淺論座艙照明控制系統測試設備的設計與實現

劉歡，肖鵬，廖春云

（1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007；2.上海航翼高新技術發展研究院有限公司，上海 200082）

1 前言

隨著國內外航空技術的迅速發展，以及新技術、新材料、新工藝、新方法逐漸應用在當前航空領域，尤其在航空電子方向由于當前機載平臺逐漸增多，航空電子設備向自動化、數字化、信息化、綜合化和智能化的方向快速發展。為了滿足當前機載航電設備出廠測試、過程維修等相關需要，針對產品的測試設備也同樣需要具備自動化程度高、設計靈活、開發周期短并能夠實現在線更新等相關特點。相比傳統的檢測儀器，其結構固定、功能單一，已不能滿足航空電子產品對性能和功能的需求變化。

為了進一步匹配航空電子產品測試需求，提高航空測試設備的兼容性、開發性和通用性，延長設備使用周期，虛擬儀器技術正在被廣泛應用到當前航空測試設備的開發中。與傳統儀器儀表技術相比，虛擬儀器技術使用更加靈活，功能構建較為簡單，且具備通用性，能夠更好地適配當前航空電子產品的快速迭代及發展需要。任代蓉基于虛擬儀器技術設計航空測試設備并進行校準，楊成基于虛擬儀器技術設計了一種航空電子設備檢測系統。本文針對座艙照明控制系統產品，提出了一種基于PXI 總線模式的多功能航空測試設備，來實現座艙照明控制系統產品的調試、交付試驗、驗收、系統聯試、故障排除中的測試要求。

2 系統總體設計

座艙照明控制系統產品主要是通過RS422 雙工通訊方式控制座艙內的導光板、信號燈、泛光燈以及傳感器等相關組件。因此，針對航電產品的測試設備需要具備以下功能：具備設備自檢及自保護功能；能夠實現對被測產品性能和功能檢測；具備對被測產品從單項功能到系統綜合測試能力；能夠將核心關鍵指標進行自動化存儲并支持關鍵數據提取及保存；能夠實現與產品間實時通訊，可以利用上位機發送指令對產品實行控制，下載產品所需要的控制曲線以及相應軟件版本。

座艙照明控制系統產品通過連接器與外部交聯，因此，在測試系統硬件設計中采用“PXI 測試平臺+適配箱+專測線纜”方式。座艙照明控制測試系統框圖如圖1 所示。設計以PXI 工控機平臺為核心的測控箱，包括外圍輸入輸出設備如顯示器、鍵盤鼠標和打印機；設計適配箱為測控箱和用戶產品提供信號調理、轉接和電氣交聯關系；設計負載箱為用戶產品控制盒驅動輸出提供模擬負載；設計基于LabVIEW 軟件平臺，可以反映出產品實時信號的變化，對數據計算、分析和處理，利用顯示器形象直觀地表達測試結果，從而判斷產品本身的各項指標。

圖1 座艙照明控制測試系統框圖

3 系統硬件設計

3.1 硬件總體設計

航電測試設備是基于通用PXI 平臺上所構建的，通過自主研制的適配箱為PXI 測試平臺和用戶產品提供信號調理、轉接和電氣交聯關系。如圖2 所示PXI 測控箱和適配箱系統框圖。由于PXI 測試平臺選定為美國國家儀器（NI）相關設備，所選定數字量輸入輸出板卡、模擬量采集板卡、模擬量輸出板卡本身相關特性限制，需要對輸入輸出信號進行調理，因此，自研發相應硬件調理電路，如編碼器信號輸出電平轉換電路、繼電器調理電路、電壓隔離調理電路、電流測量調理電路、電壓輸出調理電路。

圖2 PXI 測控箱和適配箱系統框圖

3.2 電壓調理電路設計

針對被測產品信號進一步分析，發現被測產品電壓信號是需要采集的重要信號，并且在產品測試過程中，需要通過物理隔離方式對產品進行相關隔離及保護。按照設計需求以及板卡特性，需要將產品0 ～30V 的電壓線性轉換成0 ～5V，提供板卡進行信號采集，并且電壓信號包含導光板電壓信號、泛光燈電壓信號、信號燈電壓信號、傳感器電壓信號，被測產品需要測試設備內部進行隔離，因此沒有現成的產品直接采用，并且因為隔離需求，所以不能簡單采用電阻分壓的方式對電壓信號進行處理。為滿足需求采用自研模塊方式實現。

為了滿足本次產品需求，選用線性光耦進行電路設計。線性光耦輸出信號隨輸入信號變化而成比例變化，精度高，受溫度影響小。本次設計以HCNR201 線性光耦為核心器件設計電壓調理電路,如圖3 線性光耦HCNR201 模擬電壓隔離電路所示。采用此隔離電路進行隔離必定會使得模擬電壓產生一定的誤差，但是因為線性光耦的特性決定了輸出具有很好的線性度，利用此特性通過軟件進行誤差修正補償，向隔離電路提供隔離電壓值，然后讀取采集到的修正值，利用一次函數特性，求出實際值，并在軟件中做好參數補償。

圖3 線性光耦HCNR201 模擬電壓隔離電路

電壓隔離電路由HCNR201 線性光耦中的LED、運放U1 和光敏二極管P1 以及電阻電容組成隔離電路輸入部分，光敏二極管P2 和運放U2 組成隔離電路輸出部分。假設隔離電路輸入電壓為VIN，輸出電壓為VOUT，LED 上電流為I1，二極管P1 上產生的電流為Ip1，二極管P2上產生電流為Ip2。在計算過程中，假設運放U1 為理想運放，電流不會流入運放U1 的輸入端，流過R1 的電流將會流過P1 到地，則：

Ip1 值只取決于運放的輸入電壓VIN和R1 的值，與LED 的光輸入特性沒有直接關系。因此，LED 發光同時光強照射在線性光耦的光敏二極管上，并且P1 和P2 完全相同的，理想情況下Ip2 應該等于Ip1。定義一個系數K，則：

K 約為1±5%。運放U2 和電阻R2 把Ip2 轉變成輸出電壓VOUT，則：

聯立（1）、（2）、（3）公式得到輸出電壓和輸入電壓關系：

因此，輸入電壓VOUT具有線性和穩定性，其增益可以通過調節R1、R2 的值來實現。在此電路中電阻R1 起到限流作用。通過控制R3 阻值實現LED 發光強度變換，從而實現對控制通道增益。電容用于提高電路整體穩定性。運放UI 的作用主要是將對外部采集的電壓信號轉換為電流信號，運放U2 的作用是在內部采集端將電流信號轉換為電壓信號，并且增強負載的驅動能力。針對被測產品中所提及相關測試信號需要實現完全隔離，不僅要求信號本身具備隔離作用，并且要求隔離前后電路工作電源也需要達到完全隔離。因此，電路中前后運算放大器均采用獨立電源供電，便可以實現完全隔離作用。

3.3 電流調理電路設計

電流信號也是被測產品需要采集的重要信號之一。按照設計需求以及板卡特性，需要將產品0 ～800mhA的電流信號線性調理成0 ～5VDC，提供板卡進行信號采集，并且電流信號包含導光板電流信號、泛光燈電流信號、信號燈電流信號，因此沒有現成的產品直接采用，為滿足需求采用自研模塊方式實現。

為了滿足本次產品需求，選用閉環式霍爾電流傳感器進行電路設計。如圖4 閉環霍爾電流傳感器原理示意圖所示，閉環霍爾電流傳感器工作原理是原邊電流Ip產生的磁通量與霍爾電壓經過放大產生的副邊電流Is通過副邊線圈所產生的磁通量相平衡，副邊電流Is精確地反應原邊電流，電流通過匹配電阻RM 從而產生電壓值輸出。滿足本次產品0 ～800mhA 的測試需求，因此選用量程為1A 的霍爾電流傳感器，如圖5 輸入電流與輸出電壓關系圖所示，當電路中沒有電流流過時，霍爾傳感器產生參考電壓2.5V；當輸入電流在-1 ～1A 時，輸出電壓成線性關系（x 表示電流，y 表示電壓）：

圖5 輸入電流與輸出電壓關系圖

當輸入電流大于1A 或是小于-1A 時，輸出電壓為4.5V 不變。

4 軟件設計

測試軟件的系統設計及構架是為被測產品實現性能及功能檢測的重要保證，同時，也是提高測試設備性能和兼容性擴展要求，是整個測試設備研制中的重要環節。座艙照明控制系統測試設備的軟件運行于Windows 系統上，主程序采用圖形化編程語言LabVIEW 進行開發，軟件模式為生成者消費者，底層調用DAQmx 驅動進行數據采集，軟件的整體構架模塊，如圖6 座艙照明控制系統測試設備軟件總體功能結構所示。

圖6 座艙照明控制系統測試設備軟件總體功能結構

測試系統主要由四個功能模塊組成：DAQ 數據采集、人機界面、輔助功能和結果處理輸出模塊。各模塊及其包含子模塊的功能劃分如下：（1）DAQ 數據采集是測試系統的核心部分，實現具體的測試板卡的數據、算法處理和測試流程執行；（2）輔助功能是對整個運行環境、參數及操作員進行管理、監控；（3）結果輸出是將測試結果以直觀的圖表形式輸出給用戶，并進行數據庫管理；（4）人機界面是為操作人員提供良好的交互環境，包括對產品進行系統聯測、產品進行LRU 單測的操作控制和采集顯示界面。

5 結語

本文從實際產品需求出發，通過利用“PXI 測試平臺+適配箱+專測線纜”硬件平臺同時結合虛擬儀器技術軟件方法，研制出滿足當前多功能需求航電綜合測試設備，實現了軟硬件分離和系統兼容性需求。當前，該測試設備已成功應用于座艙照明控制系統產品生產、測試、聯調、排故、出廠、維保等多個環節，并經過一段時間使用證明后，該測試設備軟硬件分離設計合理、自動化數字化程度高、工作穩定可靠、操作方便。與傳統測試儀器相比其兼容性好，易于擴展和升級換代。并且只要定義好相關線纜制作，同樣可以滿足其他類似產品的檢測，避免了測試設備的重復開發和投入。