基于虚拟仪器的航电测试系统研究(通讯)
段容宜a， 王海斌b
（中国民航飞行学院，a．航空工程学院，b．飞机修理厂，四川广汉618307）
摘要：研究了我国航电测试系统的现状及问题，讨论了虚拟仪器在航电测试系统的开发上的优势以及系统结构，在系统设计上采用结构化、模块化设计思想。以CPIB仪器为依托完成硬件方面的设计；在软件方面，利用直接和间接调用方法实现对测试仪器的控制。
关键词：航电测试系统；虚拟仪器；维修平台；系统设计
中图分类号：V443 文章编号：1671 -637X(2016)05 -0080 -04
0 引言
航电系统又称为“综合航空电子系统”，是现代飞机的一个重要组成部分，其性能高低直接影响到飞机的整体性能。综合航电系统功能先进、可靠性高，但系统相对较为复杂，特别是综合化的设计思想，使得航电系统深度维修的很多新技术问题仍待解决。
本文应用了虚拟仪器技术，使测试系统实现对各种测试仪器的自动控制，从而为整个测试系统实现自动测试奠定基础，并应用数据库引擎以及故障诊断技术，实现系统性能测试信息存储以及故障定位、诊断等功能。结合综合航电测试系统的研制过程，详细阐述其系统组成构架、工作原理、软硬件关键技术及其工程应用结果。
1 系统总体结构
航电测试系统总体结构如图1所示。
航电测试系统主要分为硬件平台和软件平台两部分。其中，硬件平台为系统测试提供了物理资源。从综合航电系统工作原理和结构特性出发，根据所有功能子部件的测试需求、测试资源性能和接口类型，确定所需测试资源，并对连接系统功能的适配系统进行优化设计，实现重复的物理资源共享，这样既可以降低硬件成本投入，又可以简化硬件平台搭建工作，有利于测试系统排故，提高测试的准确性和可靠性。
测试系统以高性能的工控机为中心，控制各类测试仪器、设备来完成硬件平台的搭建。软件平台的功能是为测试提供开发、调试及运行环境，该测试系统的软件开发在Windows XP操作系统下，以NI Lab VIEW201 1为集成开发环境。
测试系统完成功能包括：能够对整个航电系统及各功能子部件进行功能、性能检测，对测试结果进行自动判别、故障诊断，并进一步将故障定位到电路板级。
工作原理：系统自检通过后，利用适配系统，完成测试平台硬件资源与被测系统匹配连接。通过测试程序对相关测试仪器进行调用，为被测系统提供激励。系统对输出响应进行评估，完成性能测试和故障诊断。对于测试数据，根据用户需求进行存储、查询和打印。
2 系统结构
2.1硬件平台
硬件平台由控制模块和资源模块组成，其结构如图2所示。
控制模块包括测控计算机及外设，测控计算机采用研华工控机，内置各类控制板卡，完成整个测试系统软硬件资源控制。资源模块包括系统测试所需的物理资源，分为(GPIB总线仪器和适配模块。其中，GPIB总线仪器采用分立式结构，其独立仪器的选用均为目前市场上同类仪器中精度最高的，包括通导综合测试仪、频谱分析仪、程控电源、峰值功率计和数字板卡等；适配模块由主控计算机通过串行总线进行控制，其功能是将资源模块与被测系统进行匹配连接．主要由控制、转换、电源、识别和调理电路组成。被测航电系统的功能子部件多达十几部，各子部件测试在资源需求方面存在着重复性，此类测试资源包括测试仪器、测试线路和供电模块。在适配模块中设计转换和电源电路，实现了同一资源被分配到多个节点，在很大程度上节约了测试资源和硬件线路连接。在信号匹配方面，考虑到被测系统个别功能子部件所需激励信号存在特殊性，与通用测试源无法直接供给，因此，在适配模块中设计了调理电路，将通用测试源输出信号进行一定的转换处理，以满足系统测试需求。此外，在适配模块中，还设计有控制和识别电路，分别完成测试仪器、被测子部件的供电控制和状态监测。
2.2软件平台
2.2.1 系统软件框架
在Lab VIEW集成开发环境下，将测试系统进行层次化、模块化设计。系统软件平台包括底层驱动与应用层测试两部分。驱动部分对硬件资源进行管理，为上层程序运行提供支持；应用层测试部分完成操作人员与测试平台的信息交互，由相对独立且具有单一功能的模块组成，这样保证了软件系统的持续增长性与灵活性，其框架如图3所示。
2.2.2软件功能模块
下面对各层及内部模块组成做进一步阐释。
1)底层驱动部分。
①运行环境：利用Lab VIEW集成开发环境提供的界面库，可以较容易地设计出符合工程要求且美观的操作界面；利用Lab VIEW提供的丰富函数库进行各类数据的获取和分析处理。在Lab VIEW集成开发环境基础上，最终实现了对整机航电系统传输的上千个飞行参数处理和模拟显示。
②设备驱动模块：该模块主要实现GPIB总线仪器驱动程序的编写，完成主控机与测试仪器间的数据传输，以实现对仪器的程控。
GPIB总线仪器驱动程序离不开VISA库的支持，VISA是虚拟仪器软件结构(Virtual Instrument SoftwareArchitecture)的缩写，是一个标准I/O接口函数，其运行独立于OS、软件运行环境及总线协议。
利用VISA设计开发GPIB总线仪器驱动程序时，考虑到其通信方式是建立在寄存器基础上的，因此选用的库函数均基于寄存器操作。GPIB总线仪器驱动程序开发流程如图4所示。
首先使GPIB卡进入初始状态，在地址寄存器中写入本机地址；然后在寻址寄存器中设置寻址方式；接着打开中断寄存器，使得中断情况出现时，完成中断请求；最后设置方式寄存器，完成读、写工作方式的配置。
③数据库模块：本系统采用Access数据库技术，为故障诊断专家系统的设计提供知识库支持。此外，通过对数据库操作，将被测系统的相关信息、测试数据以及测试结论进行存储及相关处理。
2)应用层测试部分，该部分包括如下5个功能模块。
①平台自检模块：完成对维修测试平台的所有物理资源（总线仪器、适配系统）的检测，对测试平台的工作状态进行判断。
②模式选择模块：完成各功能子部件的独立测试模式和综合航电系统测试模式的选择，软件测试平台即可完成各功能子部件单独测试，也可在航电系统交联情况下进行综合测试。
③性能测试模块：该模块是系统软件平台的核心部分，系统通过主控机控制信号发生器、数字信号板卡，分别为被测系统提供模拟、数字信号激励，并对系统输出信息进行处理。系统在测试程序中实现了性能参数指标函数曲线描绘，并利用该曲线算法对输出响应数据进行判断，输出判断结果及误差，从而完成性能测试。
综合航电系统的传输信号包括串口数据( RS232/RS422/RS485)、CAN总线、ARINC429和Ethernet等4种数据格式。每种数据格式都包含了几十甚至上百种飞机参数，在性能测试过程中要对每种数据格式所含的飞行参数进行读取、分析和判断。虽然综合航电系统输出数据格式较多，包含参数量较大，但在实现性能测试时，对其处理过程基本一致。
以ARINC429总线协议一种参数测试（空速）为例，对其程序执行过程进行说明，如图5所示。
该参数程序实现包括总线配置和数据处理2个模块，总线配置实现了通道选择、传输速度、数据格式和奇偶校验设置，再调用open函数模块打开相应通道；数据处理模块实现了参数的写入和读取，对读取的数据进行判断，将数据判定算法利用程序语言进行描述，并将判断结果进行存储和显示处理。
④故障诊断模块：采用基于专家系统的故障诊断技术完成该模块功能，其总体结构如图6所示。
专家系统主要包括故障知识学习和故障诊断两部分。其中：故障知识学习包括知识管理、获取、验证和知识库等功能模块；故障诊断则包括推理机、诊断结果、解释模块、诊断流程和人机界面等功能模块。
在设计故障诊断专家系统时，最重要是完成知识库构建和推理机的设计。知识库的设计优劣程度直接决定专家系统性能，根据综合航电系统故障知识的特点，且考虑到最大程度减少知识冗余，将知识库构建为现象库、原因库和规则库3类，分别用于存储被测系统的故障规则、现象和原因的知识表达式和获取方法。
在推理机设计方面，针对故障诊断流程的结构特点，将故障树技术引入诊断流程图中，并将诊断流程转化成故障诊断二叉树，存储转换方法、步骤和规则，实现了基于二叉树的故障推理机。
⑤在线帮助：为用户使用和培训提供便利。
2.2.3 测试平台界面
利用虚拟仪器Lab VIEW提供大量的图形控件，能够设计出满足工程需求的测试界面，且其人机界面较为友好。图7所示为系统主测试界面，能够将性能参数测试情况实时地显示在各类模拟仪表上。
3 实测结果
利用该测试系统对6部综合航电系统进行实际工程测试，将不同被测系统的同一参数进行提取比较，验证测试系统的误差精度。考虑篇幅原因，本文仅列举了部分主要参数，其实测数据如表1所示。
根据实测数据，被测系统的数据误差均在性能指标范围内，测试精度满足测试需求。
4结束语
本文从系统构成的角度，讨论了航电测试系统的基本设计思路，设计研发了综合航电系统维修测试平台。该平台不仅能够对综合航电系统进行功能和性能测试，而且还内嵌故障诊断专家系统，能够将综合航电系统的故障定位到电路板级。
维修人员利用此维修测试平台，结合目前掌握的相关维修资料，可实现部件级修理。该系统改变了当今国内航电测试系统完全依靠进口的局面，解决了国外品牌整机价格昂贵、维修周期长、使用成本高且为硬件定制式、后续扩展性能极差等问题，经过实践证明，该航电测试系统在检验、效率以及可靠性等方面都取得了满意的效果。
