一種通用航空測試儀的設計方法

秦碩

（1.空軍航空維修技術學院，湖南長沙，410200；2.湖南省飛機維修工程技術研究中心，湖南長沙，410200）

0 引言

采用航空測試儀器對機載設備進行維修和測試，是確保飛行安全的重要環節和舉措[1-2]。目前航空測試儀很多采用NI公司的PXI、NXI等測試總線，該總線結構硬件測試資源豐富，但是產品成本較高。本文基于嵌入式技術，提出了一種分布式低成本的通用航空測試設備結構，設計了信號分配主板、功能電路板等，大大降低了測試儀器的成本、減小了設備體積。

1 設計需求分析

在航空測試系統中，對一個機載設備進行功能檢查，通常需要模擬該系統的電氣工作環境和條件，并且需要對系統的輸出信號進行檢測，從而判斷機載設備的性能[3-4]。對于飛行控制系統的檢測，要模擬慣導系統向飛控系統提供飛機的航向角、飛機的位置、飛機偏離預定航線的距離等信號；要模擬大氣機向飛控系統提供的飛機高度、速度等信號；要模擬航姿系統向飛機提供的飛機滾轉角、俯仰角和航向角等信號。這些信號通常以各種電壓、電流、同步器或總線形式傳送，測試儀器需要能夠對RS422、ARINC429和1553B等各種通訊接口進行測試、產生被測設備需要的電流信號、電壓信號、角度信號，同時對被測設備輸出的電壓、電流、開關指令、總線信號等進行檢測。

2 測試儀總體結構

由于航空測試需求復雜，很多檢測儀器都是針對被測設備專門設計，每一臺測試儀器滿足一個被測設備的測試需求，導致航空測試儀種類多、數量大，通用性和擴展性不強。針對以上問題，提出了一種模塊化的航空測試儀設計思想：功能劃分模塊化、通訊接口標準化、供電接口統一化。在模塊化設計思想指導下，航空測試儀電路結構由底板，控制板、多個功能板和電源模塊等組成。底板負責向各板卡供電和進行信號分配，功能板在控制板的控制下產生各種測試信號。系統結構圖如圖1所示。

圖1 測試設備電路板安裝示意和實物圖

圖1中，左邊是示意圖，右邊是實物圖。航空測試儀機箱內部包含CPU控制板、底板、各功能板卡（通訊板卡、繼電器板卡和模數轉換板卡等），各板卡通過96針高密插座安裝在底板上，底板通過96針高密插座向各功能板和控制板提供電源和控制信號。該電路結構可以根據不同的測試需求，更換測試功能板，從而實現航空測試設備的快速開發、系統升級。采用該方法實現了測試儀的可擴展性，可根據實際情況和測試需要增加、減少功能板卡。當測試儀器出現故障時，只需要更換相應的板卡，極大地提高了設備的維護性。

3 硬件電路設計

■3.1 系統結構框圖

根據系統結構，提出硬件電路的結構如圖2所示。

圖2 測試儀硬件結構圖

圖2中，下位機控制板負責和上位機通訊，接收控制命令，并將交互式信息發送至底板；底板信息包括CAN總線（負責和各功能板上的CPU板通訊）、電源線和GPIO地址線、數據線，這些信號通過96針高密插座和各功能板連接，控制板通過設定的地址區別各功能板，通過數據線向各功能板發送控制指令，或接收來自功能板的信號；各功能板對控制板發送的地址信號進行譯碼，從而接收對應的控制指令和數據信號，并對控制指令進行響應，對數據信號進行處理，產生相應的輸出信號，或將采集的信號轉換成數字量發送回控制板。功能板包括STM單片機小系統和轉換芯片構成的485接口、422接口通訊板、模擬量輸入輸出板、以及由FPGA譯碼電路構成的干觸點輸入輸出板等。該電路結構能夠很容易的實現功能擴展和模塊化設計。

■3.2 內部信號接口電路

功能板和底板的通訊接口電路接口形式為96針高密插座。包含總線信號、數字信號和供電電源，信號分配如圖3所示。

圖3 內部信號接口電路圖

圖3是各功能電路板和底板通訊接口模塊，圖中JIN1插座上包含了CAN總線信號、電源信號和GPIO信號，其中GPIO信號包含地址總線和數據總線，由D1至D24構成，將D1至D8分配為地址線，D9至D24設為數據線，通過功能板上的FPGA對地址線進行譯碼，確定每個命令發送對象，通過數據線確認命令內容。避免了直接采用GPIO引腳去控制繼電器和電流信號的產生芯片，將面臨引腳難以分配和編程的混亂，且占用GPIO引腳過多。信號接口的標準化，對于設備的擴展和模塊化設計提供了基礎。

4 軟件設計

測試系統軟件包括上位機測試程序和硬件底層驅動程序，上位機測試程序提供人機測試軟件界面和系統控制功能包程序塊等，硬件底層驅動程序包括422/485通訊模塊、數模轉換模塊、系統自監測保護等。測試軟件流程圖如圖4所示。

圖4 測試軟件流程圖

上位機人機界面程序運行后，通過選擇測試功能，發送相應的測試信號，比如選擇RS422通訊測試，進入通訊測試界面，下位機接收控制指令，向相關功能板卡發送控制指令和接收傳回的數據，并將數據發送至上位機進行顯示。上位機測試軟件DEMO界面如圖5所示。

圖5 測試儀主界面示意圖

圖5是一種航空測試儀的軟件界面，包含使能控制模塊、警告燈狀態模塊、總線信息顯示模塊等。其中使能控制按鈕，按下狀態表示使能信號輸出，此時該按鈕為綠色，沒有輸出為紅色。告警燈信號表示輸入開關量信號，當有輸入信號時，該燈變為紅色。總線信息顯示框，顯示422或232等數據總線接收和需要發送的信息。

上位機、測試儀器和被測設備，通過測試電纜連接，接通測試儀和被測設備電源，啟動上位機進入計算機控制軟件，開始測試，連接關系如圖6所示。

圖6 測試連接示意圖

5 總結

提出了一種分布式通用航空測試儀的設計方法。設計了集中供電和信號分配的底板，統一和規范了控制板、底板和功能板卡的電氣接口，實現了航空測試儀的模塊化、通用化和可擴展設計；通過基于虛擬儀器的軟件設計方法，設計了某航空測試儀上位機的測試軟件界面；采用FPGA和ARM相結合的方式，設計了功能板卡的核心電路，并采用MDK5等開發環境開發了底層硬件驅動。該設計方法降低了測試儀的硬件開發難度和成本，提高了測試儀的可靠性和可維護性。