自动飞行控制计算机通用自动测试平台设计

韩建辉，张芬，杜永良

(航空工业第一飞机设计研究院 飞控系统设计研究所，西安 710089)

0 引 言

长时间的飞行对飞行员的体力、精力及飞行安全带来了严重的挑战，对远航程的大型飞机而言更为严重。自动飞行控制系统将飞行员从耗时耗力巡航阶段的常规飞行操纵中解放出来，使飞行员将主要精力集中于影响飞行安全的起飞着陆阶段及特殊空情的处置之上。因此确保自动飞行控制系统的正常工作以及及时在地面排除故障缺陷就显得尤为重要。自动飞行控制计算机是自动飞行控制系统的核心部件，主要完成自动飞行控制律的实时解算、航姿信号，飞行管理指令的接口输入、三轴偏转指令、三轴飞行指引指令的接口输出，多余度的表决监控及故障隔离等功能[1]。自动飞行控制计算机使用超大规模集成电路、技术密集复杂，使用通用仪表和专用测试仪器在地面完成故障检测定位费时费力而且对地勤人员的技术能力提出了很大的挑战，自动检测技术可以快速高效完成故障测试定位[2]。

国内外科技人员对自动测试技术进行了相应的研究，李宏伟等[3]研究了基于VMIC和VXI总线的自动测试技术平台，辅助设计人员快速完成控制系统的双“V”设计，但不适用于成熟产品的故障诊断测试；段江涛等[4]研究了飞控计算机的自检测方法，却只能将故障定位于部件级，无法定位于部件的某一功能模块；杨尧等[5]介绍了基于LabVIEW的飞控计算机测试系统设计，主要介绍了使用LabVIEW设计测试系统的原理，没有说明自动测试技术的实现方法；苏圣阳[6]研究侧重于飞控计算机的测试设备硬件设计与实现，主要用于设计开发阶段；虞健飞等[7]研究了动态仿真激励模型技术并将其应用于飞控计算机的测试系统设计中，缺少自动故障诊断功能；张丹涛等[8]研究了基于系统需求数据库技术的BIT自测试技术，BIT自测试技术集成于被测计算机内部无法定位功能模块故障；J.Tong等[9]研究了新一代航空自动测试技术模型，侧重于理论技术研究；D.Cheij[10]研究了利用IVI(Interchangeable Virtual Instrument)技术来提高测试系统的性能，侧重于研究IVI技术；M.Courtois等[11]研究了新一代法国战机的综合诊断技术，侧重于测试结果的综合处理；刘洋等[12]研究了飞机飞行控制系统通用测试平台设计和实现，侧重于飞控系统级的测试验证，机载设备级的故障无法检测。自动飞行控制计算机故障时可以利用自动飞行控制系统级的自检测(Building in Test，简称BIT)模块配合飞机级的中央维护系统定位并上报地勤人员，但是自动飞行控制计算机返回生产厂家进行检测维修周期过长会极大地降低飞机的完好出勤率。自动飞行控制计算机通常采用基于背板总线的多板卡功能模块设计，如果使用测试系统将故障定位到某个功能模块，地勤和生产厂家可以快速实现功能模块的更换进而实现自动飞行控制计算机的修复，维修时间的缩短可以提高飞机的完好出勤率。

本文设计基于仪器总线架构的硬件平台以及满足标准化要求的软件平台，利用自动测试标记语言(Automatic Test Makeup Language，简称ATML)将测试方法和流程编译成测试程序集，并下载到测试工作站，通过自动测试平台向自动飞行控制计算机施加激励并对响应进行测试诊断，将自动飞行控制计算机的故障定位于其内部的某一功能模块，从而实现自动飞行控制计算机的自动测试。

1 自动飞行控制计算机的组成与交联关系

自动飞行控制计算机通过HB 6096、AFDX总线接收航电系统发送的大气数据、惯性导航数据、无线电高度等飞行姿态参数和飞行管理系统的引导模式、偏航距、偏航角、速度差等引导数据，同时发送自动飞行控制系统的工作模态、状态、飞行参数至航电综合显示和飞参事故记录仪；自动飞行控制板通过HB 6096总线设定自动飞控的导航、自动飞行、飞行指引等模式和纵向、横航向的目标控制指令；自动飞行控制计算机利用HB 6096总线发送油门控制指令以实现发动机的推力控制；自动飞行控制计算机利用1553B总线发送三轴偏转指令和三轴指引指令到电传飞行控制系统控制舵面偏转进而实现飞机的俯仰、滚转、偏航运动；多余度的自动飞行控制计算机之间利用交叉数据链实现计算机之间的余度表决、监控、同步等通信。自动飞行控制计算机的交联关系如图1所示。

图1 自动飞行控制计算机交联关系

自动飞行控制计算机采用多板卡功能模块设计，利用背板总线实现各功能模块之间的通信，多功能板卡通常包括：负责计算机控制和控制律计算的CPU板、多路总线接口板、模拟信号接口板、电源模块转换板、告警/扩展板、背板等组成。每个板卡为独立的功能模块可实现插拔更换，其结构如图2所示。本文设计的通用自动测试系统的目的是将故障定位到自动飞行控制计算机的板卡功能模块级别，计算机的供应商和地勤维护人员可以快速实现板卡功能模块的供应和计算机修复，从而提高飞机的完好出勤率。

图2 自动飞行控制计算机结构图

2 基于标准化体系的通用软硬件自动测试平台设计

自动测试系统若要实现通用化，硬件交联应满足绝大多数控制器的接口需求，软件平台和测试程序集具备可移植性且与硬件平台无关，同时需要具备可扩展性，以确保被测设备升级后自动测试系统依然可用；飞机上不同的控制计算机可以仅仅通过改变接口适配器和测试算法而实现计算机的测试。为实现该目标，需要设计一个开放的基于标准化体系的自动测试系统架构，相关软硬件要素及各要素之间的信息交换接口满足标准化体系，使用满足IEEE标准的面向信号的ATML描述。

自动测试系统平台满足IEEE标准化体系，测试仪器信息满足IEEE 1671.2，测试工作站信息满足IEEE 1671.6，实时系统信息满足IEEE 1671，测试过程信息满足IEEE 1671.1，故障诊断信息满足IEEE 1232，测试适配器信息满足IEEE 1671.5，被测设备信息满足IEEE 1671.3，测试结果信息满足IEEE 1636.1。使用标准化体系可以改善自动测试系统全生命周期内的信息流复用，减少更换硬件平台时自动测试软件的更改成本，增强测试仪器的互操作和互换性，便于自动测试系统的升级。

自动测试系统的总体架构如图3所示。测试工作站通过PXI、PXIe、GPIB总线连接测试仪器，其组成为基础测试仪器和专业测试仪器，基础测试仪器包括程控电源和通用测试仪表，专业测试仪器包括总线信号、模拟信号、离散信号及其他专业测试模块。测试仪器通过接口适配器实现与被测设备的信号交联，测试控制计算机利用以太网实现测试结果显示及测试过程控制；软件平台完成测试程序开发和测试执行，并对测试结果进行故障诊断，给出测试结论。

图3 基于标准化体系的自动测试系统总体架构

2.1 通用自动测试平台硬件设计

通用自动测试系统的硬件平台建立在基于PXIe、PXI、GPIB总线控制测试仪器的实时测控工作站之上。PXI是美国国家仪器(NI)公司于1997年发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线。PXI是PCI(Peripheral Component Interconnect)在仪器领域的扩展(PCI eXtensions for Instrumentation)，它将Compact PCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范, 从而形成了新的虚拟仪器体系结构[13]。PXI总线引入PXI Express技术显著提升了总线带宽形成了新的PXIe总线。GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线最早是由美国HP公司提出,是最早的仪器总线,现已成为计算机和仪器间的标准通讯协议[14]。通用测试仪器一般采用GPIB总线与计算机进行通信。

通用自动测试系统的硬件平台架构如图4所示，主要包括：人机交互测试控制计算机、实时测控工作站、基于标准总线的程控通用仪器、程控直流28 V电源、HB 6096总线接口板、GJB 289A总线接口板、AFDX总线接口板、AD/DA接口板以及相关的扩展接口板卡和接口适配器。人机交互计算机选用普通非实时HP工作站，运行64位Windows操作系统，通过TCP/IP协议的局域网实现测试程序和测试控制指令的下载以及接收实时测控工作站的测试结果。实时测控工作站选用研华工控机，运行Vxworks实时操作系统，测控工作站实时运行测试程序。基于PXIe、PXI、GPIB总线的测试仪器资源用于仿真模拟自动飞行控制计算机的外部交联接口信号，程控28 V电源模拟计算机的多路直流28 V供电电源，程控通用仪器可以实现单个或者多个信号的测量、监控。HB 6096、GJB 289A、AFDX总线接口板用以仿真航电系统、电传飞控系统、自动油门控制系统和自动飞行控制板等外部交联设备系统的通信信号。AD/DA接口板实现模拟量、离散量等硬线信号的仿真。其他测试仪器和专用测试设备可以通过PXIe、PXI、GPIB总线扩展到测试系统之中。接口适配器一端使用和机载电缆及电连接器插头一样的电缆和插头连接于自动飞行控制计算机，接口适配器另一端依据计算机的各种类型交联信号的通道数连接到基于PXIe、PXI、GPIB总线的测试仪器资源上，同时接口适配器还有信号隔离、调理和调制的作用。通用自动测试系统的硬件平台实物如图5所示。

图4 自动测试系统硬件架构

图5 自动测试系统硬件实物

2.2 通用自动测试平台软件设计

通用自动测试系统的软件平台包括开发管理平台、执行管理平台、测试运行引擎和驱动控制等组成，软件架构如图6所示。

开发管理平台包括测试程序开发环境、系统集成环境和系统管理组成，测试程序开发环境主要完成被测设备、测试电缆、接口适配器和故障诊断库的信息描述，能够支持ATML测试程序的开发和兼容ATLAS测试程序的导入，主要应用于被测设备的研制单位。系统集成环境主要提供给测试平台研制厂商，完成测试平台内测试资源(测控工作站、测试仪器)的描述和驱动开发、测试平台接口描述、测试平台内部连线开发。测试软件采用满足IEEE 1641及IEEE 1671标准的ATML语言进行开发和描述，面向信号测试程序只与被测设备有关，与测试硬件环境无关，从根本上保证了测试软件的可移植性。

执行管理平台测试程序的运行环境，运行在实时测控计算机之中。执行管理平台通过COM接口与测试运行引擎交互，实现管理、调度和运行编译过的测试程序。结合故障模型进行被测设备的故障测试、诊断和定位。执行管理平台支持测试程序进行全面自动测试和部分选项测试，同时具备型号管理、用户管理和测试平台自检、计量的功能。控制板卡进行接口交联信号仿真模拟的驱动程序由板卡生产厂家提供或者在已有驱动程序的基础上进行二次开发实现。

图6 自动测试系统软件架构

3 自动飞行控制计算机测试方法流程和测试程序集设计

3.1 测试方法流程

自动飞行控制计算机的测试方法、内容、流程设计基于计算机的架构组成和交联关系。测试方法要求测试原理正确、简明有效[15]。测试内容要求覆盖计算机的所有功能模块[16]。测试流程分为全自动测试流程和选项单独测试功能。测试流程和测试内容如图7所示，可以看出：测试开始后首先识别自动飞行控制计算机的型号和硬件编号，通过计算机的针脚阻抗测试初步排除计算机内部的线路故障，之后执行测试开始准备，其主要内容为计算机加电启动引导，确保计算机启动过程中不会出现硬件自检错误而无法启动计算机，同时确保计算机交联仿真设备返回设备正常的仿真信号，计算机启动后自检正常同时系统工作在正常模态；测试开始前，地勤人员可以选择进行全自动测试或者选项单独测试；测试完成后生成程序指定格式的测试结果报告。

图7 自动飞行控制计算机测试流程

自动飞行控制计算机由于交联设备较多和多余度配置导致计算机内部的功能模块较多，因此依据内场可更换功能模块分项逐一进行测试，测试分为功率测试、核心处理器模块测试、模拟量模块测试、HB 6096信号模块测试、GJB 289A信号模块测试、AFDX信号模块测试、多余度同步交叉多数据链通信模块测试以及逻辑告警模块测试等。由于篇幅所限本文仅对测试开始准备和HB 6096信号模块测试的方法进行介绍。自动飞行控制计算机的测试开始准备如表1所示，步骤1～3确保计算机通过硬件自检正常启动，步骤4～8确保计算机启动后自动飞控系统能工作在正常模态。测控计算机通过自动飞行控制计算机的监控串口接收端发送测试激励信号，在自动飞行控制计算机的多个HB 6096总线发送端接收并处理HB 6096信号，利用label号和数据内容及有效性校验确认自动飞行控制计算机计算机的429总线发送功能正常，具体方法如表2所示，可以看出：利用自动飞行控制计算机HB 6096总线接收测控计算机仿真的指示空速、马赫数、气压高度、迎角、侧滑角、惯导、无线电高度等航姿信号，在自动飞行控制计算机的监控串口发送端接收处理数据，判断自动飞行控制计算机接收到的HB 6096总线数据和测控计算机发送的是否一致。HB 6096总线模块的信号发送回绕自检测功能的测试方法类似本文不再赘述。

表1 自动飞行控制计算机测试开始准备

表2 自动飞行控制计算机HB 6096总线模块接收功能测试

3.2 测试程序集设计

程序开发人员依据编制好的覆盖自动飞行控制计算机功能模块的全部测试方法、流程设计测试程序集和故障诊断模型库，基于IEEE标准将自动飞行控制计算机的测试方法流程编写成使用XML语言的测试程序集， 同时使用ATML语言代码完成被测设备描述、接口适配器描述、测试仪器描述、测控工作站描述、故障诊断模型描述以及测试结果描述等。ATML语言详细定义了约束、规则及各个组成部分之间的关系，通过多个ATML模式定义将测试程序集的相关部分尽可能分离并保持信息的独立性，使测试程序可以不依赖于硬件平台和操作系统，从而实现跨平台的重载和移植。自动飞行控制计算机进行全项目自动测试验收的测试结果及软件测试界面图如图8～图9所示。

图8 自动飞行控制计算机全项目自动测试核心功能模块检测结果

图9 自动飞行控制计算机全项目自动测试故障逻辑和BIT检测结果

4 结束语

针对飞机自动检测系统只能定位到机载设备级别，设计了自动飞行控制计算机通用自动测试平台将故障进一步定位于自动飞行控制计算机的功能模块之上，用户在试用测试中快速实现了自动飞行控制计算机自动测试并高效的将故障定位于计算机的功能模块，缩短了自动飞行控制计算机的维修时间。通用自动测试硬件平台易于扩展，软件模块相互独立具有可移植性，通过更改测试方法和测试流程可以快速实现其他机载计算机的自动测试。