機載顯示器自動化測試系統研究

劉學文，黎映相，張偉

（長沙湘計海盾科技有限公司，湖南長沙，410008）

0 引言

對敵信息感知能力是影響機戰斗力強弱的重要因素。機載顯示器能夠將大量復雜融合的空間信息，實時的顯示給飛行員，并可以通過觸摸或者按鍵形式向飛行員的操作反饋給相應的飛行控制系統、雷達系統、主控計算機、火控系統等。可為完成飛行訓練及作戰任務提供決策依據和各種飛行信息，使飛行員能夠迅速地作出決策操作。因此機載顯示器在飛機的人機交互中占據著越來越重要的地位[2]。

為了保證機載顯示器的可靠性需要在生產使用和維修等生命周期中對機載設備進行嚴格的測試，確保其功能正常，避免飛行事故[3]。隨著大屏顯示技術的發展以及各種視頻通訊總線的升級，機載顯示器的自動化程度和集成度也越來越高，技術復雜度也不斷提升，人工對其硬件信號和軟件協議進行測試，顯得越來越難以為繼[4]。為有效提升測試能力，采用自動化測試系統代替人工測試是大勢所趨。

本文設計的機載顯示器的自動化系統包含一個基于FPGA的視頻信號源，一臺光學測量儀器，以及程控電源以及加固計算機主機。該系統通過主機控制多個儀器設備來對顯示器進行全面的功能性能測試，并可通過上位機程序來自動化記錄分析測試數據，生產測試報表，極大降低維護人員的工作量。

1 系統硬件設計

一體機用于上位機控制，在機箱中除CPCI計算主板、視頻驅動板、電源板和一塊定制的Z7-FPGA視頻輸出源。

由上位機通過通信端口控制Z7模塊、顯示模塊、顏色分析儀以及程控電源。

圖1 測試系統整體框架圖

1.1 視頻源

該信號源基于ZYNQ-7000技術平臺，使用專用的圖像IP核，來為顯示屏提供TTL格式的視頻信號源。可輸出設定的白屏、黑屏、定制化灰度圖、彩虹圖等畫面，并可設定其規定的分辨率數據。

1.2 色彩分析儀

采用Klein色彩分析儀來進行色彩信息分析，通過其開放的SDK包來在線讀取顯示屏的色坐標數據，再計算出顯示屏的顯示參數。色彩分析儀通過USB接口與主機通訊。

1.3 控制主機

加固式一體機作為上位機，可輸出控制信號控制被測件的亮度調節、晝夜模式、風扇通斷，可讀取亮度溫度數據。

控制主機通過以太網、RS232接口以及USB接口來實現對程控電源、視頻信號源、色彩分析儀的控制。

1.4 程控電源

IT6322程控電源為被測顯示模塊提供電源，通過上位機總線讀取和設置顯示模塊的工作電壓和工作電流，并可對顯示模塊的電源輸入范圍進行全自動測試。

2 系統軟件設計

2.1 整體設計

軟件程序基于Labview開發，本程序采用了事件觸發與狀態機結合的技術框架。

測試系統中的設備自檢、顏色分析與計算、通信協議驗證、程控電源控制等各子系統分別由子VI負責。將各子系統有效隔離，保障了程序的健壯性和可讀性。

通過將狀態機自動調取與人工操作結合，平衡了軟件處理性能與人性化操作，開發出一套高效的自動化測試系統。

圖2 程序主界面

2.2 視頻源通信協議

服務器端上電啟動，連接的建立，保證一直處于偵聽狀態，主機上電后啟動測試軟件，與服務端建立連接。測試軟件退出時，關閉連接。 連接通訊消息格式固定為1個字節長度，內容為命令字。命令字列表如表1所示。

表1 通訊協議

53 06 800*600 Black Picture 53 07 800*600 Gray Picture 53 08 800*600 Flicker Picture

2.3 色域覆蓋率計算

色域覆蓋率為CIE 1976色空間y坐標色系度圖上，三基色（R、G、B）色度點組成的三角形色域面積S，與BT2020標準色域軌跡面積（0.1118）的百分比C。

由視頻源輸出100%紅場、100%綠場、100%藍場、用光學分析儀依次測量可視區域中央位置的色度坐標（u′r，v′r）、（u′g，v′g）、（u′b，v′b）。

采用以下公式計算三色色域面積S及色域覆蓋率C：

2.4 亮度均勻性計算

主機軟件下發控制指令輸出白場圖像，同時由光學分析儀采集屏幕上的九個點的亮度值，軟件根據計算公式來計算出亮度均勻性。

技術要求：加固型顯示器的亮度均勻性應不低于技術協議或設計文檔的規定。

測試方法：顯示器亮度非均勻性的測量應在顯示器至少工作15min后進行。將加固型顯示器的亮度調節至最亮，選擇純白色畫面，在暗室中使用亮度計或K10彩色分析儀分別測量圖4中P0、P2、P4、P6、P8各點的亮度（或者P0 ～P8各點的亮度），按公式（1）計算亮度非均勻性。

圖3 測試定位圖（V——有效顯示區域的高度；H——有效顯示區域的寬度。）

圖4 色域測試圖

式中：

LNU——亮度非均勻性，無量綱；

Li——Pi(i=0,2,4,6,8或i=0,1,2,3,4,5,6,7,8)各點的亮度，單位為cd/m2；

Lav——Li(i=0,2,4,6,8或i=0,1,2,3,4,5,6,7,8)的平均值，單位為cd/m2。

亮度均勻性=1-LNU

合格判據：加固型顯示器的亮度均勻性應不低于技術協議或設計文檔的規定。

3 測試流程

3.1 顯示效果測試

軟件可為不同型號的顯示屏提供白場、黑場、紅場、綠場、藍場進行純色圖像測試。并輸出彩虹圖像、256級灰度圖像。

由人工檢查圖像顯示是否正常。正常時在彈出的檢測結果中點擊通過，否則不通過。

顯示屏的色域參數與色溫參數值由后臺設定正常區間，程序檢測測量值在正常區間時判定測試通過，否則不通過。

圖5 色溫測試圖

上位機程序控制視頻信號源自動輸出白場和黑場圖像，光學分析儀分別采集其白場和黑場亮度數值，由此計算出顯示器的對比度值，并與后臺設置的對比度值進行對比，如在正常范圍內，判定測試通過，否則不通過。

3.2 通信協議測試

產品更新換代時通訊協議通常會有所變化，為了兼容不同版本的協議測試，本系統設計了柔性化通訊協議測試框架，通過文本化方式編寫測試用例，再導入到測試程序中來進行自動化執行，并提供了手動測試項目來進行單步調試，輔助檢測人員或研發人員可通過該方式來快速定位問題，方便故障分析。

圖6 通信協議測試

3.3 電源供電測試

上位機通過總線來對程控電源進行控制，拉偏程控電源的輸出范圍，并電源拉偏過程中，對其基本功能進行自動化測試，驗證電源工作性能。

系統還可對程控電源的功率值進行讀取，判定被測顯示器的電源功耗是否正常。電源功耗與后臺設置的正常值范圍進行比較，如在正常值范圍內判定通過，否則不通過。

3.4 測試報告生成

測試系統在調用LabVIEW Report Generation的函數API向word/Excel報告模板中插入測試信息、測試結果等信息，并且支持生成PDF文件或者連接打印機打印測試報告。

本測試系統還可以依據客戶的定制化模板來生成測試報告。系統程序支持測試人、測試時間、被測設備型號及名稱、產品序列號碼、產品硬件軟件版本號等信息的錄入和讀取，并具有報告的保存、導出和打印功能。

4 結論

本文開發的機載顯示器自動化測試系統，主要特點如下：基于FPGA的視頻信號源，具備可定制化輸出圖像信號的功能，并可輸出非標顯示頻率，可作為未來異形顯示圖像的驅動源；通過對光學分析儀的一系列自動化處理，有效加快了顯示屏顏色分析測量效率，為專業修理工廠的液晶屏幕性能測量能力提供了良好的支撐；通過對顯示模塊的通訊功能模塊需求進行分析后，開發出了全自動的控制驗證邏輯，對顯示屏控制功能進行了全方位測試。

通過對顯示與控制產品線的測試與自動化實踐，該自動化測試系統將需要人工測試一天以上的工作量，壓縮到10分鐘以內。系統良好的軟件框架可作為航空顯示與控制終端的通用測試平臺，具有重要的實用價值。