基于PXI总线的温控盒自动测试系统设计

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(北京中科泛华测控技术有限公司，北京 100192)

0 引言

飞机座舱温度电气控制的功用是对及进入座舱空气的温度进行控制，使座舱温度控制在一定范围内。滑油温度调节控制盒是滑油温度自动调节系统的关键部件，它依靠温度传感器来感受滑油温度，经控制盒放大后输出使其温度在规定的范围内[1]。温控盒的正常与否直接关系到飞机关键分系统的工作状态，如座舱温度控制系统等[2]，若温控盒工作异常，很可能引起重大安全事故。由此，温控盒本身的测试显得尤为重要。目前航空温控盒的测试普遍基于人工方式，通过操作多达6个不同量程的电阻箱来模拟外部温度传感器输入，且操作人员还需手动调整开关、观察温控盒输出指示灯状态，同时利用秒表肉眼观察起止时刻等，造成温控盒测试效率低下，关键值测试不够精确等问题。

本文提出了基于PXI总线[3-4]的温控盒自动测试系统，将模块化的硬件及软件实现方式融入系统中，使得测试过程无需人员干预，自动记录测试过程中产生的所有中间数据，便于分析和回溯，设计方案极大地提高了温度控的测试效率，提高了温控盒产品的检测能力。

1 系统整体方案设计

温控盒自动测试系统整体方案设计如图1所示。

图1 系统整体方案设计原理

测试系统基于PXI总线设计，根据温控盒测试资源配置了模拟采集模块、数字输入输出模块、高精度电阻模块等，选用了程控直流电源为被测件供电，设计了与温控盒接口电路匹配的调理电路，测试接口选用了高可靠性海量互联接插件。KVM显示器选用推拉滑锁式，连接至PXI控制器，作为人机交互接口。

2 硬件组成

2.1 测试平台

该平台由PXI机箱、PXI控制器、1块多功能数据采集卡、1块数字输入输出板卡和4块高精度电阻输出板卡组成。PXI各个模块与控制器通过一个8槽的PXI机箱连接，所有数据交互均通过PXI总线传输。

图2 系统软件开发框架设计

图1中标识的模拟采集模块用来完成温控盒供电电源实际输出电压和耗用电流的采集；数字输入输出模块具有不高于36VDC的数字电平范围，数字输入资源用来采集温控盒输出的高低电平，如某型号温控盒热灯、冷灯状态；数字输出资源用来模拟外部开关动作，根据实际接口电路，本系统部分DO输出挂接了一级继电器，用来增加输出电压范围；高精度电阻模块共有两种类型，一种为输出3通道，90 Ω to 8 kΩ，精度<10 mΩ的宽范围模拟电阻卡，用来模拟温控盒外部温度传感器不超过2 kΩ的输入，另一种为输出2通道，范围1.5 Ω to 2.9 kΩ，精度最高可到2 mΩ的低阻值超高精度模拟电阻卡，用来模拟温控盒外部传感器低于1 kΩ的输入，为了提高测试系统的通用性及可扩展能力，系统每种电阻模块各配置了2块。

考虑到模拟电阻信号传输精度问题，系统专门设计了镀银高密屏蔽线用来连接模拟电阻卡输出接口与测试台的面板插座插针，尽量降低传输损耗。

测试系统内部采用了程控直流电源，用来输出18～27 V给被测件供电，程控通信采用RS232串口协议，通过DB9电缆连接至PXI控制器。

2.2 测试接口

考虑到通用航空插头连接次数有限，通常插拔次数不超过1 000次，作为通用温控盒自动测试平台，系统设计时选用了美国Macpanel公司的LIF96系列接插件并配备了防差错机械设置，可将测试系统与温控盒的连接次数达到20 000次以上，极大提高了测试系统的连接可靠性，避免接插件的插针损耗造成系统测试精度下降。

3 软件设计

3.1 软件设计框架

系统软件开发平台选择labVIEW，它的优势在于可以和基于PXI总线的各硬件模块无缝连接，软件设计人员不需要对PXI各模块的驱动有深入了解，在开发过程中利用labVIEW提供的API即可进行程序开发，极大地提高了系统软件开发效率[5]。某型温控盒自动测试系统软件框架设计如图2所示。

软件设计上采用的模块化功能设计，根据多类温控盒测试项要求设计为子序列模式，各个子序列内含有该测试项的所有分解测试步骤，可按照不用顺序逻辑进行自由组合，便于操作人员随时检查温控盒单项功能，如检查RC回授时间，检查信号脉冲时间，检查限制器，检查固有控制以及检查积分元件传递系数等，均可根据实际要求任意组合测试，提到了系统测试的灵活性。

3.2 测试项配置

软件设计基于测试项编写不同的测试序列，通过ini配置文件使得操作人员可以实时添加测试项子项，无需了解labVIEW编程平台即可迅速完成其他各类温控盒测试项的添加。测试项配置项界面如图3所示。

图3 软件测试项配置界面

在该测试界面，可以灵活地在.ini配置文件中编辑测试项，之后根据不用的测试对象选择相应的测试项，组成测试项序列，另外也可定义测试项开始及结束条件，以便控制测试序列流程。

3.3 自动测试

系统软件自动测试界面如图4所示。

图4 系统自动测试界面

在软件自动测试界面，将以往人工手工测试的各个模拟电阻箱、外接开关等均通过图形化控件表示，RT和RK以及RKOP表示测试系统模拟的外部温度电阻输出，界面上SA1至SA12表示测试系统模拟外部各类开关状态及位置信号，包括双刀双掷、五刀三掷等各类组合开关信号，界面中部用来显示当前选中的测试项及子序列详细步骤，系统按照单步序列顺序执行，并自动判断中间数据并填写测试结果，中间测试过程无需操作人员干预，实现了测试过程的一键自动化。

3.4 软件报表设计

系统软件设计了完善的报表功能，对于各类温控盒按照测试模板要求设计了报表子项，可以动态灵活地设置诸如RT和RK以及RKOP阈值，以及模拟电阻值步长等，待实验完成后操作人员自定义选择报表子项生产测试报告，无需操作人员做任何改动或者添加即可作为报告归档，实现测试过程到报表生成的无人值守，极大地减少了以往操作人员实时记录、表格整合、数据归类等繁杂操作的工作。

4 系统关键技术点

4.1 阻值动态分段逼近闭环设计

系统使用的模拟电阻卡输出精度小于10 mΩ，温控盒对于模拟电阻的要求精度为不低于20 mΩ，且对于某些测试项有测试时间限制，因此对于测试系统而言，需考虑步长与测试速度的问题。为了有效解决这两个指标存在的矛盾，系统设计了阻值动态分段逼近算法，即对于某个测试子项，系统自动读取其起始值与阈值之间的距离，根据测试时间要求设置多个子段，在不同的子段自动匹配不同的步长调整，从而实现对于目标值的逼近。

温控盒的核心功能测试是基于模拟外部温度传感器阻值大小的调整，温控盒自身经过电路处理后会输出高低电平或脉冲状态，因此对于测试系统而言，每一个模拟电阻步长的调整都是一个闭环，且需保证闭环的有效。为此，测试系统软件设计了阻值调整与温控盒输出状态判断两个独立线程，如下图中DI Loop线程，即温控盒输出状态判断线程，循环间隔时间为5 ms，考虑模拟电阻卡输出稳定时间，下图中Resistor Loop线程中其步长调整循环间隔设置为50 ms，步长根据子段的位置系统自动匹配0.5 Ω、0.1 Ω和0.01 Ω三个档位之一。

图5 阻值动态分段逼近闭环线程

经该方法调整后，相比于固定值逼近方式，动态分段逼近的闭环设计使得测试时间缩短了60%，且每个闭环均为有效调整，阻值阈值的读取误差不超过1个调整步长。

4.2 温控盒输出闪烁状态的低延时处理算法

一般温控盒状态的输出分为两种，一种是输出高低电平，长高或者长低，一种是输出脉冲电平，且输出频率不定(最小脉宽不低于100 ms)。对于第一种输出方式，采用通用的数字采集模块即可完成状态获取，而对于第二种输出方式，需考虑除了获取到是脉冲电平信息外，还必须限制获取到该信息的时间。在上节中已对温控盒模拟电阻调整及状态获取过程进行了说明，模拟电阻的调整间隔为50 ms，若在该段时间内未能有效判断温控盒状态输出情况，那么模拟电阻值自动加一个步长，依次类推。当系统分析确认温控盒输出的是脉冲电平时，记录此时的模拟电阻阻值作为实际触发温控盒报警或消警的阈值，这样在系统判断结果与模拟电阻的调整很可能出现十几个、甚至几十个步长的偏差，导致测试结果不够精确。

为此，系统设计了一种低延时处理算法，即首先通过DIO板卡监测到脉冲电平的上升沿，由于将数字输入板卡设置了不低于1 kS/s的采样率，在模拟电阻输出间隔50 ms内系统获取的上升沿之后的数据点不低于20个，为了提高判断可靠性，在采集脉冲电平时滤除可能在极端干扰情况下出现的异常点，通常尖峰干扰在ms级，本系统按照10 ms处理，由此系统获取的实际数据点为不低于16个，这样系统自动判断该数据点是否全为高电平，若是，那么下一个间隔50 ms内模拟电阻暂不调整步长，数字输入板卡继续采集后续数据，相同的方法判断实际数据点是否全为低电平，若是，则认为采集到了包含第一个上升沿的脉冲，记录此时的模拟电阻输出值即为实际触发温控盒报警或消警的阈值。该算法可有效降低脉冲输出方式的判断延时，提高了测试系统的精度。

当然也可通过增加采样率的方式提高判断的样本点数量，不过获取样本点的时间将会延长，二者也是互相制约的关系，可根据实际具体情况做适当调整。

5 实验结果与分析

测试系统目前实现了两种型号温控盒的自动测试，模拟电阻测试在步长0.1 Ω和0.01 Ω档位时记录阈值精度小于0.01 Ω，耗用电流测试精度小于2 mA，诸如回授时间常数的时间测试精度小于0.4 s，单项测试时间小于30 s。本系统相比较传统手动测试的电阻阈值精度提升了超过50%，时间常数测试精度提升了200%，产品整体测试时间缩短了35%，一键自动测试及报表自动生成也大大降低了人工的投入。

6 总结

综上所述，本文提出的基于PXI总线的温控盒自动测试系统基于模块化设计，配合其外围模块，如程控电源、KVM显示器等实现了通用飞机温控盒的测试；同时提出的阻值动态分段逼近闭环设计及输出闪烁状态的低延时处理算法有效提高了温控盒测试过程中的速度及测试精度，且系统智能化程度高，易于以后系统的升级及扩展，同时对温控盒的产线测试提供了可借鉴的技术手段。

[1]郝世勇，战祥新.某型飞机温控盒综合试验器的研制[J], 科技信息,2012年第11期:113-114.

[2]官 颂，邱吉超，杨建忠，等.民用飞机座舱温度异常事故仿真研究[J],微型电脑应用,2014年第30卷第11期:12-19.

[3]范利军，王永杰，刘 恒，等.基于LabVIEW和PXI的某装备组合故障诊断系统设计[J]，计算机测量与控制，2015,23(12)：4089-4093.

[4]徐圣法，佟 雷，李树明，等.基于PXI的多通道动态电阻测试与校准技术的实现[J]，计测技术，2016,36：239-241.

[5]陈锡辉，张银鸿. LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,2008.