機載顯控設備通用測試臺設計

劉江

（中國西南電子技術研究所，四川成都，610036）

0 引言

機載顯控設備，作為飛行員與飛機間的人機接口重要設備，負責將飛行員對飛機的相關操作轉換為控制數據送至相應設備，并回顯交聯設備狀態參數供飛行員參考。具有液晶屏顯示，鍵盤輸入，音頻輸出等典型人機交互特征。

因海、陸、空等軍兵種各飛機機型不同，機載顯控設備功能具體需求也不同。因此，各型顯控設備均為功能定制化設計，由此導致每承研一型顯控設備，就需要對應配套設計開發一款測試臺，用于檢測顯控設備在生產、試驗過程中功能性能是否滿足要求。現階段每款測試臺均通過專用定制方式進行開發，研制周期長，開發成本高，同時因為個性化定制，導致每個型號測試臺都存在個體差異，不能被其他型號顯控產品重復使用，伴隨設備型號鑒定后，即被廢棄，造成一定的成本流失。每種產品都配備專用測試設備,生產廠家不一樣,這給測試臺的維護、維修、保養等帶來極大不便[1]。

隨著航空領域的飛速發展，航空電子設備越來越復雜，測試維修工作也越來越繁重[2]。在測試系統的開發中如何能夠最大程度地復用已有的軟、硬件資源,或者使開發的測試系統具有某種程度的通用性和開放性,可以降低構建新測試系統所需要的軟、硬件成本已成為一個重要研究方向[3]。

本文通過調研整理機載顯控產品線的測試需求并進行歸一化梳理，采用通用化、模塊化、標準化設計方法，實現了機載顯控設備通用測試臺的設計。覆蓋了現有各類型機載顯控設備的測試需求以及后續新增項目設備的測試需求，有效縮短了測試臺投產周期，提高復用率，降低了項目成本。

1 測試資源需求分析

通過對已有的顯控設備測試臺的測試需求進行了統計，以及對未來項目顯控設備可能涉及的測試接口進行合理預計。將測試需求匯總后按功能歸類得出目前顯控設備常用的接口種類大致包含以下幾種 “加電類”、“通用離散接口測試類”、“通用總線接口測試類”、“模擬音頻接口測試類”共4個功能群，詳細如圖1所示。

圖1 顯控測試臺資源需求統計

其中測試需求描述如下：

(1)“加電類”功能需求：包括產品加電、導光面板照明及亮度調節、指示燈照明及亮度調節、調試接口、產品工作位置指示信號等；

(2)“通用離散接口測試類”功能需求：包括離散輸入、離散輸出等；

(3)“通用總線接口測試類”功能需求：包括串口總線接口測試、以太網通信接口測試、CAN總線接口測試、光纖以太網接口測試、1394總線接口測試、視頻信號接口測試等；

(4)“模擬音頻接口測試類”功能需求：包括模擬音頻信號的輸入、輸出，以及對應離散輸入輸出控制等。

經過統計，雖然每個型號顯控設備測試接口都有一定差異性，但是接口種類基本限于現有的航空總線標準內，沒有較大的離散性，因此測試臺具備通用設計的基礎。

2 通用測試臺方案設計

2.1 設計思路和原則

根據機載顯控設備自身的功能特性，其工作時具有典型的人機交互特征，如人工觀察液晶顯示屏顯示內容，人工聽取模擬音頻聲音內容，人工操作顯控面板按鍵等。如采用全自動化測試設計，為滿足對此類人機交互內容測試覆蓋，需要額外開發一套人工智能測試系統。由此導致的開發成本大、研制周期長以及測試工裝體積巨大等問題。當前軍用領域自動測試裝備的一個明顯的發展趨勢是充分利用多測試手段綜合的技術，以求測試系統診斷測試效能的提高[4]。因此，綜合評估可采用半自動測試與人工檢測相結合的方式開展測試臺設計，同時需滿足以下設計原則：

(1)覆蓋性：能覆蓋圖1中規定的所有信號的測試；

(2)通用性：通過滿足不同顯控設備的測試需求；

(3)易用性：測試臺的體積小巧，重量較輕，要求可做到輕便易攜帶。

2.2 設計方案

按最大化測試資源需求設計一款測試臺是很容易的事情。但由于覆蓋每個工程顯控設備對應的測試接口，必然會造成測試資源的浪費，且由于測試臺采用最大化設計，硬件體積重量龐大，不具備便攜移動性。

通過在硬件構架上采用模塊化的設計，使硬件、軟件上的修改、擴展都更加方便，有利于提高測試系統的資源復用性[5]。通過對顯控設備接口資源的梳理，可考慮設計成3個獨立功能測試組件模塊（見圖2），每個測試模塊物理形態上獨立，可做成標準尺寸產品，模塊間可以進行任意組合，實現測試臺的功能靈活組合復用，不受不同顯控設備功能增減的影響。通過組合功能單元實現測試功能的全覆蓋，適配不同類型顯控產品測試需求。

圖2 通用顯控測試臺組成

通用測試臺設計工作原理如下：

(1)各個測試模塊通過結構件可相互拼接成一個組合型的測試臺；

(2)顯控設備通過測試臺線纜將不同類別的信號分別接入到各個接口測試模塊單元；

(3)直流電源、音頻分析儀、測控計算機也連接至測試臺的各個接口測試單元；

(4)通過加電/通用離散接口測試單元上的加電開關為顯控設備加電，旋鈕調節亮度，調試接口進行模塊調試；

(5)通過加電/通用離散接口測試單元將設備的通用離散信號分類引出到測控計算機測試軟件進行信號激勵和采集；

(6)通過模擬音頻接口測試單元將顯控設備模擬音頻信號、音頻PTT引出到測試臺面，使用音頻分析儀測量音頻指標；

(7)通過通用總線接口測試單元將顯控設備的數字總線型信號分類引出到通用計算機總線測試板卡。

2.3 硬件設計

2.3.1 硬件組成

(1)加電/通用離散接口測試單元；

(2)模擬音頻接口測試單元；

(3)通用總線接口測試單元；

(4)測試臺線纜。

2.3.2 加電/通用離散接口測試單元

由于顯控設備基本都包含加電信號、通用離散信號，且通用離散信號數量不算特別多，不用在臺面預留信號測試點，不占用測試臺表面位置，因此將加電信號、通用離散信號都合并到加電/通用離散接口測試單元中來，可以壓縮測試單元的個數。加電/通用離散接口測試單元用一組電源輸入，分叉接到正常和應急供電，再分別設計一個加電開關單獨控制加電，同時配備工作電壓、電流狀態顯示。

圖3 加電/通用離散接口測試單元示意

2.3.3 模擬音頻接口測試單元

模擬音頻接口測試單元將模擬音頻信號全部引出到測試臺表面使用音頻分析儀測量。音頻離散狀態的輸入，可使用帶狀態鎖定開關，音頻離散狀態的輸出使用信號燈顯示。

圖4 模擬音頻接口測試單元示意

2.3.4 通用總線接口測試單元

顯控設備信號通過線纜接入測試臺后，經測試臺表面連接器引出數字總線，再通過測試線纜連接到測控計算機的測試板卡，使用測試軟件完成總線信號測試。主要包括了ARNIC429總線、RS422總線、CAN總線、以太網等總線接口。

圖5 模擬音頻接口測試單元示意

2.3.5 測試臺線纜

測試臺線纜由顯控設備到測試臺線纜、測試計算機臺到測試臺線纜2種，可由設計人員根據自己的需求進行設計,只要提供的接口與測試臺連接器保持兼容就可以[6]。最后在每種線纜做線纜標識，如圖6所示。

圖6 測試臺線纜標示示意

2.4 測試臺卡槽式拼接設計

測試臺模塊單元的拼接是組合式拼接測試臺設計的關鍵。通過從抽屜滑軌、卡槽結構形式得到啟發，如圖7所示，創新設計了測試臺卡槽式拼接結構，其要點如下：

圖7 抽屜滑軌、卡槽拼接示意

(1)卡槽金屬材料選用6mm厚的鎂鋁合金板材，各模塊單元之間由滑槽連接，再由螺釘緊固；

(2)結構前后面鎖緊后，整體強度可靠性高，連接面承重強度可達20Kg；

(3)卡槽接觸面采用圓弧設計，結構安裝順暢，在單元拼接時不會因為多次磨損而產生殘渣造成松動和卡滯；

(4)整體輕盈，便于安裝和攜帶；

(5)測試臺卡槽式結構及拼接示意如圖8圖9所示。

圖8 測試臺單元拼裝結構示意

圖9 半圓凹槽與半圓凸臺結合部分示意

結構設計特點：

(1)圓弧連接結構安裝順暢，在單元拼接時不會出現卡槽等情況，也不會因為多次磨損而產生的殘渣造成松動和卡槽；

(2)鎖緊結構前后面緊固后，整體強度可靠性高，連接面承重強度可達20Kg；

(3)整機十分輕盈，便于安裝和攜帶。

2.5 測試臺加工材料

通過對測試臺常用加工材料調研，考慮測試臺有攜帶外場排故使用需求，對材料的防摔性及耐用度均有較嚴格要求，因此基本排除了塑料、玻璃鋼等非金屬制品，可選擇材料基本集中在鋁合金、不銹鋼等金屬材料。通過查詢其密度及剛性強度如下[7]：

(1)航空鋁：密度約2.8g.cm-3、硬度約150；

(2)鎂鋁合金：密度約1.8g.cm-3、硬度50-90；

(3)304不銹鋼：密度約7.93g.cm-3、硬度約180。

結合顯控測試臺的使用環境，主要為常溫地面試驗環境，對結構強度的要求不高，更多考慮的是其便攜可移動性，即重量因素。因此，經過綜合考慮，選擇了以密度最小，硬度適中的鎂鋁合金為加工材料。測試臺蓋板選擇厚度為2.5mm厚的板材,測試臺圍框采用厚度為6mm厚的板材。

2.6 測試臺外形尺寸

通過對每個模塊單元組的旋鈕、開關數量，連接器型號尺寸，面板布局，以及內部接線加工可制造性，確定了各單元的具體尺寸（單位：mm）

(1)加電/通用離散接口測試單元：

寬長高：≤86×270×110；

(2)模擬音頻接口測試單元：

寬長高：≤86×270×110；

(3)通用總線接口測試單元：

寬長高：≤106×270×110。

2.7 測試臺人機功效

(1)測試臺表面重要部件和端口在絲印層有清晰明確的標注。

(2)測試臺外觀及布局，充分考慮結合實際操作的人機功效。如常見的電壓表、電流表置于左上角總開關附件，呈現顯目形式。

(3)由于通用測試臺要適用于多種不同設備的測試，臺面的信號絲印會隨被測設備發生變化，因此測試臺表面設計為可更換的。

3 實物檢查

已完成投產交付的“加電通用離散接口測試類”、“通用總線接口測試類”、“模擬音頻接口測試類”單元測試臺已獲得中電天奧校準/檢測實驗室校準驗收測試，目前已在工程項目中正式投入使用。通過項目實際投產使用，充分說明卡槽式拼接測試臺方案合理可行，滿足了科研項目實際使用需求，達到了測試臺復用的設計目標，實物如圖10所示。

圖10 通用測試臺拼接實物示意

(1)經測量實物“加電類”模組測試臺實重2.0Kg，“通用總線接口測試類”模組實重1.8Kg，“模擬音頻接口測試類”模組測試臺實重1.9Kg，滿足輕量化、便攜化可移動使用需求；

(2)按照單元式測試臺的設計投產后，由于接口種類特征清晰，且進行了分類分單元管理，信號布線不容易交叉，抗干擾能力加強，在使用中信號線出現故障的幾率也有降低；

(3)測試臺投產周期由傳統測試臺的5個月縮減到2.4月，采購時間周期節約（5-2.4）/ 5=52%；

(4)單個測試臺模塊的投產成本約4萬元，相比傳統測試臺的6萬元每個，直接節約經濟成本2萬元，采購成本節省33%。

4 結束語

通過創新設計卡槽式拼接通用測試臺既滿足了當前科研項目測試臺的使用需求，又減少了后續新增項目測試工裝的設計周期以及采購成本，實現了測試臺在不同項目間的復用，減少了后續逐一新購測試臺的重復投入，節省了項目支出，提高了項目利潤率。

本研究，為其他機載終端測試臺通用化研制提供了設計參考，具有較好的工程實用價值。