弹射座椅电气附件自动综合检测设备设计与实现

吴传贵， 王纬国， 彭 虎， 周勇军， 张小辉， 阚 艳

(1.中国人民解放军第5720工厂，安徽 芜湖 241007；2.安徽省航空设备测控与逆向工程实验室，安徽 芜湖 241007)

弹射座椅是飞行员的“救生法宝”。在飞机发生故障时，依靠座椅下的动力装置将飞行员弹射出机舱，然后人椅分离、打开降落伞使飞行员安全降落的座椅型救生装置。随着航空技术的发展，第3代弹射座椅里面含有电子设备，这给弹射座椅的测试、维修和保障带来新的问题。传统的维修方法是由操作人员使用万用表、绝缘仪器逐一对各附件线路进行手动测试。维修的弹射座椅型号多、电气附件种类也多，附件路线也越来越复杂。针对人工检测效率低、时间长、强度大且易出错的难题，需要研制一台弹射座椅自动综合检测设备。该设备能够实现对多型座椅电气附件进行自动检测，同时，为快速开发同类被测电气附件测试项目提供技术基础。因此，在弹射座椅维修保障过程中，研制自动综合检测设备具有重要的现实意义。

1 需求分析

1.1 功能测试分析

弹射座椅电气附件自动综合检测设备的测试对象是国内外多型弹射座椅的电气附件，包括脱开式信号接头、联锁转换电门、转换电门组件、座椅椅盆电路，及整个座椅的内部电路，测试内容主要有电阻、绝缘、抗电和控制。

1.2 性能测试及指标

电气附件主要指标要求是：触点电阻要求不大于0.3 Ω、绝缘电阻不小于20 ΜΩ、控制信号27 V下电路通断正常、抗电强度试验应在1 s内不被625 V电压击穿，或在1 min内不被500 V电压击穿。为此，检测设备需要按各电气附件的连接关系，检测各触点电阻、绝缘电阻、电路通断和抗电性能，并判断其是否满足技术要求。

1.3 系统扩展性

检测设备在满足各电气附件的电气性能测试的基础上，要求具备手动和自动测试，并且具有一定的扩展性，根据新增被测对象及测试电缆，通过软件能够增补测试产品测试项目。

2 系统设计

2.1 设计分析

检测设备在满足各电气附件的电气性能测试的基础上，要求具备手动和自动测试，并且具有一定的扩展性，根据新增被测对象及测试电缆，通过软件能够增补测试产品测试项目。因此，系统设计需要解决以下几个难题：

① 如何实现软硬件功能融合。以通用连接器和信号切换模块为功能融合中心，通过一种地址映射的方法，将通用连接器连接的外部硬件电缆的各接口定义，映射到信号切换模块控制继电器的地址，软件操作界面只反映出硬件的接口和测试要求，具体映射地址在程序内调用接口表来实现。

② 如何实现自动化。综合运用线程和程控技术，实现与测量仪器的通信，如程序设置、测量和数据读取等功能；结合继电器的映射地址，实现继电器组件的单路多路继电器接通/断开控制功能；开发测试线程，通过自动测试的开始、暂停、继续和终止这四个操作，实现程序自动运行及控制。

③ 如何实现扩展性。选择用数据库来保存编译测试项目，由程序调用各表的内容到测试表单中，形成具体的测试项目。通过程序新增测试模块、测试接口、测试关系等内容，实现扩展性。

2.2 系统设计

借鉴文献[1]～文献[11]相关检测设备和测试系统的研究内容。检测设备的系统架构如图1所示，以信号切换模块为中心，数字多用表和绝缘耐压绝缘仪直接连接到信号切换模块的资源信号切换部分；各型测试电缆通过通用连接器连接到信号切换模块的通道信号切换部分。

图1 系统架构图

3 硬件设计

3.1 设备组成

如图1所示，检测设备的硬件主要由工控机、数字多用表(可调电源和三用表)、绝缘耐压绝缘仪、信号切换模块、UPS不间断电源、通用连接器及各型测试电缆组成。

3.2 仪器仪表

数字多用表主要实现触点接触电阻2线/4线制测量和电压测量，以及产品直流电源供给。数字多用表选用U3606B三用表/直流电源混合仪器，该仪器既可当5位半三用表使用，又可充当30 V/1 A、8 V/3 A、30 W直流电源使用。

绝缘耐压绝缘仪实现对线路绝缘和抗电性能测试，选用的TOS9200耐压绝缘仪是一款搭载有AC耐压、绝缘电阻试验两大功能的仪器，具有GPIB和RS232远程接口控制功能，其绝缘试验指标高达0.01 MΩ～9.99 GΩ/(DC 25～1000 V)，抗电指标高达5 kV/100 Ma/500 VA。

3.3 信号切换模块

信号切换模块为检测设备的核心硬件，也是实现自动测试和扩展性的主要硬件支持部分。信号切换模块内的测试线路原理如图2所示，在测试程序的控制下，实现资源连接到测量测试端点上。针以不同的被测对象、测试项目和电缆连接关系，设计不同的接口定义表。

信号切换模块由10块继电器板组成。继电器板主要由16×4路的矩阵开关、串口通信模块、FPGA芯片和驱动芯片等组成，开发有驱动控制程序，通过RS322串口可控制FPGA芯片和驱动芯片，实现对继电器的控制及线路的切换功能。继电器选用59W-1A2 0N0-92型号水银继电器，该继电器采用24 V电压控制，具有1000 V/1 A的开关切换能力，开关寿命高达109次，绝缘强度高达1010Ω，500个继电器并联时仍可保证20 MΩ的系统绝缘强度。

图2 信号切换模块线路测试原理图

4 软件设计

4.1 软件总体设计

检测设备的软件系统组成框图如图3所示。主要有初始化及结果显示、主程序、帮助说明、串口设置等模块，其中，主程序包括自动测试、手动测试、模块维护、连接管理及建立连接等子模块。

图3 软件组成架构

自动测试子模块是主程序的默认功能选项，是检测设备实现自动化的体现。具体功能有：① 系统测试模块选择；② 测试项目及结果显示；③ 件号、操作者和检验员信息编辑；④ 自动测试开始/终止/暂停/继续控制;⑤ 对单个选定的测试项目进行一次测试；⑥ 系统测试信息显示及打印等。

手动测试子模块主要是用于检测设备的调试，提供能够对信号切换模块、TOS9200仪器及数字多用表的测试界面，可以对串口控制的仪器地址进行设置。

模块维护子模块是整个测试对象的数据汇总。实现对被测试模块进行查看、增加、修改和删除等操作。

连接管理及建立连接子模块是测试项目数据库的操作控制中心，可对模块所涉及的测点和连接关系进行编辑，测点管理包括有增加、修改和删除测点，连接关系管理主要有建立和删除连接。

4.2 测试流程设计

4.2.1 主程序的控制

主程序的控制流程图如图4所示。程序运行后先对硬件资源进行了初始化，判断是否正常，若正常则显示主界面并且加载各功能界面，若出现故障，则弹出初始化结果显示界面，并且打印出故障模块。主程序加载自动测试、手动测试、模块维护和连接管理等4个功能界面，具体的测试控制和数据管理均在此4个界面中完成。

图4 主程序流程图

4.2.2 自动测试流程的控制

自动测试控制流程图如图5所示。自动测试模块是针对操作人员使用的，主要完成产品的测试项目选择及测试，主要解决系统的自动化测试的要求，根据测试过程需求，设计有单次测试和自动测试两个控制流程。进入自动测试模块，初始化自动测试界面的控件状态和测试项目数据；根据被测对象产品型号，在测试模块选择控件中选定对应的模块名称，系统会自动显示出当前模块对应的测试项目；输入产品和操作/检验者的信息后，可选择单次或自动测试方式进行测量，或者选择打印已保存的测试记录；根据测试结果选择继续测试或退出。

图5 自动测试流程图

4.2.3 模块维护和连接管理流程的控制

模块维护主要对被测试模块进行查看、增加、修改和删除等功能，其控制流程如图6所示。进入模块维护，初始化该界面显示已有模块信息内容；指定需要编辑的模块编号；选择是否删除操作，若是则直接删除，否则编辑该模块；编辑后再选择新增或修改操作；更新显示模块维护数据。

图6 模块管理流程

连接管理控制流程图如图7所示。进入连接管理模块，初始化该模块界面显示默认模块已有的测点和连接关系信息内容；根据测点操作还是连接关系编辑，选择不同流程，连接关系的建立时所选择的测点必须为已有的测点；针对测点进行增加、修改和删除操作，操作完成后将更新显示测点数据；针对连接关系进行删除和建立操作，完成后更新显示连接关系数据。

图7 连接管理及建立流程

4.3 数据库设计

设计的数据库主要有测试模块表、测试接口表、测试关系表、测试结果记录表、测试状态表等。其中，测试结果记录表定义与测试关系表相一致，模块表、接口表和关系表的字段说明见表1。

模块表是模块维护编辑的数据后台，是其他表的检索项。增加新的被测对象时要建立此表，建立的原则是：① 被测产品不同;② 测试类型不同。

接口表是连接管理中的测点编辑的数据后台，是软硬件资源结合的重要部分，根据电缆的接线连接关系，设定了一个测点引脚映射到通道继电器上的控制地址最多为两个。定义连接电缆与被测产品连接的引脚为PID；定义测点对应的通道继电器模块的映射地址为ADDMAP1和ADDMAP2；定义连接状态为CONNSTAT。

关系表是数据库设计的难点，对应连接管理中的连接关系编辑的数据后台，是实现测试程序自动化重要环节，设计的出发点是：① 测试有电阻测量、绝缘和电抗、开关控制等类型；② 仅对通道继电器进行控制，不需要测量的测试过程；③ 测量仪器接入到资源继电器上有两线制和四线制的测试项目。为此，关系表除了模块和测点，及测量参考数据和测量结果数据外，关键是定义关系逻辑控制字段，定义测试类型为TYPE、测试方法为METHOD、测试策略TACTICAL。

表1 各表字段说明

5 实验结果及分析

5.1 系统自动化和扩展性分析

检测设备实现了自动化和扩展性的设计需求。软件设计做到了功能划分合理，人机交互操作友好，输入输出控件清晰。测试软件运行后，经初始化系统正常，进入主程序的自动测试模块(如图8所示)，通过自动测试实验，检测设备能够对被测产品的单次和自动测试。

通过切换模块选项，可以进入模块维护和连接管理模块。通过操作，验证了模块维护和连接管理模块实现了对测试产品和项目的新增和编辑，满足了检测设备的扩展性的设计需求。

5.2 系统电阻检测分析

通过对联锁转换电门进行自动测试，其测试数据见表2。表2中，起始测点和终止测点对应联锁转换电门的测试端点，类型1为电阻测试，方法1和方法2分别为两线制和四线制，策略2为测量项，实测值为测试结果。测试过程和数据均满足了设计要求，能够实现对电阻量两线、四线制自动测试。

图8 主程序工作界面

序号起始测点终止测点类型方法策略实测值/Ω提示说明1电阻:正电阻:负1122967221:221:71220.017开关11321:422:61220.017开关2421:422:91220.022开关4521:422:71220.022开关6621:422:31220.020开关8721:522:51220.015开关1821:522:81220.019开关3921:522:41220.035开关51021:522:21220.014开关71121:1022:11220.008开关71221:122:101220.010开关1-8

5.3 系统电阻检测分析

通过对转换电门组件绝缘和抗电进行自动测试，其绝缘测试数据见表3。表3中，起始测点和终止测点对应为测试产品的端点，类型1和类型2分别为电阻和绝缘测试，方法1为两线制，策略1和策略2分别为控制项和测量项，实测值为绝缘测试结果； 产品抗电项目与绝缘相同，只是将类型2定义为3，实测值则为读取的抗电参数。经验证，绝缘和抗电测试均满足设计要求，能够实现对绝缘和抗电的自动控制和测试。

表3 绝缘测试数据(节选)

6 结束语

对各型弹射座椅电气附件测试需求进行分析，提出了一种基于640路信号切换模块的测试方案，设计和开发了一种弹射座椅电气附件自动综合检测设备，通过测试关系数据库和自动测试程序，实现对座椅电气附件自动综合检测，可用于测试维修飞机座椅电气附件的电阻、电压、绝缘、抗电的性能和控制功能的自动测试，为快速检测座椅电气附件提供了技术手段，提高了人工效率，提升座椅电气附件的维修能力，达到了保证座椅电气附件修理质量的效果。