基于ATML的機載電子系統原位測試系統設計與實現

姜 晨，宋 帆

(航空工業直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

現代直升機機載電子設備種類眾多，集成化程度高，信號交聯復雜，在作戰性能不斷提升的同時也伴隨著故障檢測隔離困難、維修耗時等諸多問題[1-3]。尤其在外場復雜的環境下，缺少便捷有效的故障檢測工具、維護效率低下等維修保障問題更為突出[4-5]。雖然現代先進直升機航電設備的BIT(Builtin Test)檢測率指標高達90%，同時又配有健康與使用監控系統( HUMS，health and usage monitoring system)進行狀態監控，大大減少了直升機的排故與修理時間[6-7]。但是，重要機載電子設備如任務系統、導航系統、配電系統等仍存在許多BIT無法檢測和BIT檢測但無法隔離的故障[8-10]。

在兩級維修體系下，由于部隊在外場缺少有效的外部檢測途徑，采用傳統排故方式如串件維修雖然能隔離出部分外場故障，但此方式排故耗時，尤其是對一些可達性差或采用安裝架固定的機載設備進行排故。此外，串件維修率的上升且會顯著增加勞動負荷，降低外場可更換單元(LRU，line replaceable unit)壽命，嚴重影響任務完好性[11]。若對每個機載電子系統都配備專檢工具，會造成直升機保障系統費用高昂且規模龐大，不利用在外場的使用，這些弊端將導致無法響應現代戰爭對航空武器裝備后勤保障效率提出的高要求[12]。因此，研制一種針對直升機機載電子系統外場故障檢測與隔離的通用測試系統顯得尤為重要[13]。該通用測試系統具有小型化、通用化的特點，實現對多個機載電子系統外場故障的快速檢測與定位。此外，該原位測試系統還具備測試程序集(TPS，test program set)可跨平臺移植、平臺儀器資源可互換等特征，在外場測試過程中能應對各種突發狀況，這對提高機載電子系統外場故障檢測隔離能力有著重要意義[14-15]。

相較于GPIB和VXI總線技術，采用PXI總線技術進行測試設備研制，成本更低，且設備硬件資源占用的空間更少，且具有小型化和易維護等優勢，符合直升機外場保障設備要求。本文將基于PXI總線技術構建原位測試系統的硬件平臺，設計了平臺的基本架構和儀器通訊方式[16-17]。

在TPS開發方面，采用基于ATML(automated test markup language，即IEEE 1671)標準進行程序開發，可實現測試程序(TP，test program)和系統儀器資源的可互換，能夠大大地縮短TP的開發周期，降低研發成本，能夠快速響應復雜多變的測試需求。ATML標準是電氣與電子工程師協會(IEEE)于2002 年提出了一種新的面向信號的自動測試標記語言標準，規定了一種信息交換格式，其中包含了測試配置、測試描述、適配器、測試站、儀器描述、被測對象(UUT，unit under test)描述和測試結果描述等自動測試系統(ATS，automatic test system)所需信息。

目前國內自研符合ATML標準的測試軟件有GPTS、SGTS、SCATS等，其中廣州航新研發的SGTS軟件采用了STD(signal and test definition)標準信號庫構建、基于模型的TP運行引擎技術、故障診斷技術等多種先進測試技術[18]，且軟件內置的信號模型豐富，能滿足現代直升機機載電子系統復雜的測試需求。因該原位測試系統將SGTS作為系統的軟件開發環境，進行TPS設計與開發。系統將測試信號作為聯系測試需求和儀器測試能力的紐帶和橋梁，實現了TPS的可移植和硬件儀器資源的可互換[19-20]。

1 原位測試系統總體設計

1.1 系統組成及工作原理

原位測試系統主要由3個主要部分構成：硬件平臺、軟件平臺和TPS，測試系統的總體架構和工作原理如圖1所示。

圖1 原位測試系統總體架構及工作原理

測試系統基于PXI總線技術，以主控計算機為核心，實現信號的采集和分析。系統中的各類資源都被引出至面板測試接口中，并通過測試電纜與被測機載電子系統相連。軟件平臺主要由自動測試軟件和故障診斷模型組成，測試軟件是標準的開發、調試集成平臺，具備測試儀器、測試平臺和TP開發功能。故障診斷模型基于IEEE 1232標準，主要描述TP和故障模式之間的關系。

如圖2所示，原位測試系統通過測試電纜與機載電子系統連接，手持終端(PMA，portable maintenance aids instrument pack)為人機交互終端，通過LAN總線與測試系統連接。測試時使用人員操作PMA，選擇并運行相應的TP。TP將調用測試系統中相應測試資源完成對機上電子系統信號的檢測，并與預先設定的期望值進行對比。測試結束后，測試系統將故障定位至機上電子設備。

圖2 原位測試示意圖

1.2 原位測試轉接電纜設計

TPS由原位測試電纜和TP組成。測試線纜主要用于測試系統與UUT之間的電氣連接，須依據UUT測試信號的實際測試需求進行分類設計，分為直連和三通兩種設計連接方式。

在外場原位檢測過程中，為了保證測試時機載電子系統不斷電、不拆件，且不影響UUT與其交聯系統間的正常通信。如圖3所示，將UUT與機上交聯的信號分為監測信號和非檢測信號，非監測信號保持原有直連方式。需要監測的信號需測試電纜須采取三通方式進行轉接，具體實現方式為將該路信號引入原位測試系統的矩陣開關中，其中機上交聯系統信號線分別連接機上端信號接口和原位測試系統矩陣開關的MU_接口，UUT端信號線連接設備端信號接口和原位測試系統矩陣開關的SS_接口。通過開關系統的切換，原位測試系統可實時監測UUT和機上交聯系統之間的信號，且不影響機上電子系統間的正常通信。

圖3 三通電纜轉接原理圖

為了滿足測試電纜的防差錯設計要求，在電纜三端(機上端、UUT端、測試系統端)都設計有相應標識。同時，每根電纜內部都設計有唯一阻值的識別電阻，保證了原位測試電纜的使用無誤。電纜內部導線依據測試信號的抗干擾能力需求不同選用單芯線、單芯屏蔽線、雙絞屏蔽線或同軸線。

1.3 測試系統硬件設計

硬件平臺主要由主機箱、電源模塊、測試接口和溫控模塊4個部分組成。如圖4所示，主機箱中包含主控計算機、PXI模塊化測試儀器(測試類儀器、激勵源儀器、開關模塊等)、內部總線等。其中PXI模塊化儀器包含數字萬用表、示波器等測試類儀器，信號發生器等激勵源類儀器、總線通訊儀器和開關。

圖4 測試系統硬件結構及組成

硬件平臺基于PXI、RS485總線，以主控計算機為核心控制，將測試資源輸入輸出通道集中連接至系統面板上的測試接口。負責人機交互的電源接口、VGA接口、網絡接口、USB接口、接地接口等連接至系統面板上專屬接口，測試接口將預留空間以供后續擴展使用。主機箱中1553B儀器配有專用測試接口，其余模塊化儀器的輸入輸出直接與硬件平臺通用測試接口相連。此外，PMA通過LAN和VGA接口與測控計算機相連，實現對原位測試系統的資源控制與畫面顯示。

外部輸入給平臺的220 V交流電源首先通過電源適配器轉為28 V直流電源，再通過ATX電源轉換為±12 V、+5 V、+3.3 V，通過連接器引致主機箱背板和溫控模塊，作為機箱內部控制器、各類儀器工作電源。

溫控模塊主要由溫控板、傳感器、加熱器和通風組件組成。溫控模塊實時采集機箱內溫度，通過特定算法控制加熱組件加熱與通風組件散熱，實現對機箱內溫度的實時調節，為機箱內儀器模塊營造出適宜的工作環境，使得原位測試系統在外場嚴寒惡劣的環境下仍可以正常持續工作。

2 測試系統軟件結構

2.1 測試軟件平臺概述

SGTS軟件以測試診斷為核心，支持IEEE1641、IEEE 1671等標準，是一套通用、標準、完整的自動測試系統控制軟件平臺。

SGTS軟件為測試系統內各儀器構建了符合IEEE 1641標準的信號接口，通過建立虛擬測試資源，利用面向信號驅動實現對測試系統內各儀器資源的具體調用。在測試運行過程中，SGTS軟件通過自帶的測試運行期引擎自動分析系統內儀器的信號能力和TP中的測試信號需求，并進行資源自動分配。以采用ATML標準的XML測試數據為基礎，自動完成測試代碼的執行和物理儀器資源的調用，進而實現整個測試任務。SGTS軟件以測試信號需求與物理資源匹配為核心，對整個測試系統內的儀器資源進行分配、調用、控制。

SGTS軟件平臺為編寫、調試各TP模塊提供了工程集成環境，用戶在工作區中編輯測試配置TC文件，測試描述中記錄了信號需求、測試流程走向、測試數據判斷和被測對象的相關信息，與儀器資源無關。

如圖5所示，TC文件中節點TestedUUTs包含被測系統UUT描述文件，描述了被測設備的ID、生產廠商、針腳等信息；節點TestEquipment包括測試電纜WL文件，記錄了電纜的連線關系；節點TestProgramElements包含了測試描述TD文件，描述了測試流程中所有的測試方法、測試動作、期望值等，是TC文件的核心部分；節點AdditionalResources包含了原位測試電纜的識別電阻信息。SGTS軟件根據用戶建立的ATML標準測試描述文檔，解析生成面向信號的測試代碼，實現了TP的跨平臺移植，提高了TP的擴展性和維護性。

圖5 基于ATML標準的測試描述

2.2 軟件平臺架構

SGTS軟件將測試信號作為聯系系統測試需求和儀器測試能力的中間媒介，將兩者關聯起來。測試需求不具體指向具體物理儀器，只要儀器的測試能力滿足測試需求即可，進而實現了TP的可移植和測試儀器的可互換。SGTS軟件平臺從功能上分為開發管理平臺和執行管理平臺。開發管理平臺負責TPS開發、測試環境描述和TPS調試，執行管理平臺主要負責提供TPS管理、測試程序運行、測試數據管理、綜合數據查詢等功能。在SGTS軟件中，依據IEEE-1641和IEEE-1671標準進行TPS開發。TPS只與UUT有關，不用對測試系統中的儀器能力、通道等信息進行描述，保證了TPS的可移植性。

SGTS軟件采用層次化體系架構，如圖6所示，從頂向下分為用戶交互層、數據交互層、運行期解析執行層和儀器驅動層。最頂層為用戶交互層，包括開發管理平臺和執行管理平臺，為用戶提供了交互式的開發工具，可編輯相關測試信息，同時還具備系統控制、數據分析、故障診斷等功能；第二層為數據交互層，以XML格式文件為信息載體完成測試信息的交互；第三層為運行期解析執行層，該層主要對數據交互層傳遞的XML數據文件進行解析，解析內容包含測試項目、測試動作，測試信號、資源匹配路徑等；最底層為儀器驅動層，運行期解析執行層中的驅動調用模塊通過面向信號儀器驅動調用儀器底層驅動(IVI驅動、VISA驅動、SCPI驅動等)，進而實現整個測試過程資源控制。

圖6 SGTS軟件架構框圖

3 測試需求分析

3.1 故障模式分析

作為直升機機上重要的電氣綜合管理系統，配電系統通過總線接收并解析來自飛控系統的指令，進行全機負載的供電通斷控制。同時，配電系統還負責采集電源系統和各負載實時信息，對各負載需求功率與電源系統供給功率進行合理調度與分配。

本文以配電系統為例，闡述機載電子系統原位TP測試需求分析、方案設計與TPS開發的步驟流程。如圖7所示，配電系統與機上交聯信號包括RS422總線、1553B總線、離散量、28 V電壓輸入和負載輸出。機上BIT測試能對離散量采集功能進行檢測隔離，此外，在進行配電系統測試前，需先判斷機上對其供電是否正常。因此，配電系統原位測試需求為28 V電壓輸入測試、RS422總線測試、1553B總線測試、離散量輸出測試和負載輸出測試。

圖7 配電系統測試信號交聯圖

3.2 原位測試方案

結合配電系統測試需求分析與對外信號交聯圖，明確各測試模塊內容及連接形式。

1) 28 V電壓輸入測試：將原位測試系統中的萬用表與系統內部矩陣開關連接，檢測機上輸入給配電系統的28 V工作電壓。測試時需保持配電系統不斷電，故采用三通轉接形式，將28 V電壓接入到原位測試系統的矩陣開關中。

2) RS422總線測試：配電系統通過RS422總線分別和機上飛控系統、發電機控制器交聯。在測試時需保持機上系統和配電系統間的正常通信。故將RS422總線信號通過三通形式全部引入測試系統中RS422總線儀器的接收端，由測試系統對配電系統與機上系統間RS422總線信號進行實時監控。

3) 1553B總線測試：配電系統通過1553B總線和HUMS系統交聯，考慮到1553B總線的特殊性(不適合做三通形式)，測試時需和機上斷開。1553B總線測試電纜一端與原位測試系統中1553B專用測試接口連接，另一端與配電系統1553B信號接口連接。同時，1553B總線直接耦合傳輸距離只有30 cm，不滿足原位測試需要，故測試電纜中需接入耦合器。

4) 離散量輸出測試：配電系統對機上系統輸出的離散量信號為地/開信號。由于測試系統中沒有配置離散量I/O儀器板卡，測試時和機上交聯系統斷開后引入機上28 V電壓，電纜中間串一個10 kΩ的上拉電阻并將該路信號引入測試系統矩陣開關，將地/開離散量轉為電壓模擬量，通過萬用表測量。

5) 負載輸出測試：由于在外場環境條件有限，只對配電系統負載輸出通道是否有無輸出進行測試，不對其輸出性能進行測試。故測試時將配電系統與機上負載斷開，接入平臺矩陣開關系統，只通過萬用表測量配電系統輸出的電壓是否滿足要求。

配電系統測試交聯信號如圖7所示。

4 TP設計

為了提高在外場對機載配電系統測試和故障定位效率，并考慮實際測試需求，將原位TP分為自動測試和手動測試兩部分。自動測試模塊執行后，無需進行其它操作，測試結束后將自動顯示測試結果并定位故障。手動測試為輔助測試，并設計有用戶操作界面，通過圖像方式更直觀的顯示測試結果。

4.1 自動TP開發

TP描述配電系統的所有測試項目及測試流程信息，面向信號的TP中只包含與UUT有關的測試信息，不包含測試系統信息。TP開發人員只需關注UUT的基本信息、針腳定義、測試項目與測試電纜，無需關注具體測試資源設置及調用。TP通過XML文件為數據載體，實現了在不同測試系統間的跨硬件平臺移植。開發流程如圖8所示。

圖8 TPS開發流程圖

1) 系統文件配置：在TP開發前需在SGTS平臺配置面向信號的儀器驅動和平臺TS文件，配置完成后可查看平臺的外部接口針腳定義和各儀器資源的測試能力描述。

2) UUT描述文件(UUT.xml)編寫：在UUT描述文件中對配電系統的系統組成、功能、研制廠家、針腳、端口號等信息進行編寫，“端口”是ATML中的一個虛擬概念，通過端口的連接來描述信號的路徑，一個端口可以對應一個或多個實際針腳；建立起針腳與端口號之間的對應關系。

3) 測試電纜文件(WL.xml)編寫：WL文件用于描述測試系統內部及測試系統與UUT端口號間的連接關系。機上系統(飛控系統、匯流條、HUMS系統、發電機控制器)只作為激勵源，在測試過程中無需進行程序控制。因此，機上端連線只需按照接線表在電纜中進行加工，無需在程序中設計。

4) 測試描述文件(TD.xml)編寫：TD開發分為測試集、模塊，測試動作3個層次，測試動作是TD開發的最小單位，是系統進行信號操作、流程控制等測試任務的最小執行元素。依據原位測試需求分析，配電系統TP包含28 V電壓輸入測試、RS422總線測試、1553B總線測試、離散量輸出測試和負載輸出測試，開發過程中涉及到的測試動作見表1。

表1 測試動作類型

4.2 手動TP開發

4.2.1 工程組成

手動TP工程在創建自動測試TPS項目時自動生成，測試項目均在Tps.prj工程內實現。手動測試TP測試項目源程序通過CVI軟件編譯完成后生成TPS.dll動態鏈接庫，SGTS軟件通過調用TPS.dll動態鏈接庫實現手動測試。Tps.prj工程框架見表2。

表2 手動TP工程組成

4.2.2 界面設計

用戶界面設計從測試項目出發，自頂向下設計。依據配電系統的故障模式，將手動測試分為總線故障測試和模擬量故障測試兩大類，總線故障測試包含RS422和1553B總線通信測試，模擬量故障測試包含28 V電壓測試、離散量輸出測試和負載輸出測試，每一類的測試方法和步驟相同，集成在一個界面內實現。當啟動監測后，測試系統接收到的總線信息和采集的模擬量值將顯示在用戶界面，間隔5秒實時更新。

在模擬量故障監控界面，若采集值在設定期望值范圍之內時，該數據值顯示為綠色，表明UUT該通道信號輸出正常，反之數據值顯示為紅色，表明UUT該通道故障。手動TP用戶界面如圖9和圖10。

圖9 手動TP用戶界面(總線故障檢測)

圖10 手動TP用戶界面(模擬量故障檢測)

5 結果與分析

參考上述配電系統原位測試需求分析、方案設計與TP開發的流程，進行某型直升機原位測試系統設計。該型原位測試系統具備機載配電系統、HUMS系統、機電管理系統、導航系統、任務系統、夜視系統的外場故障檢測隔離功能。如表3所示，經試飛院使用驗證，綜合運用該原位測試系統后，這些機載電子系統的故障檢測率(FDR，Fault Detect Rate)提升至93%以上，故障隔離率( FIR，Fault Isolation Rate)提升至97%以上，故障檢測與隔離效果基本能替代龐大的專檢設備集群，但在研制周期、成本、測試效率等指標上遠遠優于專檢設備。

表3 測試性指標對照表

此外，該型原位測試系統體積小，移動便捷且通用化程度高。當測試系統的硬件儀器資源出現故障后，通過運行自檢程序即可快速將故障定位置至單個儀器資源，并更換上同類型儀器即可滿足使用要求，十分便于用戶后期進行測試系統的維護。通過在外場使用表明，基于本文所述方法設計的機載電子系統原位測試系統具備易攜帶、操作便捷、效率高等優點，滿足外場使用需要，為直升機外場排故提供了有效便捷的手段。

6 結束語

針對現代直升機機載電子系統外場故障檢測和隔離困難等問題，設計了原位測試系統及其具體實現方法。利用PXI總線技術構建了測試系統的硬件平臺，基于SGTS軟件平臺進行TPS的設計開發。其中，三通轉接電纜的設計實現了測試時機載電子系統不下電、不拆件。面向信號的TPS開發采用XML文件作為測試系統間的數據交互載體，有效解決了TPS跨平臺移植和測試資源互換困難等問題。自動TP和手動TP的結合設計，既保證了測試效率，又實現了測試時對機上電子系統數據的實時監控。該原位測試系統已應用于某型直升機外場故障檢測，對提高機載電子系統外場故障診斷效率發揮著重要作用。