机载氧气监控器自动化测试系统

赵利光,　梁华国,　黄安全,　许达文

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥　230009; 2.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥　230009)

机载氧气监控器自动化测试系统

赵利光1,梁华国2,黄安全2,许达文2

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥230009; 2.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥230009)

摘要:作为调节和监控飞行员呼吸供给的机载设备,氧气监控器的质量关系着飞行员的生命安全,需要通过严格和可靠的测试来评估其功能和性能。为了提高氧气监控器的测试质量,文章提出了一种基于工控机的机载氧气监控器全自动化测试系统,能精确和高效地模拟飞机负压环境、机载制氧系统、极端供电条件及其所驱动电机的可变负载,并设计了扩展电路板完成氧气监控器航空插口信号到工控机的转换,辅以高精度的流量、气压、转速和扭矩传感器来实现氧气监控器综合性能测试。试验结果表明,相比于人工测试方法,该系统使测试速率提高到3.49倍,并使氧气监控器的准确率提高到100%。

关键词:氧气监控器;工控机;自动化测试;负压环境;测试效率

随着高科技在国防设备中的应用,我国已经研制出了3倍超音速战斗机,飞行速度的提升对机载设备的可靠性提出了新要求,战斗机在急速上升和俯冲时,海拔高度瞬间变化更快,给飞行员氧气供给带来了新挑战[1]。供氧不足或过度都将严重威胁飞行员的生命安全,从而导致飞行事故。因此,在使用前对氧气监控器(飞行员呼吸供给的基础设备)进行完备的功能测试以保证其可靠性尤为重要[2]。

氧气监控器是负责飞行员呼吸供给安全的设备,其主要功能是根据当前飞行高度和供给气体氧分压来控制供氧设备,属于高精密仪器,构造复杂,而且工作条件要求其具备很强的抗干扰能力[3]。为了准确验证氧气监控器的质量,要求测试条件必须能够模拟真实飞行环境(海拔突变)来进行精密、完备的测试[4]。氧气监控器主要原理是通过内置的氧分压传感器实时监控飞行过程中不同海拔高度下的氧分压值,若检测到氧分压值低于设定的安全值时即产生报警[5]。此外,驱动负载电机也是氧气监控器的重要功能之一。氧气监控器测试功能繁多,包括自检报警、准备时间、氧分压校准、氧分压报警高度、电机转速、电机扭矩、气密性和气流量等。而现有的人工测试方法不仅不能仿真飞行中舱内气压的变化,而且每个测试项目都是一套独立的测试设备,需要进行单独装配操作,流程极其繁琐复杂,耗时周期长。同时在大量人工操作中还会引入不同程度的人为失误,导致测试准确率不高。因此设计一个能够模拟测试环境和收集分析测试数据的全自动测试系统成为保障氧气监控器可靠性的关键因素[6]。

针对国内军用设备自动化测试系统的不足,本文在研究了飞机不同飞行状态下舱内气压的变化后,通过大量实验佐证,提出了一套基于工控机的机载氧气监控器自动化测试系统。它可以精确模拟飞机真实飞行环境,为氧气监控器提供各项测试参数。测试系统各模块功能如下：自调节负压舱模块来模拟不同海拔高度环境;气源控制模块模拟机载制氧系统;电压调控模块模拟极端电压环境;电机测量模块模拟电机负载以及测试转速和扭矩;信号监测模块与氧气监控器进行通信;流量测试模块采集氧气监控器气流量;气压调节模块监测氧气监控器实时气压。本系统特点如下:

(1) 与传统的人工测试方法相比,本系统实现了高度自动化,操作流程无需手工干预。同时系统还可以自动对测试数据进行汇总分析,使测试速率提高了72%。

(2) 设计了仿真模拟战斗机真实气压变化的负压舱(针对氧气监控器需求),能准确地还原氧气监控器真实工作环境。负压舱控制系统中使用了专门设计的压力调节算法使之能够快速灵活地控制负压舱进出气口开闭以及抽气系统的工作,提高了压力调节的精度和速度。

(3) 在氧气监控器进气管路中采用了特殊开口设计的快速排气装置。气流大小使用定制的比例调节阀进行控制,加快了整体测试流程。比例调节系统由气流量传感器实时监控气流大小,然后结合负压舱内压力传感器的采集数据,使用特定算法得到比例阀开口大小，并以此来控制实时气流大小。

1相关工作

以下介绍现今自动化测试系统的研究状况[7]。

1.1基于工控机的自动化测试系统

工控机是目前国内外应用最广泛、数量最多的工业控制设备之一。由于其硬件结构简单、使用简洁、技术更新快,而且使用的Windows系统中有着丰富的软件资源,因此获得了大量测试系统开发人员的关注。目前,基于工控机的自动化测试系统在中小型企业中占有很大的比例。

基于工控机的自动化测试系统的主要特点是以板卡的形式封装输入输出通道,并将板卡直接插在计算机主板的扩展槽上,无需使用额外的通信方式。其结构如图1所示。

图1　基于PC机的自动化测试系统结构

1.2基于PLC的自动化测试系统

可编程序逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)被广泛使用在工业控制领域中。它的主要特点为:① 可靠性高、抗干扰能力强,能够适应恶劣的工作环境,PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有一定的故障自诊断能力;② 采用模块化结构,系统组成灵活方便。

虽然PLC具有上述特点,但它主要为现场控制设计。20世纪90年代末,多数PLC产品都增加了计算机通信接口,通过总线将多台PLC设备相连接,以这种方式将PLC灵活的控制性能与个人计算机的友好人机界面相结合,此类自动化测试系统被称为PLCs。PLCs系统结构示意图如图2所示。

图2　基于PLC的自动化测试系统结构

1.3自动化测试系统在军用设备中的应用

随着世界各国国力的提升以及高科技的应用,为了提高军事设备的质量与可靠性,大部分西方国家已经开始设置了专门的机构来研究军事设备自动化测试系统,其中以美国为主要代表[8-9]。

目前美国通用测试系统主要使用了模块化组件配置的方法,依据不同测试流程和要求,以核心测试系统作为基础来进行模块扩展。近年来随着计算机性能的提升,美国也开始大量使用以Windows NT作为操作系统的自动化测试系统。但是现有的美国军用自动化测试系统还有许多不足,主要存在系统维护费用高、灵活性与通用性不足、测试系统换代更新成本高等问题[10-12]。

工控机和PLC自动测试系统都被广泛地应用于工业控制领域,2种方法也各有其优缺点：基于工控机的测试系统硬件逻辑简单、灵活性低、交互性高；基于PLC的测试系统灵活性高,但是需要额外进行编程控制,交互性低。

本文结合2种测试系统的优缺点和国内外军用自动化测试系统的发展现状，提出了使用工控机+数据采集卡+上位机软件的方案,设计了一套通用性广、自动化程度高、交互性能好、测试效率高的氧气监控器自动化测试系统[13-14]。本测试系统由硬件(包括机械部分)和软件两部分构成。测试系统中硬件的重要部件有工控机、压缩机、储气罐、气路管道、电机、氧气监控器、负压舱、真空泵、减压阀、各类传感器和电磁阀等。测试系统的软件运行在工控机上,它按照测试流程控制硬件运行、收集硬件系统中各信号量状态,进行分析、处理、裁决、记录和显示,并以友好的界面与用户进行交互。

2系统硬件设计

通过对氧气监控器测试项的整理以及参考人工测试的流程,最终设计了一套能够全面模拟氧气监控器工作环境的硬件系统。

为了提高测试速率,在系统设计时,针对不同测试项目的不同气体要求设计了一套气体管路系统,通过对管路中电磁阀开关的控制来快速、高效地切换不同气体,缩短了人工测试中切换气路消耗的时间。针对机载电机扭矩和测速的测试,由于设备的特殊性,传统测试方法中需要分别进行组装测试,严重阻碍了测试速率；为此设计了专用的扭矩转速测试系统，由于测试精度要求极高,系统配备了定制化的高精度扭矩测速仪以及光栅传感器,使得准确性得到了保证,同时也使测试速率得到了很大的提升。通过此硬件系统,各测试项目能够同时进行,在减少设备装卸时间的同时,又显著提高了测试准确率。本系统硬件部分主要由气源系统、电机负载、气压模拟系统组成。硬件工作原理如图3所示。

整个系统包括8个电磁阀、5个减压阀、1个真空泵、2个气压传感器、1个流量传感器、1个电机扭矩传感器、1个电机转速传感器。系统中,气源为各测试项提供不同氧分压值的气体,负压舱用于对机舱的高空环境进行模拟。氧气监控器作为被测设备置于负压舱中,同时为电机负载提供电源驱动。流量传感器用来监测监控器出口气流量;气压传感器用于对监控器进行气密性测试;电机转速和电机扭矩传感器分别用来测试转速和扭矩。针对军用设备测试系统高准确率的要求,在传感器选取过程中,部分采用国外进口的高精度传感器,部分通过国内军用设备生产商进行定制,严格保证传感器的精确度与稳定性。另外,在供电方面,采用了高精度的大功率电源,在供电线路布局方面,尽量减少线路长度,通过隔离不同信号线来屏蔽外界干扰,保证信号传输过程中不受干扰。通过上述措施严格保证了测试的准确性,提高了测试准确率。

(1) 气源供给系统。系统中测试气源分为4种,分别是压缩空气、氧浓度为50%的混合气体、氧浓度为75%的混合气体、氧浓度为98%的混合气体;气体管道分为4路,分别通入的是压缩空气、氧浓度为50%的气体、氧浓度为75%的气体、氧浓度为98%的高纯氧气体。这4路气体都接入氧气监控器和负压舱,另外，只有压缩空气还通向电机的负载;氧气监控器位于负压舱的底座上,它的一侧连接进气管道,测试时通过对电磁阀的开关控制来通入相应的气体[15]。氧气监控器进气管路中增加了用比例调节阀调节的出气口,通过算法实时计算此时气流量大小,然后控制出气口的大小,极大了提高了测试速率。

(2) 负压模拟系统。氧气监控器的测试需要提供0～10 800 m的高空环境,测试要求苛刻,因此设计了一套能够模拟真空环境的负压舱系统[16-17]。该负压舱系统原理是通过内置的高精度气压传感器实时获取舱内压力值,然后再根据大气压强与海拔高度转换公式转换为相应的海拔高度值。其转换公式为[18]:

(1)

其中,H为海拔高度;p为当前某一高度的大气压值;p0为15 ℃时海平面标准大气压值,即101 325 Pa。

系统测试时,氧气监控器置于负压舱内,负压舱进气口连接气源,出气口通向外界环境,同时负压舱连接真空抽气机。工控机的气压调节系统通过控制抽气与充气来实现对舱内压力的连续调节与控制,最终达到模拟海拔高度值。

(3) 数据采集系统。负压舱气压、管道气体流量、负载电机转速、负载电机扭矩分别由气压传感器、气流量传感器、转速传感器、扭矩传感器测量。测量数据通过数据采集卡传送到工控机,同时输送到相应仪表显示。数据采集卡具有8路模拟输入、16路数字输出通道,其中模拟输入采集各传感器的输入信号,数字输出用来控制电磁阀、真空抽气机的开关。

图3　系统硬件原理图

3系统软件设计

针对氧气监控器的内控指标,主要测试项分别是氧分压校准、准备时间测试、自检测试、氧分压报警高度测试、电机转速测试、电机扭矩测试、氧气监控器管路气流量测试以及氧气监控器的气密性测试。由于测试项繁多,且大部分为独立测试项,因此在软件设计中借鉴PLC模块化思想,为每个测试项设计了单独的模块进行组件封装。测试软件通过XML文件配置方式对各个独立模块进行插件化管理,由软件主控模块灵活调用。各个模块通过与工控机配套的采集卡采集氧气监控器报警输出信号以及各类传感器数据。通过以上方式,使软件的灵活性、通用性得到了提高。

3.1软件功能模块

测试系统软件各功能模块如图4所示。

(1) 人机交互模块。负责总体流程控制以及显示当前测试进度和具体测试数据。

(2) 气路控制模块。控制多路电磁阀的开闭，检测其是否处于正常工作状态。

(3) 串口通信模块。用来实现氧分压的自动校准以及与负压舱的通信。

(4) 数据采集模块。控制数据采集卡的A/D采样和输入与输出(I/O)。

(5) 数据统计模块。统计测试流程中同一批次的每个氧气监控器的被测结果;统计有故障的氧气监控器编号和测试结果。

(6) 测试报表模块。将测试结果数据生成文件存档,便于测试人查看。

图4　软件功能模块

3.2软件测试流程

软件测试方式分为整体测试和自定义测试。软件启动后,用户必须先决定是否采用自定义测试,测试流程如图5所示。

图5　软件测试流程图

如果采用自动测试,系统首先进行准备时间测试。准备时间测试完成后,判断氧分压值是否合格。若氧分压值不合格,则自动执行氧分压校准功能,直到氧分压值合格为止,然后执行下一步操作;若氧分压值合格,则不进行氧分压校准,直接自动化且顺序执行自检测试、报警高度测试、气流量测试、气密性测试、电机转速测试和电机扭矩测试。

如果采用自定义测试,用户首先根据需求选择需要测试的项,然后开始测试。此时软件会在后台自动依次判断哪些项被选中，然后，顺序执行选中的测试项,直到测试结束。

3.3软件界面设计

由于本测试系统实现了全自动化,无需人工干预,因此软件用户界面是与用户交流最重要的窗口,用户通过软件界面来控制系统的运行和获取系统运行信息。在此背景下,软件界面设计的好坏直接影响着整个测试系统的可操作性和便捷性。考虑到测试系统的用户友好性,设计的界面主要包括被测监控器编号、氧气监控器型号、监控器电压、氧分压校准、虚拟仪表、测试报表、测试进度、被测监控器的各测试项状态显示等模块。电源状态栏显示当前接入电压的伏值;虚拟仪表空出3路探针,方便其他用途;测试报表生成要求的测试结果数据;测试进度条会提示当前进行的测试项名称、测试的基本要求和当前测试进度,以便给予用户直观的时间概念。

4实验结果

测试系统设计开发完成后,选取2个氧气监控器分别进行人工测试与自动化系统测试实验各100次,共200次实验。

实验测试准确率见表1所列。

表1　准确率实验结果　%

人工测试中,需要把每个测试项进行单独测试,因此要不断地拆卸气路管道、重置电路连接线、校验仪器等操作,而且难以仿真海拔高度的各种变化,很多操作都是凭借个人经验,过程也繁琐复杂,易造成测试不准确。本文所提出的自动化测试系统仿真飞行中海拔高度变化,并采用高精度的传感器对氧气监控器进行自动测试。从表1中结果可以看出,人工测试因为存在各种人为操作的因素,测试结果不是很准确。但是在自动化测试系统实验中,通过系统真实的飞行环境模拟和标准规范的流程测试,测试准确率达到了100%。

每个测试项在人工测试和自动化测试中的时间花费见表2所列。

表2　测试时间实验结果

由表2可以看出，自动化系统的时间效率提高到2.13～6.55倍,整个测试时间从原来人工测试的96.1 min缩短到27.5 min,效率增加到3.49倍。

以上实验结果表明,本文氧气监控器自动化测试系统的使用使氧气监控器测试工作在保证准确率的同时变得简单高效。

5结束语

本文设计的自动化测试系统完全满足了氧气监控器性能测试需要,提供了产品测试所需要的各种参数,真实地模拟了氧气监控器的实际飞行环境。同时,该自动化测试系统也实现了高度自动化,测试过程无需人工干预,显著地提高了测试效率,节约了时间成本。经过实验分析,氧气监控器测试的准确率达100%,极大地提高了测试的准确率,同时,测试时间大大缩短，时间效率提高到3.49倍。目前,该自动化测试系统已经投入军事应用中。

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(责任编辑胡亚敏)

Automatic test system of airborne oxygen monitor

ZHAO Li-guang1,LIANG Hua-guo2,HUANG An-quan2,XU Da-wen2

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:As the airborne equipment which is used to adjust and monitor the air supply of pilots, the quality of oxygen monitor is related to the pilot’s life safety,and it is necessary to evaluate the function and performance of it by rigorous and reliable tests. In order to improve the test quality of oxygen monitor, a kind of automatic test system based on industrial personal computer(IPC) for airborne oxygen monitor is presented, which can accurately and efficiently simulate aircraft negative pressure environment, oxygen generating system, extreme power supply condition and variable load of motor. The expansion circuit board is designed which communicates with oxygen monitor by signal of the IPC socket. The system has the high precision sensor of flow, air pressure, speed and torque to achieve the comprehensive performance test of oxygen monitor. The experimental results show that the system achieves the test speed 3.49 times larger than the manual test method, and the accuracy of the oxygen monitor increases to 100%.

Key words:oxygen monitor; industrial personal computer(IPC); automatic test; negative pressure environment; test efficiency

收稿日期：2015-10-15；修回日期：2015-12-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61274036;61402146;60444001;61574052)

作者简介：赵利光(1989-),男,山西吕梁人,合肥工业大学硕士生; 梁华国(1959-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.015

中图分类号:TP391

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)05-0647-06