基于PXI总线的机载设备综合测试系统设计与实现.doc

第二十八届（2023）全国直升机年会论文

基于PXI总线的机载设备通用测试平台设计与实现
袁 超
（昌河飞机工业集团有限责任公司，景德镇，333002）
摘 要：通用性设计是目前测试系统发展的方向。本文以机载设备的测试和维护为目的，采用PXI总线硬件结构和LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发平台，设计和实现机载设备通用测试平台。重点介绍了测试平台硬件结构，软件组成、系统特点和实行效果。
关键词:机载设备; 通用测试平台; PXI总线; 虚拟仪器
1 引言
随着机载设备技术水平的提高，在其设计、生产、使用和维护各阶段暴露出的检测问题日渐突出。传统的测试设备通用性和综合化限度低，对操作者的专业水平规定较高，从而导致实验器品种多、产品交付时间长和生产维修成本高等结果，特别对于复杂机载设备，还存在无法准确判断故障部位和难以系统完整地记录所有测试信息等问题。因此测试设备必须由传统的针对单个设备的专用测试设备转变为针对整个系统自动测试而开发的通用测试平台。组建通用测试平台的基本规定和目的是：减少测试成本、减少技术风险、缩短测试系统的开发周期。要达成以上规定，硬件设计必须采用先进、成熟的工业标准，软件设计也应遵循相应的技术规范，尽量采用成熟的应用软件平台，使测试在标准化、通用的测试平台上运营。
根据当前测控技术的发展，机载设备通用测试平台采用了PXI总线技术，综合运用GPIB技术、虚拟仪器技术，具有开放式的系统结构和强大的测试测量功能。
2 系统硬件
测试平台由PXI总线系统、程控电源系统、通用测试接口、产品适配器和辅助实验台等组成，系统原理框图如图1所示。

图1 通用测试平台原理框图
2.1 PXI总线系统
PXI总线系统涉及PXI机箱(PXI-1045)、主控计算机、功率开关模块(PXI-2565)、通用开关模块（PXI-2575）、矩阵开关模块(PXI-2532)、程控电阻模块、数字多用表模块（PXI-4071）、任意波形发生器模块（(PXI-5422)、D/A模板、数字I/O模（PXI-6527）、射频信号产生模块(PXI-5671)、射频信号分析仪(PXI-5661)、射频矩阵开关(PXI-2591)、同步信号器模板、PXI-RS485/RS422（PXI-8431/8），PXI-429通讯模块(AIM ACX429)、PXI-1553B模块(AIM ACX1553)，PXI-GPIB接口模块,系统状态监控模块（(PXI-8250)。
为了便于扩展及升级，通用测试平台采用NI远程控制器PXI8336 （MXI-4）将主控计算机与PXI仪器相连。主控计算机内具有MXI-4的接口控制卡，通过光纤传输总线，实现主控计算机和PXI仪器的PCI-TO-PCI，底层的驱动软件和硬件对用户完全透明。所有的GPIB台式仪器如示波器、电源等都通过PXI机箱内的PXI-GPIB接口模块连接，构成整体的测试系统。
2.2 程控电源系统
为保证电源系统具有较高的覆盖性，智能电源系统由HP公司E3631多路直流电源2台，E3632单路直流电源1台、HP6645单路直流电源1台和交流三相电源HP68341台共五台电源组成。该电源系统所有为程控电源，通过PXI机箱内的PXI-GPIB接口模块与测试系统进行连接，具有在线监控、数据回读和自检测功能，电源通过PXI大功率开关模块进行切换，这种电源系统可适应不同的电源体制，可满足不同机载设备的测试规定。
2.3 产品适配器设计
被测部件与测试系统通过适配器连接，由于测试对象的多样化，带来适配器的不同。为最大限度地提高测试系统的通用性，我们采用不同的适配器完毕不同机载设备的测试，我们将一个机型的若干测试部件的适配负载设计在一个适配器中，适配器的箱体和插槽采用标准结构，不同机型的机载设备仅适配器中的插件板不同。此外适配器还要进行防插错设计，以保证被测部件安全对的连接。适配器通过通用测试接口接入测试系统。
2.4 辅助实验台
辅助实验台完毕对转角、位移、力矩、速度和动静压的测量。配置编码器件为角度传感器，配置光栅作为位移传感器，配置动静压组件完毕动静压类仪表的测量，配置转台组件完毕各类陀螺仪的测量。测量信号经专用测试接口通过I/O模板进入PXI系统。
2.5 通用测试接口
采用VPC公司的90系列阵列18模接口，测试系统的所有仪器资源统一连接到VPC测试接受器上，通过测试夹具装夹相应的测试适配器，再通过测试适配器上的连接电缆与被测试设备进行连接。
检测系统中，测试信号不直接连到测试资源上，而是通过测试通道通过开关系统连接到资源通道上，与仪器资源产生联系。从而避免了仪器资源被某一测试信号独占，提高了资源的运用率。同时对于测试信号来说，保存了其共享多仪器资源的能力。
2.6 信号的产生及测量
机载设备激励信号和状态信号种类繁多，在进行一个项目测试时，需同时加到被测部件上的信号比较复杂。测试系统PXI仪器模块的选择满足了机载设备测试信号的产生及测量规定。系统激励信号有单相同步信号，三相同步信号、变化的直流信号、时序逻辑信号、逻辑信号和各种波形信号。系统选择任意波形发生器模板、D/A模块作为信号源，通过矩阵开关模板进行切换施加。系统可测量信号有单相同步信号、三相同步信号、直流电压信号、电流信号、数字信号以及时间、频率、相位等测量信号。系统采用万用表模板进行电压测量，通过PXI多路开关矩阵进行切换。时间、频率、相位测量用计数/定期间隔模板测量。数字信号采用I/O模板完毕测量和控制。
3 测试平台软件
3.1 软件开发平台
根据任务规定及硬件结构，系统软件分为系统数据库和测控软件两大部分。重要有系统自检、数据管理、仪器管理、外部专用测量组件管理、测试、专家诊断、通信控制、数据显示、打印、在线帮助等功能。测试系统的软件平台为标准WINDOWS XP操作系统，采用标准操作系统为系统的设计、集成及开发提供了方便。采用NI公司的LabWindows/CVI为系统开发平台。编程语言选择C语言。
3.2 软件结构设计
由于机载设备功能规定高，测试对象变化大，测试点多、测试参数复杂。传统的设计方法很难满足通用性、可扩展性、易用性、可移植性的开放式系统的规定。为此，将数据库的知识应用到测试中去，将系统的软件设计分为数据库设计和测试流程设计，建立数据库管理系统和测试流程控制系统。根据构造的数据管理结构设计通用的测控程序，用LabWindows/CVI中的SQLToolkit作为应用程序与数据库之间进行数据互换的工具。
数据库信息涉及测试仪器的配置参数及机载设备测试结果和故障信息的数据库。由数据库管理系统管理这些数据。测试流程就是读取配置库的数据，完毕测试仪器的配置，进行相应的测量、分析与计算，并将测试结果写回到测试结果数据库中。软件结构图如图2所示。

图2 软件结构图

按开放式结构设计的系统，各种功能的就是建立相应的数据库。当被测对象更换时，我们仅需按改变对象的规定更改配置数据库相应的记录，而无需修改测试程序，这样使系统具有良好的柔韧性和开放性，有助于开发和维护。软件的开放式结构使得系统软件具有很好的通用性和可扩展性，满足了“规范”对系统的规定。用户二次开发仅需按测试任务填写数据即可，而不需重新编写测试程序。
3.3 人机界面
采用图形化功能项目菜单及虚拟化的仪器控制面板，采用全鼠标操作，提供即测即帮功能，操作方式可选择，从而使系统简朴易用。各功能模板人机界面结构建立后，以数据库的接口形式向用户开放。
3.4 数据库设计
按照被测产品的测试规定，对一个测试对象而言，需建立以下信息：
1）接口关系表
确立被测对象与PXI系统的连接关系。这些关系描述了被测对象的供电、输入、输出特性以及与测试系统的物理连接。
2）初始化表
测试任务对PXI系统的规定及部件辨认信息。
3）初始菜单表
拟定测试任务的测试数据。
4）测试流程表
一个测试任务按照通道或功能分为若干个测试项目，每个测试项目有也许分为若干个子项目，每个子项目又也许分为若干个测试点，每个测试点尚有人工干预的规定。根据这些关系，拟定数据库的安全原则，构造配置数据库配置表。描述一次测试任务的记录信息，用唯一的标记标记，通过相应关系，找出本次测试所有的测试点和测试配置字段，提供应测试流程。测试结果数据库是在配置数据库表的基础上，由测试标记和测试点唯一拟定的数据表。
3.5 测试流程控制
流程控制是测试系统的控制中枢，当主控计算机接受到测试命令后，一方面进入测试配置界面，读取仪器配置数据库的记录数据，配置这次测试所需的配置项目，并把相应的数据写入到相应的数据库表中，做好测试所有相关数据配置。然后进入相应的测试界面。根据数据管理库提供的测试开始及结束的数据，依次读取各个表中的字段，并根据其中的内容完毕相应的操作，实现对被测产品的电源施加、开关切换、信号输入、信号测量等仪器驱动。由测试信号和测试点唯一拟定的仪器数据表，记录测试数据，并将记录结果写入结果数据库。测试流程如图3所示。

图3 测试流程图
3.6 数据库管理
根据测试系统的软件结构，只要建立测试系统的管理数据库，便能实现系统自检测、计量校验、各种产品测试、数据显示、数据打印等功能。
3.7 软件可靠性措施
仪器的配置、操作、检测程序采用LabWindows/CVI的函数库和分析库实现。按软件设计规范，合理对的使用程序结构。运用函数的状态返回功能监测函数的执行结果。
根据测试对象的特点，应用部件的辨认技术，达成数据与软件的匹配。保证测试流程获取对的的数据库入口。操作软面板采用的容错技术，对所有操作按钮设计有效性鉴定，以防止误操作。
4 系统特点
4.1 标准化、模块化、综合化限度高和通用性强
系统选用了各种标准的PXI总线仪器，开关、采集模块，灵活地配置硬件，组成通用综合自动测试平台。可测量模拟信号、数字信号、无线信号、高频信号等，几乎覆盖所有的机载设备。其配置资源满足现役各种飞机机载设备产品的测试规定。这样，就大大减少了其它测试仪器的数量，减少测量任务的费用以及设备的管理成本。
4.2 自检测覆盖面广
测试设备的可靠性和可信性一直困扰着测试设备的应用和发展。完善的自检测系统使该设备的实用性有了新的提高。系统自检测涉及内部自检和外部自检。内部自检是计算机和PXI模块自检；外部自检是测量接口及适配器的自检。自检故障时启用手动干预功能，使自检具有调试校准功能，极大地提高了系统的自维护功能。
4.3 系记录量检测和自校准
系统有计量检测接口，内容涉及所有的信号发生器件、测量部件、校准模板、适配器负载等部件。根据计量规定拟定检测项目，每个记录有检测项目、理论值、误差值、实测值、修正值、人机界面组成等字段。计量检测项目库建立后，通过测控程序，系统提醒选用符合记录标准的有效仪器连接到计量检测接口，并按提醒注入信号和测量相应的输出，即可完毕计量检测。经计算分析建立修真正值，系统自校准的目的。
4.4 故障诊断及专家诊断系统
测试系统具有较完善的故障诊断系统，对整机故障隔离到LRU,对单个部件进行检测，故障隔离到SRU。在对被测对象仔细分析的基础上，建立专家诊断信息库。每个记录有测试项、误差上下限、实测值、故障位置、建立排故等字段。该库对用户开放可不断完善。
4.5 灵活的人工干预
可以选择单步运营（即每次执行一次测试）或故障停止模式，同时可以打开多个虚拟仪器面板，在信号输入方面进行人工干预，运用标准接口表笔对被测部件内部线路进行测量，从而大大提高准确隔离故障的能力，使系统有很高的实用性。
4.6 适配器高度集成
改变了过去一对一得适配方式，将类似几十个部件集中在一个适配器中。要测试不同飞机的机载设备，只需要更换不同的适配器即可，实现了适配器的高度集成。
4.7 防插错设计和部件自动辨认技术
保证被测试设备安全、可靠、准确的与测试系统 连接。
4.8 采用虚拟仪器技术
本着“软件即是仪器”的思想，该平台提供了大量的仪器面板控制，如示波器、万用表、数据显示框、旋钮、表头、开关等面板。虚拟面板上的所有指示量实时刷新。采用这种技术大大提高了测控系统的方便性和灵活性，可替代专用仪器，节约了测试装备的硬件成本，缩短开发周期，从而也提高了机载设备的经济效益。

5 结束语
传统测试设备体积大，操作复杂，严重依赖操作人员，因此很难高效快速地完毕测试任务，通过设计基于PXI总线的通用测试平台，充足运用了计算机的存储和数据管理以及数据分析和显示的优势，实现了机载设备的检测任务，大大缩短了机载设备测试和维修时间，提高了测试效率，达成了较高的故障覆盖率和诊断准确率。此测试应用系统在实际应用中表现出了良好的效果，具有很好的应用前景。
参 考 文 献
[1] 《通用自动测试平台研究》中国测试技术
[2] 《基于PXI虚拟仪器测试诊断系统》电子测量技术
[3] 《自动测试系统集成技术》电子工业出版社
[4] 《PXI总线体系结构》国外电子测量技术
[5] 《基于PXI总线虚拟测试实验系统》计算机测量与控制
[6] 《基于PXI总线的电台故障诊断测试系统设计》计算机测量与控制