通航音頻控制器測試設備的設計與實現

摘 要：音頻控制器是通航綜合航電系統中一個重要的人機交互部件，負責多方通話控制和語音告警等功能。傳統測試方式多為手動定性測試，測試效率低，測試覆蓋率不足，不能驗證性能指標。鑒于此，基于音頻控制器的特點，分析了測試設備需求，進行了整體架構和硬件、軟件設計，并進行了測試用例設計與實現。實踐表明，此測試設備的設計與實現可滿足音頻控制器基于需求的驗證要求，并可半自動化測試，能有效提高測試效率。

關鍵詞：音頻測試；通航；航電系統；測試

中圖分類號：TP306" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0070-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.017

0" " 引言

音頻控制器是通航綜合航電系統中的一個重要組件，是航電系統中用于機組人員內外部溝通的中間部件，因此在交付前需進行音頻相關特性測試。傳統測試方式存在諸多問題，需研發新型測試設備以滿足測試驗證要求。本文將基于音頻控制器自身特性，進行測試設備的需求分析，進而進行整體架構及軟硬件設計，設計并實現測試用例，提升測試性能及覆蓋率。

1" " 通航音頻控制器概述

音頻控制器由機箱和按鍵面板組成，其上駐留有應用軟件，與飛行顯示器、機組麥克風及耳機、乘客/乘務員耳機、客艙揚聲器、電臺和電源等互聯，具有通話模式切換、語音信號處理、信號采集及輸出、語音告警、數據通信、健康管理等功能。當安裝在機艙托架時，駕駛員可通過飛行顯示器操作對其通信頻道進行設置，根據需要按壓不同按鍵和開關對音頻通路進行切換操作，實現駕駛員艙內通話、電臺語音通話、乘客語音廣播等語音功能；在通過高速總線收到故障數據后，可按優先級順序向飛行員播放對應告警語音，提醒其做出相應處理。其軟件亦具有維護功能，在啟動后可自動進行設備自檢并上報結果，在運行過程中周期自檢[1]。

因音頻控制器主要輸入、輸出為模擬音頻信號，其傳統測試方式為外接麥克風、耳機，通過人工對講及耳聽方式進行手動測試。該產品的傳統測試過程主要由以下步驟組成，大都需要人工進行操作：

步驟1，被測設備上電，進入工作狀態。

步驟2，進行手動測試操作（按鍵切換通話模式、離散量，一人對麥克風說話，一人戴耳機聽取）。

步驟3，結果記錄及分析。

對以上測試過程進行分析，存在如下缺點：1）測試覆蓋率方面：僅有定性測試結果，無法測試產品性能指標，不能驗證產品音頻信號質量[2]。2）測試成本方面：需測試人員全程參與，在進行諸如環境試驗、鑒定試驗等試驗時人員成本較高。3）測試效率方面：人工進行完整測試時間較長，短時間測試（如振動測試）時不能對所有通路進行測試。

為解決以上問題，結合產品設計及測試技術的發展和應用，對測試過程進行分析，其可優化部分如下：

步驟1測試設備準備和步驟2按鍵切換通話模式需要人工操作，其他步驟可通過以下手段實現自動化：1）使用程控測試設備模擬音頻及離散量輸入、采集輸出。2）電源設備的遠程控制。3）測試操作的自動運行、分析及記錄。

2" " 測試設備需求分析

為解決音頻控制器傳統測試中存在的種種問題，需要根據其功能、接口等特性進行測試設備需求分析，并進行相應功能及架構設計，以優化對音頻控制器的測試驗證過程。

2.1" " 測試設備使用場景分析

測試設備應能支持音頻控制器在包括調試、環境試驗、驗證驗收等多種場景下的測試驗證使用，為此需結合使用場景和音頻控制器技術特性進行測試設備需求分析。

2.2" " 測試設備功能需求分析

測試設備應具有以下功能：1）音頻信號輸入模擬功能及輸出采集功能；2）音頻信號性能分析功能（如失真度、信噪比、響度等）[3]；3）高速總線通信功能；4）離散量模擬功能；5）配電功能；6）測試控制及管理功能。

2.3" " 測試設備接口需求分析

經分析，測試設備需要具備以下接口：1）程控接口：測試設備需要通過程控接口進行配電操作，控制激勵板卡等測試資源，獲取各環境試驗設備狀態信息；2）多路音頻信號輸出采集接口：用于采集音頻控制器對駕駛員耳機、機場塔臺、客艙等的音頻輸出信號；3）多路音頻信號模擬接口：用于模擬駕駛員麥克風、機場塔臺對音頻控制器的音頻輸入信號；4）多路高速總線接口：此例中為RS422；5）多路離散量信號采集接口；6）供電接口；7）以太網接口：測試設備需要通過以太網接口接入試驗室控制網絡，接收測試控制指令，上傳測試結果及數據。

3" " 測試設備架構設計

基于上述需求分析，本文設計了可與試驗室控制系統聯合使用的通航音頻控制器測試設備。該平臺由主控機、程控電源、激勵板卡、音頻分析儀、接口適配器、測試線纜等設備組成，可滿足對音頻控制器的測試需要。

3.1" " 平臺整體結構

結合音頻控制器的產品需求、設計文檔等技術資料，并參考借鑒相關類似產品的測試設計方法，綜合考慮被測設備的實際使用場景，設計研發并實現了音頻控制器測試設備。該平臺能夠實現對被測設備——音頻控制器的總線通信、接口自動測試和不同語音模式下的半自動測試。測試設備整體設計如圖1所示。測試設備整體設計主要分為硬件設計和軟件設計兩部分。硬件部分設計以主控計算機為中心，通過數據總線方式與測試資源相連，執行控制操作。測試相關資源主要包括：測試儀器（如數字示波器、電壓儀等）、音頻分析儀[4]、多功能串口卡等。測試設備接口適配器通過測試線纜與被測設備相連，從而實現對其的性能、功能測試[1]。此平臺上搭載測試軟件，實現測試控制、日志記錄、調試支持等功能。

3.2" " 硬件設計

測試設備硬件設計思路是將測試資源盡量集成化，以減少測試連接，簡化測試操作，提高測試效率。最終設計方案是采用以主控計算機為人機交互平臺的主體，采用PXI機箱，音頻分析儀、多功能串口卡、離散量板卡、程控電源等測試資源均與主控計算機集成，最終通過接口適配器與被測件相連。

硬件架構圖如圖2所示。

主控計算機對內實現對測試資源（如程控電源、音頻分析儀等）的控制，提供音頻控制器所需的總線信號、離散量信號，實現對音頻控制器輸出的離散量信號的采集。對外則通過接口適配器與被測設備相連，并設計信號斷連面板，引出離散量、音頻模擬信號等信號接口，供調試時接入萬用表、示波器等測試儀器和驗收計量時接入計量儀器使用。

3.3" " 軟件設計

設計過程主要包括軟件界面設計、測試控制邏輯設計、測試數據記錄設計、測試設備自檢功能等步驟。測試設備軟件使用PyQt進行界面設計和功能實現。軟件界面主要包括初始化界面、自檢界面、測試執行界面和結果查看界面等。軟件功能采用模塊化的設計方法，使整個軟件結構清晰，便于后續維護和升級。功能模塊主要包括啟動模塊、自檢模塊、測試控制模塊、測試數據記錄模塊等。

軟件架構如圖3所示。

各功能模塊詳細描述如下：1）啟動模塊：對軟件進行初始化檢測，檢測內容包括數據庫、配置文件、用戶權限等。2）自檢模塊：對測試設備的測試資源進行自檢，確認其可用狀態。3）測試控制模塊：可分別讀取兩被測件的測試配置文件，加載對應自動測試流程，依序輸出控制信息，按配置循環調用測試程序，并監控其運行過程中可能發出的告警信息，獲取測試結果并顯示。4）測試數據記錄模塊：與測試控制模塊交互，持續獲取測試相關數據并記錄在日志中，在測試結束后生成指定格式測試報告（如Word），可支持產品排故等。

3.4" " 測試設計及實現

為實現對音頻控制器的功能性能需求測試覆蓋，開發了一套測試用例及程序，其中典型測試設計及實現方式如下。

3.4.1" " 音頻通信功能測試

3.4.1.1" " 測試設計

此用例主要測試的是音頻控制器的音頻信號輸出功能，因此在全部模式下測試，即向主駕麥克風輸入音頻信號后，此信號會通過所有音頻輸出接口（主副駕、客艙、揚聲器等）輸出。通過采集各路音頻輸出與輸入信號對比，計算各通路音頻信號質量（失真度、信噪比等）是否滿足要求。

3.4.1.2" " 測試實現

在實現對音頻信號質量的定性測試時，測試程序調用音頻分析儀發送接口，在被測設備音頻響應范圍內生成多個不同頻率的正弦波信號輸出給UUT指定輸入接口（如主、副駕），并調用音頻分析儀采集接口采集UUT所有音頻輸出接口的輸出。進行結果判定時，測試程序需要將每個通路的輸出音頻信號與輸入進行比較，計算其一致性指標及信號質量指標是否符合要求（如信號失真度、信噪比等性能參數）。在失真度和信噪比測試中，測試開始前需通過程控接口固定音頻分析儀的通道放大倍數。在此失真度測試中，主要測試的是諧波失真率THD。在信噪比測試中，考慮音頻控制器主要用于語音通話，故在信噪比計算方式中采用“A計權”方式[5]。

3.4.2" " 信號通路切換測試

3.4.2.1" " 測試設計

此功能用于測試音頻控制器的音頻輸出通路切換功能，即在不同模式下，設備會將同一接口的輸入音頻信號輸出到不同輸出接口，例如在“全部模式”下，客艙耳機可收到主駕麥克風音頻信號，而在“主駕模式”下則不能。在傳統測試中，此項測試是通過一測試人員對不同麥克風說話，另一測試人員佩戴不同輸出耳機傾聽是否有聲音的方式測試的，但使用此種測試方法覆蓋四種模式下三種輸入源、四種輸出接口所有通路切換方式非常費時費力，導致實際測試時一般只選取部分通路進行測試。

3.4.2.2" " 測試實現

采用半自動測試方式，除少量手動操作（即模式切換）以外，其余音頻生成、采集、結果判定等部分均由程序自動完成。測試程序首先采集各音頻接口空閑狀態下的環境噪聲，隨后向被測設備輸入模擬音頻信號，并再次采集各音頻接口輸出。判定時，首先判定各應有輸出的接口是否按模式配置輸出（與噪聲水平進行對比，判定輸出信號響度是否正常）、信噪比是否滿足要求，其次判定各理應無輸出的接口輸出是否正確、是否受到串音干擾[6]。

3.5" " 實現結果

利用通航音頻控制器測試設備針對兩部音頻控制器全部功能性能進行了半自動測試，實現了需求百分百覆蓋，并顯著提高了測試效率[7]，降低了測試操作數量及難度，實現了對音頻控制器的快速、全面、便捷測試。

4" " 結束語

音頻控制器是通航航電系統中的重要交互組件，是駕駛艙內外進行溝通的橋梁，基于對此類部件的檢測需求，本文分析、設計、研發了通航音頻控制器測試設備，實現了測試平臺的整體架構及軟硬件設計，并集成封裝了各類測試資源的驅動接口，實現了測試程序對測試資源的自動調用、測試，并在測試界面顯示結果。經實踐，該設備可在少量人工操作下實現對被測設備功能和性能的半自動測試，并將故障信息顯示到測試界面，顯著提高了測試效率。

[參考文獻]

[1] 王海斌，丁發軍，錢偉.通航數據處理計算機測試平臺的設計與實現[J].電子器件，2016，39（6）：1435-1439.

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[3] 周茂林.一種音頻測試模塊的設計[J].自動化應用，2017（5）：56-57.

[4] 盧毅，徐勝，林志賢，等.基于虛擬儀器的顯示器音頻自動測試系統設計[J].電子技術應用，2022，48（8）：81-85.

[5] 麥皓然.音頻產品測試要求的淺析[J].科學與財富，2017（18）：49.

[6] 楊啟帆，李碧涵，朱恩亮.民用飛機音頻數據采集模塊的設計與測試[J].信息通信，2019（2）：111-113.

[7] 吳立金，簡陽，張凱，等.基于Python語言的GUI自動化測試腳本技術研究[J].計算機測量與控制，2015，23（10）：3330-3332.

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：李碧涵（1993—），女，陜西人，工程師，研究方向：機載電子設備測試、嵌入式計算機測試。