通用飞机综合航电测试系统的设计与实现*

段容宜，，王海斌，杨 江，刘 英

(1.中国民航飞行学院 航空工程学院，四川广汉618307;2.中国民航飞行学院修理厂，四川 广汉618307)

1 引言

随着通用航空产业的发展，通用飞机上正逐渐大量安装综合航电系统。以中国民航飞行学院(以下简称飞行学院)为例，200余架各机型训练机中80%已安装综合航电系统。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，使得航电系统在深度维修方面存在很多困难[1－3]。

飞行学院装载的综合航电系统是多个功能子系统的集合，由11个不同功能的外场可更换单元(Line Replaceable Unit，LRU)组成[4]。该型综合航电系统目前国内没有相关的维修能力，由于国外实施技术封锁，研究其系统的资料和文献极少。国内的维修能力基本局限在更换场外可更换组件的水平，部件级的维修只能返回生产厂家[5－7]。另外，由于厂家对所有资料保密，加上市场容量小，国内尚无维修单位对其进行维修研发。飞行学院是国内拥有该型综合航电系统最大的客户，据统计，航电系统各LRU平均每年送厂家外修约30余件，每件平均维修费用约为12 000元。若对综合航电系统维修测试平台进行开发，并能够投入维修使用，将产生良好的经济效益，更重要的是能够缩短维修周期，加大航材周转率，减小飞机停场时间。

本文应用虚拟仪器技术使测试系统实现了对各类测试仪器的自动控制[8]，并应用数据库引擎以及故障诊断技术实现了测试信息存储以及故障定位、诊断等功能[9－10]。下面结合综合航电测试系统的研制过程，对其系统方案设计、框架组成、软硬件关键技术及其工程应用进一步阐述。

2 总体方案

测试系统分为硬件平台和软件平台两部分。系统硬件平台的功能是为系统测试提供必要的物理资源。在搭建硬件平台时，考虑到综合航电系统的工作原理和结构特性，并结合所有LRU的测试需求及接口类型，确定所需测试资源。系统硬件平台以高性能的工控机为中心，实现对各类测试仪器、设备的控制。系统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 Labview 2011为集成开发环境。系统软硬件组成如图1所示。

图1 测试系统组成Fig.1 The composition of test system

测试系统实现功能:能够对整个航电系统及各个功能子系统LRU进行功能、性能检测，对测试结果进行自动判别、故障诊断，并将故障定位到内场可更换单元(Shop Replaceable Unit，SRU)。

测试系统工作原理:测试系统通过适配系统实现测试平台硬件资源与被测LRU的匹配连接，通过测试程序对相关测试仪器进行调用，为被测LRU提供激励。系统对LRU的输出响应进行评估，完成对被测LRU的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。在测试方式上，既可选择全自动方式，也可采取人工选择某测试项方式，操作方面具有较鲜明的灵活性。

3 系统结构

3.1 硬件平台

硬件平台由系统控制器和测试平台组成，其结构如图2所示。系统控制器包括测控计算机及外设，测控计算机采用研华MIC－31210工控机，内置IEEE1394接口卡和GPIB接口卡，系统控制器完成对测试程序的开发、调试和运行。

图2 系统硬件结构Fig.2 Framework of system hardware

测试平台包括系统测试所需的物理资源，包括GPIB总线仪器和VXI总线仪器，分别采用GPIB总线和VXI总线的控制方式，使系统具有开放式结构，方便对系统资源进行升级。

GPIB总线仪器采用分立式结构，选用目前市场上同类产品准确度最高的仪器，包括通信/导航综合测试仪、频谱分析仪、程控电源、峰值功率计、射频信号源等。电源系统包括28 V DC/24 V DC/12 V DC 3种直流电源，以及115 V AC/400 Hz交流电源。

VXI总线仪器采用卡式机箱结构，总线控制方式上选择传输速度最佳的IEEE1394总线，通过主控计算机内部装载PCI－1394接口卡完成对VXI总线仪器的控制。VXI总线仪器选用HP－E1401AC尺寸13槽机箱，由0槽控制器模块、多路器、32×16矩阵开关、数字I/O板卡、数字式示波器、波形发生器、电源继电器开关等组成。

3.2 软件平台

3.2.1 系统软件框架

在Labview集成开发环境下，根据系统软件结构框架和层次分析，实现了测试系统层次化、模块化设计。软件平台是由底层驱动模块和上层功能模块组成，其框架图如图3所示。

图3 系统软件框架Fig.3 Framework of system software

(1)底层驱动模块

开发环境:利用Labview集成开发环境建立复杂的虚拟界面，能够完成对整机航电系统传输的上千个飞行参数模拟显示。

数据库:本系统采用Access数据库，用来存储待测综合航电系统LRU的件号/序号、测试性能参数、测试结论以及相关诊断信息等方面内容。

设备驱动模块:包括GPIB/VXI仪器驱动程序、控制板卡驱动等。驱动程序处于软件系统底层，可以被功能模块实时调用。

(2)上层功能模块

人机交互模块用来完成操作人员与测试平台进行信息交互，并按交互步骤完成测试全部工作。将功能模块化，分为如下5个子模块:

平台自检模块:完成对维修测试平台的所有硬件资源(适配系统、开关矩阵、仪器设备)的检测，对测试平台的工作状态进行判断;

模式选择模块:实现测试模式的选择，即可实现对各个LRU单独测试，也可实现整个航电系统综合测试;

性能测试模块:系统通过控制信号发生器和数字信号板卡分别提供模拟、数字信号激励，并对系统输出信息进行读取、分析和判断，最终给出测试结果及误差;

故障诊断模块:该模块是在测试数据分析、评估基础上实现的。针对数据异常情况进行处理，将故障进行定位，最终为用户提供维修指导策略;

数据管理模块:对测试结果进行存储、查询、修改和打印等处理。测试步骤、测试数据以及测试结论以报表形式生成。

3.2.2 典型模块程序

为进一步阐述系统软件平台的实现过程，本节分别以设备驱动模块和性能测试模块的程序实现为例进行说明。

(1)设备驱动模块

大部分国外测试仪器的驱动程序包含Labview驱动程序，这些Labview驱动程序以初始子VI、读子VI、写子VI及配置子VI等模块形式存在。在编写Labview程序时只需完成对子VI配置、组合，即可实现测试仪器的程序控制。GPIB函数模块位于Labview程序面板中Functions目录下 Instrument I/O中，其中最为重要的子 VI分别是 GPIB Write和GPIB Read，完成 GPIB仪器输入和输出控制，将GPIB各子VI函数进行参数配置，再按照编程规则进行模块连接，并加入到所需循环函数中，即可满足开发者的相关需求。

以测试系统中射频信号源(Agilent 8648A)的GPIB程控为例进行说明，其程序流程如图4所示，首先要进行GPIB初始化配置，完成对信号源的初始化;再进行Read和Write子VI的参数配置，并在前面板设置相应输入框，方便使用者操作。程序结束使用GPIB Clear指令模块，关闭GPIB接口通信。

图4 Agilent 8648A的GPIB程控流程图Fig.4 Flowchart of the process control for Agilent 8648A GPIB

(2)性能检测模块

该模块主要功能是针对综合航电系统的输出信号进行处理，这些输出信号的格式包括 RS232、RS485、ARINC429和Ethernet。每种数据格式包括几十甚至上百种飞机参数，在性能测试过程中要完成对这些参数的读取、分析、译码和诊断。

RS232/RS485总线协议属于串口通信格式，综合航电系统的配置数据传输使用RS232总线数协议;发动机、机身传感器参数的传输使用RS485总线协议。在Labview程序面板Functions Instrument I/O Serial模板中，提供了这两种数据格式的初始化、读、写以及关闭等基本功能模块，研发者按实际需求进行组合调用。

由于两种总线数据处理方式类似，且考虑篇幅因素，本文仅列出RS485总线协议一种参数测试(发动机转速)的程序执行过程，如图5所示。其程序实现包括串口配置和数据处理两个模块，串口配置要实现串口号选择、波特率配置、起始停止位和奇偶校验设置，再调用open函数模块打开相应串口;数据处理模块完成参数的写入和读取，并对读取的数据进行判断，模块将数据判断算法利用程序语言进行描述，并将判断后的数据进行存储、显示处理。

图5 发动机转速测试程序执行过程Fig.5 Execution of engine RPM test program

对于ARINC429和Ethernet总线协议，Labview软件函数模板中没有提供对应的相关功能模块。课题组决定将ARINC429和Ethernet总线协议转换为通用总线协议，再调用Labview函数模板中对应的通用总线协议模块进行编程。在传输速率、位数、通道数等方面参数反复比较，最终选用转换为USB总线。USB总线协议程序模块在Labview软件Functions Instrument I/O USB模板中，调用相关控制输入、输出以及中断模块实现程序编写。

3.2.3 测试流程

测试系统的软件测试流程如图6所示。首先对测试系统所有物理资源进行初始化，并开启Access数据库完成对相关数据的读取。操作者登录测试系统，按提示填写被测系统的相关信息。平台进入自检测试，其主要功能是判断系统硬件线路连接是否正常、被测系统部件是否适配正确，并输出自检结果。自检通过后，针对综合航电系统及LRU进行功能测试、性能测试，如果测试过程中出现故障，就要对系统进行故障诊断。对测试结果进行相应处理，如存储、浏览及打印，关闭系统软硬件资源，结束测试。

图6 测试流程图Fig.6 Flowchart of test

3.2.4 测试平台界面

利用虚拟仪器Labview开发的测试界面，其界面友好、美观。图7为测试系统的测试主界面——航电参数测试界面，在该测试界面中，能够将飞行参数测试情况实时地显示在模拟仪表上。

图7 航电参数测试界面Fig.7 Test interface of avionics parameters

4 系统测试与分析

利用该测试平台对多部(6部)综合航电系统进行全自动测试，并记录测试数据。将不同航电系统的同一参数进行比较，来分析、验证测试系统的误差精度。

误差分析:被测航电系统的测试误差来源为测试系统和被测机件本身，而对于测试系统而言，其可能误差来源为仪器设备、传输数据编解码以及传输电路影响。

(1)仪器设备

各类综合测试仪、精密信号源以及电源均经国家标准计量单位进行计量，其精度、范围符合国际测试标准。

(2)传输数据编解码

被测航电系统的传输数据格式为RS232/485、ARINC429和Ethernet，几种数据格式均为国际通用标准格式，测试系统实现其编解码功能建立在该标准格式基础上。

(3)传输电路

多通道转换电路在转换瞬间会产生瞬时脉冲信号，对系统数字信号会造成瞬时干扰，存在产生误码的可能性。根据RS232/485、ARINC429和Ethernet通信协议，传输数据均具有自校、纠错功能。经验证，瞬时干扰误码不会对传输信号产生附加误差。

综上所述，测试系统附加误差可忽略。通过6部被测航电系统的实测数据验证，测试数据误差均在性能指标范围内，且误差来源为被测机件本身。

5 结束语

本系统将虚拟仪器技术应用于航电测试系统，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测试、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系统各LRU电路板级。

维修人员利用此维修测试平台，结合目前掌握的综合航电系统相关维修资料，可实现部件级修理。目前，此测试平台已获民航局维修项目认证，并投入生产使用。从实际应用情况来看，维修周期较国外短，维修费用低，维修质量较高。当前正积极拓展该航电系统的维修市场，扩大外修份额，形成国内自主研发能力，以争取更多的航电系统设备维修的市场份额。

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