直升机无线电系统可重构测试平台技术研究
【摘 要】本文简单的阐述了直升机机载无线电系统通用测试手段的研究，采用可重构技术，解析了测试平台设备硬件的搭建及测试软件框架。
【关键词】总线data bus 采集 可重构Reconfigurable 自动测试系统ATS
随着直升机无线电系统产品不断升级换代，常用的无线电系统测试设备都是分立式仪器，通常依靠组合仪器的方法来测试多功能的产品性能，而大量新产品采取“数字化”、“综合化”、“模块化”为方式设计，测试内容多、工作量大、数据处理复杂，模块化是实现高度综合化的基础，离开了模块化，航空电子系统就不可能进行功能综合，不可能实现动态重构，也不可能实现维护体制[1]。因此，研究可重构的以通用化、系列化、模块化为标准的无线电通用测试平台成为解决问题的最佳手段。
1 简介
机载无线电产品在装机、维护过程中需要进行检测工作，产品之间接口不同、参数不同、逻辑形式不同，每个产品需要配备一套专用检测设备，通常采用专用测试台与传统仪器的组合形式，其测试功能基本满足部分产品检测和维护需要，由于仪器数量多、种类杂、重量重，人工操作精度低，易产生人为差错，出现差错时也难以查找，同类设备之间不能复用等等诸多因素，导致不同时期的新旧设备混合使用，存在同类设备重复配备的情况，浪费了大量资金，浪费严重人力和物力，尤其是在当前以数字化、综合化、模块化为主的先进电子设备面前，更是显得无能为力。
通过对可重构的直升机无线电系统通用测试平台的研究，解决一套设备适应多种直升机、不同厂家生产的无线电产品的通用试验需要，又能调整测试程序软件重新构成不同型号产品性能指标的检测要求，完成装机前产品检测和系统交联试验以及产品单机检测和实物/部分实物交联试验任务，在试验室内构建与直升机无线电系统工作环境相类似的试验环境，把系统问题解决在装机之前，为提高无线电系统装机质量和电磁兼容性奠定基础。
2 测试需求
通过分析直升机无线电系统信号类型和参数，制定通用测试平台的技术指标：
A.直流电压输出：
电压范围：0～33VDC，误差：±0.1VDC；
输出功率：1200W；
B.交流电压输出：
电压范围：0～270VAC，误差：±0.1Vrms；
频率范围：45～500Hz，误差：±0.1Hz；
输出功率：800VA；
C.隔离模拟输出：
范围：±20V，分辨率：12位；
D.数字I/O信号：
5V TTL/COMS；
E.音频信号输出：
幅度范围：0.5mV～5Vrms，幅度误差：±1mV；
频率范围：20～20000Hz，频率误差：±1Hz；
F.射频信号输出：
频率范围：100kHz～1.05GHz，频率误差：±10Hz；
幅度范围：-141dBm～+5dBm，幅度误差：±0.1dBm；
G.电压测量：
直流电压：范围：0V～300V，误差：±1%；
交流电压：范围：0mVrms～50Vrms，误差：±1%；
H.电流测量：
范围0-1ADC，0-1ACC，误差：±100mA；
范围0-20ADC，0-6ACC，误差：±0.1A；
I.电阻测量：
范围：0Ω～100MΩ，误差：±0.1%；
J.波形测量：
带宽：500MHz，分辨率：8位；
测量范围：±25mV～±25V；
K.同步输入/输出信号：
基准：26VAC/400Hz；
角度范围：0～360°；
角度输出误差：±0.1°；
角度测量误差：±0.1°；
L.数据总线信号：
具备ARINC429、RS422、RS485、1553B和GPIB串口总线；
M.传输功能；
具有单工、半双工、全双工方式，分成高速和低速速率传输。
3 技术分析
3.1 框架设计
设备可重构就是在不改变设备现有功能的基础上，通过调整测试程序软件改变成适应另外一种产品的测试设备，逐步形成使用同一套设备改变不同连接方式、应用不同测试软件达到适应直升机无线电系统各类产品检测的目的。在外部看来，测试方法和过程没有任何变化，只是对程序内部结构进行调整，使其适应性更强、测试更容易，测试模式和架构更趋合理，提高测试设备的扩展性和维护性。
测试平台架构的可重构性是研究的技术关键，包括测试平台的硬件构架和软件构架，主要研究以国内外成熟的总线测试方法为基础，应用虚拟仪器技术，基于数字化和离散信号的测试理论，以PXI总线规范概念和相关软件为链路，结合多种直升机机载无线电系统的特点，研制功能齐全、性能可靠的通用测试平台，同时充分利用现有配置的硬件设备和结构设计能力，增加少量附件，调整局部连接，就可以方便地完成功能扩展和软件升级的目的。
无线电系统产品具有信号幅度弱、频域宽，调制信号种类多、稳定度要求高的特点，采用专用设备来满足信号发生、调制信号的解调、高频信号传输、收发功能转换等需求。通用测试平台是集成的高性能的功能测试系统，其主要包括PXI总线仪器、GPIB总线仪器、计算机外设等资源组成。检测系统包含电源信号、角度信号、音频＼射频信号、数字信号、模拟信号，开关信号等各种资源，可测试范围覆盖数字、模拟、数模混合、微波段的电路板、模块以及设备。通用测试平台功能配置框图参见图1。
无线电通用测试平台设计了一套完整的TPS开发和执行的平台，在该平台上可独立完成被测设备的TPS开发、调试和故障检测诊断。执行环境调用开发完成的TPS，自动完成对被测试设备的测试和诊断，同时在执行环境内提供了手动测试接口，测试人员可以以手动的方式对测试设备进行测试和诊断。开放式设计、友好的人机界面、操作简单不需要特殊培训；采用测试功能逐层划分方式，布局合理、美观，符合使用习惯；采用连续检测方式，检测文件自动生成。
3.2 软件设计
3.2.1 设计思想
测试软件选用VC++开发 ，结合Lab Windows/CVI特点，内置了GPIB、RS232串口和插入式DAQ办的库函数，提供多种界面的生成、编程、调试工具。按照软件工程的要求和测试的过程，对软件进行模块化设计，确保开发过程与结果的工程化、规范化，充分利用面向对象、测试流程交叉链接等软件设计方法，采取框架式的软件结构把数据和测试流程分开，数据（包括系统配置参数和测试结果数据）由关系型数据库管理系统进行管理，遵循分层设计思想，采用模块化组件设计思路，保证程序的扩展性和可维护性，适合并行开发，同时可提高软件的重用性和可维护性。而且模块划分采用局部化思想，要求在一个模块内集中逻辑上相互关联的计算资源，从而保证系统模块之间具有松散的耦合关系，在模块内部具有较强的内聚性，能够有效降低系统复杂度。同时，利用组件开发测试系统应用程序的过程与搭积木的过程相似，一般是先构筑系统的总体框架、然后构造各个组件，并依次把组件组装到系统中去。
3.2.2 物理结构
按照总体结构设计思想，将软件在物理上实现分层，各层结构相对独立，功能相对集中。各层具有相对统一的接口，只能与相邻层发生直接交互，接收上层的命令，提供相应的服务，或向下层发出命令，提出服务请求。从根本上保障程序的可维护性和扩展性，依据测试平台的特点，将软件划分为五个层，它们自顶向下依次是应用层、应用接口层、组件层、驱动层、资源层。软件层次结构如图2所示。
应用层：是该软件的最顶层，直接面向用户，具有图形化的界面，提供丰富的数据和数据分析结果，使用人性化的向导和提示信息为用户操作提供支持。它完成用户输入数据的记录，响应用户的各种触发（包括鼠标和键盘），显示操作状态和结果。
应用接口层：包含一系列的规范和函数，依据测试平台的特点和规范，按照功能和类别定义了对上层（应用层）的接口，应用层的对外访问依据这些接口定义和规范，包括数据库访问接口、文件访问接口、面向信号的测量资源接口、面向路径的开关资源接口、面向信号的激励接口、通信总线接口、其他接口。本层只是定义层，目的是规范应用层的设计和实现，应用层的规范化的服务请求经过解析，向下层（组件层）传递。本层同时接收下层（组件层）的服务信息数据，并进行规范化，然后向上层（应用层）传递。
组件层：包含按类别区分的各种函数库（COM组件、dll文件等）。主要功能包括：数据库的访问，文件读写，硬件设备驱动，通用管理功能，通用算法实现。本层接收上层（应用接口层）的请求，完成相应的功能和操作，把得到的结果传递给上层（应用接口层）。
驱动层：本层包括各种硬件设备的驱动程序，数据库自动化接口（ADO）。硬件驱动程序完成对硬件资源的控制和通信，数据库接口能够实现对指定数据库的访问：数据添加，数据修改，数据删除，数据表创建，数据表删除。本层被组件层调用，控制资源层的软硬件资源。
资源层：本层包括数据库和系统的硬件资源，是该软件的最底层，使用ACCESS数据库，硬件资源包括各种台式仪器、板卡、适配器、和被测部品（UUT）。
3.2.3 逻辑结构
软件的逻辑关系体现了软件各部分相互依存、数据传递的状态，如图3所示，对上面的软件结构进行逻辑关系分析，可以得到三条主要关系路径：
（1）数据库文件---数据库驱动程序---数据库组件---（系统登录、系统日志、数据库备份与恢复、帮助信息、故障诊断）；（2）数据库文件---数据库驱动程序---数据库组件---系统管理---管理组件；（3）数据库文件---数据库驱动程序---数据库组件---（开机自检、系统自检系统校准、虚拟面板、自动测试）---硬件驱动组件---硬件驱动程序、函数库---（台式仪器、板卡、适配器、UUT）。
其中第（1）和第（2）条关系与硬件驱动无直接关系，第3条关系覆盖了软件大部分结构，是本软件的主要逻辑关系。3条关系中都包含“数据库文件---数据库驱动程序---数据库组件”，所以数据库设计是本软件的重要部分，数据库设计需要综合考虑整个软件的需求，数据库设计的优劣直接影响到软件的成败。
3.3 结构设计
测试平台采用以PXI、GPIB总线为基础的混合总线方式。系统主要的数据采集、信号转换、状态控制、标准信号激励等采用PXI总线仪器，而电源、射频、微波等仪器资源则采用GPIB总线接口设备。测试时，专用接口适配器一端接入系统，另一端接被测产品，完成从系统通用接口到产品专用接口的转换。主要包括主控计算机、PXI总线仪器、GPIB总线仪器、适配器单元、电源单元、接口单元和扩展单元等组成。系统仪器设备以PXI插卡形式为主，仪器的显示面板及操作则运用虚拟仪器技术统一由计算机显示屏以软面板的形式实现，这样既避免了仪器设备在机箱、电源、面板等方面的重复配置，又大大降低了系统的体积和重量。系统基于PXI总线，能把GPIB和串口总线仪器平台集成到PXI测试系统中[2]，使系统具有数据传输速率高、数据吞吐量大、系统组建灵活、易扩展、资源复用性和标准化程度高等优点。GPIB总线控制仪器均为标准上架装配，方便根据测试任务的不同拆卸组成适应不同测试任务的测试系统。
平台采用标准可移动的机柜架构，控制总线采用PXI/GPIB混合总线，资源主要为PXI、GPIB和PCI总线仪器，选用VPC公司标准接口作为系统检测标准接口，测试平台结构框图参见图4。
（1）通用测试平台包括两部分，一部分是嵌入式处理器，负责对计算机软硬件资源和测试平台模块化仪器的软硬件资源进行配置及管理；另一部分是测试平台的模块化仪器，包括程控电源模块、通用开关模块、多路通用开关模块、矩阵开关模块、波形发生器模块、数字I/O模块、多通道D/A转换模块、角度信号仿真器和角度位置指示模块等。模块化仪器都通过专用电缆接入ATE接口适配器。
（2）通用测试平台的处理器通过GPIB总线接口控制电源，自动实现部品升降压实现、激励信号的线性变化和阶跃变化。电源信号通过电缆接入PXI接口适配器。
（3）接口适配器包括两部分，一部分是紧固安装的机械夹具，包括信号模块的垫块和测试适配器的紧固件。其中模块垫块有多种型号，以“模”为单位度量，有6模、10模、25模、50模等大小不同的规模，根据信号点的多少，选取不同大小的垫块。根据被测对象的需求及充分考虑系统的扩展性，本系统选用18模的垫块。测试适配器的紧固件一是保证测试适配器与本适配器信号的安全接触，二是具有一定的负载能力，能承受测试适配器的重量，降低组建自动测试平台的复杂程度。另一部分是不同的信号模块连接器，主要分为电源模块、信号模块、微波信号模块等，不同的模块具有不同的大小，一般一个模块占1个“模”的空间，也有一个模块占2个“模”的空间。根据信号多少、信号种类选取不同的信号模块，灵活配置，是结构化设计思想的体现，同时也符合经济原则要求。
（4）专用测试适配器是模块化设计思想的重要体现，是通用接口平台与被测部品的信号“纽带”，起着连接、转换、补充通用平台信号与被测部品之间的重要作用。专用测试适配器一方面实现部品独有激励信号的产生、调理，是通用平台资源的有效补充，另一方面实现被测部品输出信号调理，使之适合于通用平台的测试，从而有效减少通用平台的资源浪费，降低平台的成本。
4 研究应用
研究无线电通用测试平台结合了多型直升机的测试需要，采用模块化、结构化的设计思路，选取计算机程序控制手段，应用总线通讯、信号采集处理和无线电信号解析技术，构建测试平台的硬件架构和软件架构。依据测试需求分析和性价比的要求，选择基于总线仪器、信号处理模块与工控机组合的方案，提供详细的检测数据，帮助专业人员快速、准确的判断、排除故障，提高工作效率，有效的控制成本。同时，平台具有体积小、操作简便、连接可靠等特点，具备极强的延续开发能力，只需添加相应的适配模块，而不必对整个测试设备进行改动，即可建立相应产品的试验能力，可延续扩充其他项目的检测，逐步丰富平台的检测能力，为多型号直升机生产和维护提供有利保障。通用测试平台外观图参见图5。
5 结语
以通用化、系列化、模块化为基准研制的无线电通用测试平台，已经在哈飞公司某型机无线电设备的定检级和维修级性能测试与辅助故障诊断中投入使用，提高了公司机载无线电系统测试设备的自动化、通用化和自主维修保障能力，比以往分立式仪器有了质的飞跃，为直升机生产和维护提供有利保障，实用性强，可靠性高，具有推广价值。无线电系统通用测试平台结合飞机生产检测、维护需要和自身机载附件的修理经验，运用先进测控技术在通用测试设备开发方面做了一些有益的尝试，逐步完善成为通用ATE（自动测试设备） /ATS（自动测试系统），希望在经济、实用、可靠的前提下开发提供技术上领先、经济上实惠的测试设备，用自己绵薄之力推动国内航空测试技术的向前发展。
参考文献：
[1]熊华钢.先进航空电子综合技术[M].国防工业出版社，2009（1）：14.
[2]秦红磊.自动测试系统硬件及软件技术[M].高等教育出版社，2007（10）：126.