基于虛擬儀器技術(shù)的航空機(jī)載電子設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

機(jī)載電子設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)上百種部件進(jìn)行功能測(cè)試，涉及的信號(hào)種類和數(shù)量都很多，這些信號(hào)按照頻率分為低頻和高頻兩種，按時(shí)域特性分為連續(xù)和離散信號(hào)，按照形式分為電信號(hào)和非電信號(hào)（如溫度、速度、高度、氣壓、航向等）。為滿足復(fù)雜的測(cè)試需求，我們采用虛擬儀器技術(shù)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PXI模塊化儀器相對(duì)于GPIB、VXI、RS232等儀器而言，具有速度快、體積小、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，因此作為硬件的主體。再選用常規(guī)信號(hào)源(SOURCE)和信號(hào)測(cè)量模塊(SENSOR)，通過(guò)GPIB和RS232總線擴(kuò)展專用和自研設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)硬件原理如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件架構(gòu)

由于PXI模塊較多，且為了今后的擴(kuò)展，選用了18槽的PXI-1045機(jī)箱；為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)平臺(tái)的集成度，選用PXI-8187零槽嵌入式控制器，摒棄了以往系統(tǒng)中利用MXI-2將工控機(jī)作為主控器的方式。PXI-8187帶有GPIB接口，可以方便的擴(kuò)展GPIB總線設(shè)備。部分儀器資源和部件需要串口通信，故選用PXI-8421擴(kuò)展4個(gè)串口。

1 信號(hào)采集

以6 1/2數(shù)字萬(wàn)用表PXI-4070和5 1/2數(shù)字萬(wàn)用表PXI-4060作為常用的測(cè)試模塊，可以測(cè)量0～300V的電壓，0～1A的電流，0～100MΩ的電阻。

示波器PXI-5112（2通道8位分辨率，100MHz帶寬）和模擬輸入PXI-6070E（16路單端輸入/8路差分輸入，12位分辨率，1.25M采樣率）配合使用，可以滿足常用的連續(xù)波和單點(diǎn)電壓信號(hào)的采集。PXI-6070E在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，前端連接了兩塊SCXI-1125，用于信號(hào)的調(diào)理（10kHz或4Hz的低通濾波、衰減）。此外，PXI-6070E還可用于控制器與SCXI機(jī)箱之間的通信。
高速DIO PXI-6534可以采集和輸出高低速離散量。特殊和復(fù)雜信號(hào)的采集處理則采用GPIB設(shè)備和RS232自研設(shè)備，如頻譜分析儀。

2 信號(hào)輸出

函數(shù)發(fā)生器PXI-5421（16位分辨率，100MS/s采樣率，帶寬43MHz）和高速模擬輸出PXI-6733（8路輸出，16位分辨率，刷新率1MHz）配合使用，可以滿足常用的連續(xù)波和單點(diǎn)電壓信號(hào)的輸出；SCXI-1124用于隔離模擬電壓和電流的輸出。

特殊和復(fù)雜信號(hào)的輸出采用GPIB設(shè)備和RS232自研設(shè)備，如交直流電源、射頻信號(hào)源、大氣數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)、模擬器等。

3 信號(hào)路由

由于大部分機(jī)載電子設(shè)備的信號(hào)數(shù)量眾多，不可能將所有信號(hào)同時(shí)直接連接到資源上，必須經(jīng)過(guò)繼電器矩陣進(jìn)行切換。因此繼電器必須有足夠快的響應(yīng)時(shí)間，才能通斷較大的信號(hào)。選用兩塊繼電器矩陣模塊SCXI-1129和附件SCXI-1333、SCXI-1339，組合成合適的繼電器矩陣（最大通斷能力150Vdc/A，150Vrms/250mA）。在信號(hào)的連接、斷開(kāi)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的自動(dòng)選擇和安全保護(hù)（避免源于源相連），我們重新編寫了繼電器矩陣驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際使用中取得了滿意的結(jié)果。

4 資源接口和適配器

資源接口是所有資源接口的集合，每個(gè)部件根據(jù)需要通過(guò)適配器連接部分資源。一個(gè)或多個(gè)UUT共用一個(gè)適配器，因此測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)UUT的信號(hào)情況，可以配置一個(gè)或多個(gè)適配器。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CVI在標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言（Ansi C）的基礎(chǔ)上增加了儀器控制和工具函數(shù)庫(kù)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件，提供了很多實(shí)用的例程，具有友好的圖形用戶界面，并且C語(yǔ)言是大家都比較熟悉和易于使用的開(kāi)發(fā)工具，因此選用CVI可以加快測(cè)試程序(TP)的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)軟件原理見(jiàn)圖2。

圖2  系統(tǒng)軟件架構(gòu)

為了方便和規(guī)范TP的編寫，TP開(kāi)發(fā)管理軟件根據(jù)輸入的測(cè)試信息自動(dòng)生成測(cè)試程序代碼框架和儀器操作代碼。測(cè)試程序編寫完成后編譯生成動(dòng)態(tài)庫(kù)，由測(cè)試程序執(zhí)行管理軟件調(diào)用和管理。在測(cè)試程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，儀器操作和虛擬儀器界面的開(kāi)發(fā)是兩個(gè)重點(diǎn)。

1 IVI儀器驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)和使用

儀器驅(qū)動(dòng)的用途是對(duì)儀器進(jìn)行程控，簡(jiǎn)化測(cè)試程序開(kāi)發(fā)人員對(duì)儀器的操作。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)與儀器耦合太緊密，儀器發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)也要重新編寫，進(jìn)而使用此驅(qū)動(dòng)的測(cè)試程序也要重新編寫和編譯。

IVI（可互換虛擬儀器）驅(qū)動(dòng)采用了類驅(qū)動(dòng)的概念，實(shí)現(xiàn)了同一類儀器之間的互換，同時(shí)增加了儀器仿真和狀態(tài)緩存的特性，提高了TP開(kāi)發(fā)調(diào)試的效率。CVI提供了方便的IVI驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具，因此可在開(kāi)發(fā)測(cè)試程序過(guò)程中選用IVI驅(qū)動(dòng)來(lái)控制儀器。

目前，IVI驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)只發(fā)布了八大類儀器的類驅(qū)動(dòng)，為了保證非IVI標(biāo)準(zhǔn)的儀器在一定范圍具有可互換和仿真功能，我們借鑒了標(biāo)準(zhǔn)IVI驅(qū)動(dòng)的機(jī)制，開(kāi)發(fā)了自定義IVI驅(qū)動(dòng)。利用IVI驅(qū)動(dòng)，我們成功實(shí)現(xiàn)了NI公司的PXI-4070卡式萬(wàn)用表與Agilent公司的HP34401 GPIB臺(tái)式萬(wàn)用表之間的互換，實(shí)現(xiàn)了不同公司生產(chǎn)的單相交流電源和三相交流電源之間的互換。

IVI驅(qū)動(dòng)采用邏輯名和XML配置文件機(jī)制，在硬件資源描述發(fā)生變化時(shí)，只需更改配置文件，不需要更改和重新編譯測(cè)試程序，就能保證測(cè)試程序的正常運(yùn)行。如果不采用IVI驅(qū)動(dòng)，就必須更改所有用到函數(shù)發(fā)生器的測(cè)試程序，將在很大程度上延誤工程進(jìn)度。

此外，利用IVI驅(qū)動(dòng)的仿真功能，使得測(cè)試程序開(kāi)發(fā)人員可在自己沒(méi)有安裝任何硬件的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真調(diào)試，提高了平臺(tái)的使用效率和測(cè)試程序開(kāi)發(fā)效率。

2 虛擬儀器界面的開(kāi)發(fā)

虛擬儀器界面提供人機(jī)接口，可以讓操作員根據(jù)需要施加信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)。CVI提供了開(kāi)發(fā)虛擬儀器界面的用戶接口資源文件(*.uir)和各種控制和顯示控件，用于模擬實(shí)際儀器界面。目前，NI LabVIEW、CVI和HP VEE是最為出色和方便易用的虛擬儀器界面開(kāi)發(fā)軟件。圖3是其中一個(gè)TPS的虛擬儀器界面。

圖3  基于磁傳感器的虛擬儀器界面

此例中，打開(kāi)激勵(lì)開(kāi)關(guān)時(shí)，PXI-6733連續(xù)輸出RMS 1.5V，頻率400Hz的正弦波作為磁傳感器的激勵(lì)；用PXI-6070E的三路模擬輸入通道同時(shí)采集磁傳感器輸出的三路航向信號(hào)（最大幅度小于100mV，頻率為800Hz），并顯示在同一個(gè)波形顯示控件中，再利用算法計(jì)算出角度，顯示在表盤控件中。由于增加了信號(hào)調(diào)理板SCXI-1125和端子板SCXI-1313，將PXI-6070E的測(cè)試范圍擴(kuò)展到2.5mV～300V，從而精確的測(cè)量了磁傳感器輸出的小信號(hào)，測(cè)算出精確的角度。

應(yīng)用成果

采用NI PXI模塊、CVI、IVI工具、MAX管理軟件，以及第三方的設(shè)備，我們成功構(gòu)建了多套通用、開(kāi)放的航空機(jī)載電子設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。利用這些系統(tǒng)成功開(kāi)發(fā)了多機(jī)型、總數(shù)量達(dá)三百多種的TPS，幫助用戶實(shí)現(xiàn)了UUT快速的定檢、維修。相對(duì)于用傳統(tǒng)儀器搭建測(cè)試臺(tái)的方式，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在效率和質(zhì)量上有了很大提高，為機(jī)載電子設(shè)備提供了有力保障。