基于PC104的某型航空相机综合检测系统

赵育良 苏媛媛 刘建东 王淑娟

摘  要： 针对某新型航空相机系统的特点，提出基于PC104单板机的综合检测系统，介绍检测系统的总体结构与组成，描述系统硬件及软件设计。该系统利用嵌入式工控机技术、数据采集技术、总线数据仿真技术以及虚拟仪器技术，实现对相机机身、操纵器的单独测试;相机的联试以及飞机导航数据的仿真等功能，能够辅助机务人员快速地进行通电检测，并给出排故建议。经实验证明，该综合检测系统可按维护规程要求实现对相机系统性能的全面检查，满足设计要求。

关键词： 航空相机; PC104; 综合检测系统; 嵌入式工控机技术; 数据采集技术; 虚拟仪器技术

中图分类号： TN911.23?34                    文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）12?0007?04

Abstract： In allusion to the characteristics of a new?type aerial camera system， an integrated detection system based on the PC104 single board computer is proposed. The overall structure and composition of the detection system are introduced. The hardware and software designs of the system are described. The embedded industrial computer technology， data acquisition technology， bus data simulation technology and virtual instrument technology are adopted for the system to realize the functions of separate tests of the camera body and manipulator， joint test of cameras， and simulation of airplane navigation data. The system can assist the aircraft crew to quickly conduct electricity circuit detection and give the troubleshooting advice. The experimental results show that the integrated detection system can realize the complete performance inspection of the camera system according to the requirements of its maintenance procedure， which can meet the design requirement.

Keywords： aerial camera; PC104; integrated detection system; embedded industrial computer technology; data acquisition technology; virtual instrument technology

0  引  言

某型航空相機改型后，作为新型侦察设备的代表，大量采用计算机控制技术和总线技术，成功与飞机总线数据交联，实现了自动曝光、自动调焦及自动速高比引入等功能。其自动化水平及技术性能指标较传统设备有明显提升，从信号采集、传输到执行机构的驱动控制都较原相机复杂得多，对日常维护使用的要求也高得多。为了实现该型航空相机的全面检测，利用嵌入式工控机技术、数据通信技术、数据采集技术、总线数据仿真技术以及虚拟仪器技术设计开发了该型相机综合检测设备。用户通过设备面板上的软件界面，可以实现对相机机身、操纵器的单独测试，相机的联试以及飞机导航数据的仿真等功能，能够辅助机务人员快速地进行通电检测，定位故障代码，并给出排故建议。

1  系统总体结构与组成

该型航空相机综合测试设备是一台复杂的模拟信号测试及数据仿真系统，主要由两大部分组成，即测试部分和导航数据仿真部分。根据其6大功能模块，系统主要硬件构成包括嵌入式工控机、触控显示屏、模拟数据采集卡、传感器、总线数据仿真板、开关及逆变电源等组成。其系统组成原理图如图1所示。

1.1  系统硬件设计

检测设备硬件的构建是基于研祥PC/104?Plus工控机104?1816CL2NA虚拟仪器系统，分为串口数据通信模块、电流电压采集模块、ARINC429总线接口模块、ARINC407总线接口模块、人机交互接口模块等。检测设备硬件设计框架如图2所示。

图1 系统组成原理图

图2 系统硬件设计框图

1.1.1  串口数据通信模块

相机操纵器及机身是通过串口联接进行数据通信的，为完成对操纵器及机身的检测，检测设备需设置串口数据通信模块，采集大量操纵器或机身的性能数据。检测设备的串口數据通信是借助于PC104工控机的串口接口实现的，但由于飞机上的串口信号与PC104工控机串口信号电平不匹配，信号体制存在差异，因此不能直接将工控机的串口与操纵器或机身的串口进行联接，否则无法实现正常通信。为此，专门设计了串口调理板来解决这一矛盾。串口调理板的核心为3片RS 232电平调理芯片，用以将PC104串口信号的电平与操纵器和机身串口信号的电平进行调理匹配，从而保证检测设备与相机各部分能够正常通信。

1.1.2  电流电压采集模块

在地面进行相机通电检查时，通常是通过观察相机工作状态是否正常来判断相机是否存在故障，缺少直观、准确的判断标准。检测设备通过设置电流电压采集模块，利用机身发出的中断请求信号准确地获取相机工作周期，采样并存储相机周期内的工作电流，在触控屏和表头上直观显示曲线和数据，可以辅助实现对相机状态的评估及故障的预测。

电流电压采集模块利用中泰PL2360A型板卡，符合PC104?Plus堆栈式的接口设计，在检测设备内通过PC104?Plus接口直接与工控机或429?PC104?Plus板卡进行连接。

1.1.3  总线接口模块

为使检测设备能够在地面没有与飞机导航及大气机相联的条件下，完成以往在飞机上才能完成的机上检测工作，检测设备必须具备导航及大气机数据的仿真功能。429总线数据模块就是依据ARINC429标准总线数据规范，模拟机载惯性导航设备（LNT）及GPS的导航数据输出，辅助完成操纵器及联试功能。检测设备的429总线接口模块采用正鸿航科429?PC104?Plus总线板卡，符合PC104?Plus堆栈式的接口设计，在检测设备内通过PC104?Plus接口直接与工控机或PL2360A板卡进行连接。检测设备对飞机大气机数据的仿真采用的是407总线接口模块，自行设计了407总线接口板，采用12SZZ三相同步器（26 V/400 Hz激磁）发生信号模拟机上大气机数据，通过输入12数字量，输出三线同步器信号表示气压高度。407总线接口板的核心为12SZZ数字/自整角机转换器，利用单片机和逆变电源实现TTL到ARINC407同步信号的转换。

1.1.4  人机交互接口

人机交互接口是设备使用的直接途径，必须涵盖对设备的各项功能操作、数据的输入/输出、后期拓展等方面。某型航空相机综合检测设备的人机交互接口包括触控屏、开关、按键、多功能表头、电缆接口及USB接口等，设计的前、后面板如图3所示。

1） 触控屏。采用F104?S系列嵌入式超薄工业平板显示器触控屏幕采用高温五线电阻式及高精度四线电阻式，通过串口或USB端口与PC104工控机进行通信。

2） 开关及按键。检测设备设计了4组双向开关，分别为总开关、飞机/地面开关及相机或操纵器开关，分别控制检测设备通电，进行飞机/地面检测选择，在联试时控制相机或操纵器的选择;同时，还设计了单张、复位、舱门3个单项检测按钮，通过按压按钮，完成对这3个单项的检测功能。

3） 多功能表头。利用多功能表头显示当前供电电压情况，并能显示联试时相机工作电流情况，使用户能及时掌握相机电流变化情况，结合电流电压变化曲线进行检测判断。

4） 电缆接口及USB接口。检测设备模拟相机及工作状态，采用电缆的形式与相机操纵器或机身进行连接，完成正常的供电及数据通信。设备共设计4个电缆接口：设备供电接口，用以对检测设备通220 V交流电;相机电源电缆接口，用以对相机检测或进行联试时为相机供电;操纵器通信电缆接口，根据某型航空操纵器电缆接口定义设计，采用机配相机操纵器电缆即可实现对接;相机通信电缆接口，根据某型航空相机机身电缆接口定义设计，采用机配相机机身电缆即可实现对接。此外，后面板上还设置了2个USB 2.0接口，方便用户导入、导出联试数据以及后期系统升级维护。

图3 系统前、后面板

1.2  系统软件设计

某型航空相机综合检测设备的软件部分是整个系统数据收发、数据处理、数据分析、数据存储及数据显示的核心。设备的软件部分是基于Windows Embedded XP操作系统开发，该操作系统具有可靠性高、实时性强的特点，适合高速数据采集及信号处理需求。在此基础上安装100 kB A/D数据采集卡及ARINC429板卡驱动程序，主要采用应用设计平台—美国国家仪器公司的LabVIEW图形化编程软件进行软件开发。该图形化编程软件具有编程效率高、开放性强的特点，并具有丰富的数字信号处理与显示控件，可实现研制周期短、数据分析处理计算准确，同时具有良好的人机交互界面设计支持。根据设备的功能模块设计，系统软件主要能够完成相机机身测试、相机操纵器测试、相机联合测试、飞机导航数据仿真及其他辅助功能。图4为主程序流程图。

1.2.1  相机机身检测

相机机身检测功能是建立在模拟相机操纵器，与相机机身进行通信，然后分析收发数据的过程。因此，进入相机机身检测子系统完成登录等系统操作后，首先，需要对与相机操纵器相关的基本参数进行配置，配置好串口通信参数，打开与相机通信的串口;然后，根据相机检测步骤，通过串口对相机进行一系列参数的收发，以上两步均为软件后台执行;最后，根据接收到的数据进行处理，完成在显示屏上进行相机状态、故障的显示。检测结束后，及时关闭串口通信。图5为机身检测流程图。

图4 主程序流程图

图5 机身检测流程图

1.2.2  相机操纵器检测

相机操纵器检测功能是模拟相机机身并配合大气机及导航仿真数据，完成对相机操纵器检测的过程。该子系统在软件设计上可分为三个部分：一是通过与相机通信检测操纵器基本功能;二是通过总线数据仿真检测操纵器与飞机通信是否正常;三是检测操纵器单张、复位信号是否正常。第一部分与相机通信检测操纵器基本功能的软件设计流程与相机机身检测软件设计流程基本一致，仅是程序初始时对相机进行配置，总线数据的配置也有不同;第二部分软件流程首先对总线数据仿真板卡进行参数配置，然后，按照ARINC407及ARINC429协议将待发送数据按照指定数据格式发送给操纵器，最后，对数据发送的状态进行比对、分析完成操纵器与飞机通信状态的检测;第三部分流程较为简单，通过程序截获操纵器向相机发出的单张、复位信号，比对信号是否正常即可。操纵器检测流程图见图6。

图6 操纵器检测流程图

1.2.3  相机联试

相机联试功能主要是采集相机工作时的电压、电流数据进行分析。该子系统的软件流程首先是对数据采集卡进行参数配置，然后采集一个或多个工作周期的电压、电流数据，再对这些数据进行分析、计算及处理，最后在液晶屏上进行数据、数据曲线的显示，并提供接口使用户可以对进行数据存储。联试流程图如图7所示。

2  系统测试

利用该综合检测系统对某型相机系统进行通电检测，检测内容主要包括以下几点：

1） 操纵器设置状态参数，检测设备利用串口差分信号接收;

2） 模拟操纵器指令及相关参数，通过串口对相机状态进行检测;

3） 利用检测设备模拟两类航空总线数据，操纵器通过接口板接收后，通过串口送至检测设备;

4） 利用PC104PL2360A转换卡的I/O端口，检测操纵器按键信息;

5） 检测设备向操纵器模拟发送相机状态，利用操纵器显示面板观察状态显示;

6） 对相机系统进行联试。

图7 联试流程图

综合检测系统对两部相机进行检测，完成上述6项检测的同时，成功检测出其中1台操纵的ARINC429总线数据接口故障及1部相机机身的测光故障。经测试，检测设备可靠、有效。

3  结  论

基于PC104研制的某型相机综合检测系统，可以实现对相机机身、操纵器的单独测试、相机的联试以及飞机导航数据的仿真等功能，能够辅助机务人员快速地进行通电检测，定位故障代码，并给出排故建议。经实验证明，该综合检测系统可按维护规程要求实现对相机系统性能的全面检查，满足设计要求。

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