基于虛擬儀器技術的航空機載電子設備自動測試系統(tǒng)

機載電子設備自動測試系統(tǒng)需要對上百種部件進行功能測試，涉及的信號種類和數(shù)量都很多，這些信號按照頻率分為低頻和高頻兩種，按時域特性分為連續(xù)和離散信號，按照形式分為電信號和非電信號（如溫度、速度、高度、氣壓、航向等）。為滿足復雜的測試需求，我們采用虛擬儀器技術。

系統(tǒng)硬件設計

PXI模塊化儀器相對于GPIB、VXI、RS232等儀器而言，具有速度快、體積小、易擴展等優(yōu)勢，因此作為硬件的主體。再選用常規(guī)信號源(SOURCE)和信號測量模塊(SENSOR)，通過GPIB和RS232總線擴展專用和自研設備。整個系統(tǒng)硬件原理如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件架構

由于PXI模塊較多，且為了今后的擴展，選用了18槽的PXI-1045機箱；為了進一步提高系統(tǒng)平臺的集成度，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將工控機作為主控器的方式。PXI-8187帶有GPIB接口，可以方便的擴展GPIB總線設備。部分儀器資源和部件需要串口通信，故選用PXI-8421擴展4個串口。

1 信號采集

以6 1/2數(shù)字萬用表PXI-4070和5 1/2數(shù)字萬用表PXI-4060作為常用的測試模塊，可以測量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)波和單點電壓信號的采集。PXI-6070E在進行數(shù)據(jù)采集時，前端連接了兩塊SCXI-1125，用于信號的調(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。特殊和復雜信號的采集處理則采用GPIB設備和RS232自研設備，如頻譜分析儀。

2 信號輸出

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)波和單點電壓信號的輸出；SCXI-1124用于隔離模擬電壓和電流的輸出。

特殊和復雜信號的輸出采用GPIB設備和RS232自研設備，如交直流電源、射頻信號源、大氣數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)、模擬器等。

3 信號路由

由于大部分機載電子設備的信號數(shù)量眾多，不可能將所有信號同時直接連接到資源上，必須經(jīng)過繼電器矩陣進行切換。因此繼電器必須有足夠快的響應時間，才能通斷較大的信號。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）。在信號的連接、斷開過程中，為了實現(xiàn)最優(yōu)路徑的自動選擇和安全保護（避免源于源相連），我們重新編寫了繼電器矩陣驅(qū)動，在實際使用中取得了滿意的結果。

4 資源接口和適配器

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

系統(tǒng)軟件設計

CVI在標準C語言（Ansi C）的基礎上增加了儀器控制和工具函數(shù)庫的虛擬儀器開發(fā)軟件，提供了很多實用的例程，具有友好的圖形用戶界面，并且C語言是大家都比較熟悉和易于使用的開發(fā)工具，因此選用CVI可以加快測試程序(TP)的開發(fā)。系統(tǒng)軟件原理見圖2。

圖2  系統(tǒng)軟件架構

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

1 IVI儀器驅(qū)動的開發(fā)和使用

儀器驅(qū)動的用途是對儀器進行程控，簡化測試程序開發(fā)人員對儀器的操作。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動與儀器耦合太緊密，儀器發(fā)生變化，驅(qū)動也要重新編寫，進而使用此驅(qū)動的測試程序也要重新編寫和編譯。

IVI（可互換虛擬儀器）驅(qū)動采用了類驅(qū)動的概念，實現(xiàn)了同一類儀器之間的互換，同時增加了儀器仿真和狀態(tài)緩存的特性，提高了TP開發(fā)調(diào)試的效率。CVI提供了方便的IVI驅(qū)動開發(fā)工具，因此可在開發(fā)測試程序過程中選用IVI驅(qū)動來控制儀器。

目前，IVI驅(qū)動標準只發(fā)布了八大類儀器的類驅(qū)動，為了保證非IVI標準的儀器在一定范圍具有可互換和仿真功能，我們借鑒了標準IVI驅(qū)動的機制，開發(fā)了自定義IVI驅(qū)動。利用IVI驅(qū)動，我們成功實現(xiàn)了NI公司的PXI-4070卡式萬用表與Agilent公司的HP34401 GPIB臺式萬用表之間的互換，實現(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)動采用邏輯名和XML配置文件機制，在硬件資源描述發(fā)生變化時，只需更改配置文件，不需要更改和重新編譯測試程序，就能保證測試程序的正常運行。如果不采用IVI驅(qū)動，就必須更改所有用到函數(shù)發(fā)生器的測試程序，將在很大程度上延誤工程進度。

此外，利用IVI驅(qū)動的仿真功能，使得測試程序開發(fā)人員可在自己沒有安裝任何硬件的計算機上進行仿真調(diào)試，提高了平臺的使用效率和測試程序開發(fā)效率。

2 虛擬儀器界面的開發(fā)

虛擬儀器界面提供人機接口，可以讓操作員根據(jù)需要施加信號，實時監(jiān)測信號。CVI提供了開發(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發(fā)軟件。圖3是其中一個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，打開激勵開關時，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；用PXI-6070E的三路模擬輸入通道同時采集磁傳感器輸出的三路航向信號（最大幅度小于100mV，頻率為800Hz），并顯示在同一個波形顯示控件中，再利用算法計算出角度，顯示在表盤控件中。由于增加了信號調(diào)理板SCXI-1125和端子板SCXI-1313，將PXI-6070E的測試范圍擴展到2.5mV～300V，從而精確的測量了磁傳感器輸出的小信號，測算出精確的角度。

應用成果

采用NI PXI模塊、CVI、IVI工具、MAX管理軟件，以及第三方的設備，我們成功構建了多套通用、開放的航空機載電子設備自動測試系統(tǒng)。利用這些系統(tǒng)成功開發(fā)了多機型、總數(shù)量達三百多種的TPS，幫助用戶實現(xiàn)了UUT快速的定檢、維修。相對于用傳統(tǒng)儀器搭建測試臺的方式，自動測試系統(tǒng)在效率和質(zhì)量上有了很大提高，為機載電子設備提供了有力保障。