一种通用航空测试仪的设计方法

秦硕

（1.空军航空维修技术学院，湖南长沙，410200；2.湖南省飞机维修工程技术研究中心，湖南长沙，410200）

0 引言

采用航空测试仪器对机载设备进行维修和测试，是确保飞行安全的重要环节和举措[1-2]。目前航空测试仪很多采用NI 公司的PXI、NXI 等测试总线，该总线结构硬件测试资源丰富，但是产品成本较高。本文基于嵌入式技术，提出了一种分布式低成本的通用航空测试设备结构，设计了信号分配主板、功能电路板等，大大降低了测试仪器的成本、减小了设备体积。

1 设计需求分析

在航空测试系统中，对一个机载设备进行功能检查，通常需要模拟该系统的电气工作环境和条件，并且需要对系统的输出信号进行检测，从而判断机载设备的性能[3-4]。对于飞行控制系统的检测，要模拟惯导系统向飞控系统提供飞机的航向角、飞机的位置、飞机偏离预定航线的距离等信号；要模拟大气机向飞控系统提供的飞机高度、速度等信号；要模拟航姿系统向飞机提供的飞机滚转角、俯仰角和航向角等信号。这些信号通常以各种电压、电流、同步器或总线形式传送，测试仪器需要能够对RS422、ARINC429 和1553B 等各种通讯接口进行测试、产生被测设备需要的电流信号、电压信号、角度信号，同时对被测设备输出的电压、电流、开关指令、总线信号等进行检测。

2 测试仪总体结构

由于航空测试需求复杂，很多检测仪器都是针对被测设备专门设计，每一台测试仪器满足一个被测设备的测试需求，导致航空测试仪种类多、数量大，通用性和扩展性不强。针对以上问题，提出了一种模块化的航空测试仪设计思想：功能划分模块化、通讯接口标准化、供电接口统一化。在模块化设计思想指导下，航空测试仪电路结构由底板，控制板、多个功能板和电源模块等组成。底板负责向各板卡供电和进行信号分配，功能板在控制板的控制下产生各种测试信号。系统结构图如图1 所示。

图1 测试设备电路板安装示意和实物图

图1 中，左边是示意图，右边是实物图。航空测试仪机箱内部包含CPU 控制板、底板、各功能板卡（通讯板卡、继电器板卡和模数转换板卡等），各板卡通过96 针高密插座安装在底板上，底板通过96 针高密插座向各功能板和控制板提供电源和控制信号。该电路结构可以根据不同的测试需求，更换测试功能板，从而实现航空测试设备的快速开发、系统升级。采用该方法实现了测试仪的可扩展性，可根据实际情况和测试需要增加、减少功能板卡。当测试仪器出现故障时，只需要更换相应的板卡，极大地提高了设备的维护性。

3 硬件电路设计

■3.1 系统结构框图

根据系统结构，提出硬件电路的结构如图2 所示。

图2 测试仪硬件结构图

图2 中，下位机控制板负责和上位机通讯，接收控制命令，并将交互式信息发送至底板；底板信息包括CAN 总线（负责和各功能板上的CPU 板通讯）、电源线和GPIO地址线、数据线，这些信号通过96 针高密插座和各功能板连接，控制板通过设定的地址区别各功能板，通过数据线向各功能板发送控制指令，或接收来自功能板的信号；各功能板对控制板发送的地址信号进行译码，从而接收对应的控制指令和数据信号，并对控制指令进行响应，对数据信号进行处理，产生相应的输出信号，或将采集的信号转换成数字量发送回控制板。功能板包括STM 单片机小系统和转换芯片构成的485 接口、422 接口通讯板、模拟量输入输出板、以及由FPGA 译码电路构成的干触点输入输出板等。该电路结构能够很容易的实现功能扩展和模块化设计。

■3.2 内部信号接口电路

功能板和底板的通讯接口电路接口形式为96 针高密插座。包含总线信号、数字信号和供电电源，信号分配如图3所示。

图3 内部信号接口电路图

图3 是各功能电路板和底板通讯接口模块，图中JIN1插座上包含了CAN 总线信号、电源信号和GPIO 信号，其中GPIO 信号包含地址总线和数据总线，由D1 至D24 构成，将D1 至D8 分配为地址线，D9 至D24 设为数据线，通过功能板上的FPGA 对地址线进行译码，确定每个命令发送对象，通过数据线确认命令内容。避免了直接采用GPIO 引脚去控制继电器和电流信号的产生芯片，将面临引脚难以分配和编程的混乱，且占用GPIO 引脚过多。信号接口的标准化，对于设备的扩展和模块化设计提供了基础。

4 软件设计

测试系统软件包括上位机测试程序和硬件底层驱动程序，上位机测试程序提供人机测试软件界面和系统控制功能包程序块等，硬件底层驱动程序包括422/485 通讯模块、数模转换模块、系统自监测保护等。测试软件流程图如图4所示。

图4 测试软件流程图

上位机人机界面程序运行后，通过选择测试功能，发送相应的测试信号，比如选择RS422 通讯测试，进入通讯测试界面，下位机接收控制指令，向相关功能板卡发送控制指令和接收传回的数据，并将数据发送至上位机进行显示。上位机测试软件DEMO 界面如图5 所示。

图5 测试仪主界面示意图

图5 是一种航空测试仪的软件界面，包含使能控制模块、警告灯状态模块、总线信息显示模块等。其中使能控制按钮，按下状态表示使能信号输出，此时该按钮为绿色，没有输出为红色。告警灯信号表示输入开关量信号，当有输入信号时，该灯变为红色。总线信息显示框，显示422 或232 等数据总线接收和需要发送的信息。

上位机、测试仪器和被测设备，通过测试电缆连接，接通测试仪和被测设备电源，启动上位机进入计算机控制软件，开始测试，连接关系如图6 所示。

图6 测试连接示意图

5 总结

提出了一种分布式通用航空测试仪的设计方法。设计了集中供电和信号分配的底板，统一和规范了控制板、底板和功能板卡的电气接口，实现了航空测试仪的模块化、通用化和可扩展设计；通过基于虚拟仪器的软件设计方法，设计了某航空测试仪上位机的测试软件界面；采用FPGA 和ARM 相结合的方式，设计了功能板卡的核心电路，并采用MDK5 等开发环境开发了底层硬件驱动。该设计方法降低了测试仪的硬件开发难度和成本，提高了测试仪的可靠性和可维护性。