；系統自檢軟件的功能是檢測系統儀器設備工作是否正常，以及系統接口和通道連接是否正常，并報告檢測結果，主要用于系統硬件故障排查；系統自校軟件實現對測試系統的整體校準，以及傳感器測試參數的修正；加載軟件實現對各型傳感器嵌入式軟件的加載；測試報告打印軟件用于管理測試數據，并將測試數據寫入測試報告、打印報告或報告上傳；系統管理軟件實現對系統用戶權限和使用安全性的管理，系統硬件資源、測試資源等相關參數的配置管理，以及傳感器測試參數、測試流程等相關參數的配置管理；傳感器測試軟件實現對各型號傳感器的研制調試和驗收測試，包括溫度設備控制、壓力設備控制、數據庫操作、各總線的管理、測試數據采集處理、測試數據的保存等功能模塊。

3 主要測試問題的解決

3.1 多型號測試

多型號測試就是要實現測試系統的通用性，提高測試系統的使用效率，使測試系統能測試多種型號的傳感器。公司研制的高度傳感器有的輸出模擬量信號，有的輸出數字量信號，有的集成了其他功能，通過分析不同型號傳感器測試指標的差異性，以及考慮到測試型號可能增加的需求，通過硬件和軟件進行解決。

1)硬件方面：首先測試系統要能測試各型傳感器的所有參數，系統需要集成所有測試資源，每個測試資源的操作函數均封裝在獨立的DLL文件中，針對各型傳感器在測試中對測試資源使用的不同，通過測試軟件讀取數據庫中該型傳感器的配置信息進行處理。比如，針對某型號傳感器的測試，測試軟件啟動的時候需要打開和控制其相關的測試資源，測試軟件只需調用成員函數OpenEquip，函數格式如下：

OpenEquip (A，B)；

式中，A表示被測傳感器型號，B有兩種狀態即打開/關閉，函數通過型號A查找數據庫中其所需測量儀器，并調用儀器對應DLL中函數，根據B的狀態將儀器一一打開/關閉。其次需要解決不同型號傳感器與測試系統連接接口的互通性，采用ICA/ITA技術設計系統接口，ICA提供測試系統所有測試資源的共同接口，ITA實現測試資源的分配以及不同型號傳感器的轉接。

2)軟件方面：需要解決不同傳感器測試軟件的共性和個性問題。首先，測試軟件中各功能模塊相互獨立，接口清晰，測試軟件在處理相關功能的時候，通過讀取該型傳感器在數據庫中的配置信息，對該模塊進行參數傳遞，從而實現該型傳感器的相關功能。其次，對于測試軟件界面中輸入/輸出參數控件，按鈕及其響應事件等，采用配置參數動態生成軟件的設計方法[6]，測試軟件啟動時通過讀取數據庫中不同型號傳感器的測試參數、界面參數、ICD參數等動態生成對應型號傳感器的測試軟件。

3.2 并行測試

高度傳感器測試周期長、數量大，為了提高測效率，需要提高測試系統的測試吞吐量，使測試系統在一次測試中能測試多只同型號的傳感器，解決此需求采用了并行測試技術[7]。

1)硬件方面：各測試數據采集模塊和儀器，選用市場成熟的具有標準接口的多通道產品，使得系統硬件維護、升級方便，確保了系統的穩定性和可靠性；環境溫度控制設備選擇大容量的設備，大氣壓力控制設備采用公司自主研制且使用成熟的多通道壓力輸出設備。

2)軟件方面：利用VC++面向對象的開發技術，將傳感器的測試軟件構建成類，該類中封裝了傳感器測試相關的變量和函數，根據被測對象數量建立多個測試對象，通過主測試軟件把這些測試對象生成傳感器測試軟件界面。對于不同測試任務的調度，不同測試通道數據的接收、處理、顯示等，通過主測試軟件的多進程或多線程實現。各被測對象對測試資源通道的使用在數據庫中進行配置，測試軟件對測試對象的操作通過通道號區別，比如接收傳感器輸出數據函數Receive，函數格式如下：

Receive (A，B，C)；

式中，A表示被測傳感器型號，B表示傳感器編號，C表示信號種類，測試軟件在接收傳感器輸出數據的時候，通過A和B在數據庫中找到通道號，通過C調用對應儀器DLL中該通道的接收功能函數，并對數據進行相應處理。

3.3 系統校準

校準是確保測試設備和儀器性能可靠的重要手段，自動測試系統以系統為整體進行工作，不同的測試方式以及系統傳輸電纜、適配接口等環節對最終的測試結果都可能產生影響，因此對測試系統的校準采用在站(on station)校準方式，將測試系統作為一個完整的單元進行校準，滿足現場校準的需要[8]。

1)系統校準過程：

圖4為測試系統的校準過程，上級計量實驗室用測量標準對自動測試系統激勵電源進行檢定或校準，操作人員使用校準合格的激勵電源對自動測試系統進行激勵輸入，積累多次系統校準所得的數據并存入數據庫，再次校準的時候，根據統計控制模型對數據庫中歷史校準數據進行分析，判斷測試系統量值是否受控，如果受控則可將校準數據用于修正傳感器測試結果，否則需進行問題溯源。

圖4 系統校準控制過程

2)確定校準周期：

自動測試系統集成了許多商用總線模塊和儀器, 廠家規定的校準周期各不相同,如果采用固定校準周期的計量方式進行校準,容易造成不足計量或過剩計量，不足計量將導致測試系統的狀態惡化，影響測試結果，過剩計量將會增加停機時間，影響工作效率，增加計量成本。考慮到儀器廠家的建議、使用情況等因素，根據工程經驗確定初始校準周期，選擇激勵電源的校準周期為初始校準周期[9]。在一個校準周期內，對于不斷積累的校準數據，采用控制圖進行統計分析[10]，根據測量值的變化趨勢延長或縮短校準與檢定周期。

3)利用校準結果：

就是利用系統校準數據補償和修正傳感器測試結果，消除測試系統本身所帶來的偏差。校準是針對測試系統的每個通道進行，并且在測量范圍內對多個測試點進行校準。校準點的多少即校準區間劃分的大小，須確保在每個區間內系統對不同的輸入和輸出滿足線性變化的關系，因此采用線性插值法，其函數關系為：

Ynj=anjXnj+bnj

(2)

式中,Ynj表示n通道j校準區間測試系統的測試結果，Xnj表示n通道j校準區間測試系統的輸入值，即被測傳感器的輸出值，因此經修正后的測試結果為：

(3)

其中：

(4)

(5)

式中，x為校準時激勵電源對測試系統的輸入值，y為測試系統對x的測試值；i為校準點，其最大值為測試系統在測量范圍內所選取的校準點個數，其值通過Y在y所在的j區間確定。

3.4 無人值守全自動測試

無人值守全自動測試就是測試過程啟動后，在沒有人員參與的情況下，測試系統根據預先設置好的測試流程自動完成測試，這種測試方式降低了對人力資源的占用，也避免了因人員誤操作帶來的測試錯誤，使得測試結果客觀、可靠。傳感器測試軟件包含實時采樣測試和自動驗收測試，實時采樣測試根據操作人員設置的溫度值和壓力值，實現對傳感器輸出參數的接收、處理和顯示，主要用于傳感器調試。自動驗收測試實現了無人值守全自動測試，根據各型傳感器驗收測試大綱規定的測試流程，系統自動設置壓力值和溫度值，并對保溫和保壓時間自動計時，自動對傳感器處于不同溫度點和壓力點下的輸出參數進行接收、處理、顯示和保存，并對輸出參數的合理性進行判斷，對測試結果進行報告。操作人員只要連接好被測對象的適配電纜和大氣壓力輸入接口，放入溫度控制設備，啟動該型傳感器的測試軟件，點擊“開始自動測試”按鈕，即可完成測試。自動測試流程如圖5所示，主要設計思想如下：

圖5 自動測試流程

1)測試流程可配置化：不同型號傳感器驗收測試大綱的差異性決定了其測試流程的不同，測試軟件通過數據庫控制測試流程[11]。與自動測試流程控制相關信息包括保溫時間、保壓時間、溫度點、壓力點等，這些信息均保存在數據庫中，在自動測試過程中，測試程序通過讀取該型傳感器在數據庫中的這些信息實現測試流程的控制。

2)安全性設計：對于無人值守全自動測試，測試過程的安全性是要重點考慮的因素，要把測試過程中可能出現的問題或故障以及采取的安全措施考慮到，避免因無人及時處理而引發事故。自動測試系統的設計中，對于溫度設備、壓力設備接口的訪問和控制，以及自動測試流程的控制均在獨立的線程中處理；對測試流程中的每個操作狀態和結果進行實時顯示，當測試遇到故障不能執行下去時，系統將會做出提示和告警，斷開傳感器電源，關閉相關測試儀器和設備，退出自動測試相關線程。

4 實驗結果與分析

4.1 測試精度實驗及分析

測試精度實驗以某型高度傳感器的測試作為實驗對象，實驗對象的挑選以測試參數足夠多作為選擇的條件，并行測試數量配置為8只。隨機選取某只傳感器作為測試對象，在0～5 V的電壓范圍內，任意選取三個測試點，以直流穩壓電源作為測試系統的輸入，觀察測試軟件界面并記錄測試數據，測量參數、輸入值和測試值見表1。分析表1中各參數的測試結果，測試系統對于三個測試點的測試誤差均在±0.25% FS即±12.5 mV范圍內，實驗結果達到了高度傳感器自動測試系統的設計需求和目標。

4.2 應用效果分析

高度傳感器自動測試系統自研制完成后，順利通過了各項驗證實驗和鑒定，并且已完成了多型高度傳感器的驗證測試。該自動測試系統體現了較好的使用性能和應用效果，系統各項性能包括用戶管理、數據解析、精度誤差處理、故障分析、設備通訊、配置管理、測試流程配置、自動化測試、數據存儲與管理等均工作正常，滿足系統的設計需求和目標。

表1 各參數測試結果

5 結束語

高度傳感器自動測試系統已在公司多型傳感器的研制和生產中成功應用，實踐表明高度傳感器自動測試系統可靠性高，通用性強，操作方便，大大節約了人力資源和測試成本，提高了傳感器的測試效率，并具有對類似傳感器較強的擴展能力。高度傳感器自動測試系統的成功研制和應用，也為公司其他非傳感器機載系統和產品自動測試系統的設計積累了寶貴的經驗。