基于PAWS的航空电子系统通用自动检测设备设计

文/王凯 陈德军 宋帆 徐卓

（航空工业直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001）

现代军用飞机任务种类多，需要大量采用各种先进的电子设备，使得军用航空电子系统变得日益庞大且功能复杂，给使用中的维修和保障提出了更高要求。装备的故障诊断成为影响战备完好性、使用和保障费用高的主要因素[1]。随着电子仪器自动化水平的提高，自动测试系统在包括军用电子设备的各种工业产品的测试应用中得到大力推广。传统的航空电子设备专用检测设备需要根据各分系统的任务载荷有区别的选择测试资源来构建测试系统，需要设计专用的测试软件[2]。航空电子系统分系统多，针对每一分系统单独设计专用检测设备周期长、投入大，使用过程中对空勤人员也提出更高的专业化能力，大大制约保障效率。伴随军用飞机及武器系统功能从单一到多样的发展过程，美国军用自动测试系统也经历了从有限通用到技术通用的全系统标准化演进过程[3]。目前国内军用ATS（Auto Test Systen）在型号科研的推动下进入规范发展的阶段。形成了基于VXI总线、PXI总线、USB总线以及LXI总线等的成熟测试系统应用，如文献[3]提出了一种基于PXI总线的通用导航设备检测平台的设计，文献[4]设计了一种采用PXI模块化仪器针对飞机飞行控制系统的通用测试平台，文献[5]提出了一种针对雷达分机的自动测试系统设计方案，文献[6]开发了一种多总线融合的机载火控雷达生产线自动测试系统。国内研制的各种机载电子设备测试系统大多针对单一任务系统，仍存在通用化程度、标准化程度、信息化水平不高的问题[7]。

ATLAS作为自动测试领域的一种高级语言能够用来描述独立于任何具体测试系统的测试流程，在自动测试领域得到广泛应用[8]。在美国三军ATE计划中的海军综合自动化保障系统(CASS)选用TYX公司研发的PAWS作为软件开发平台成功的运用ATLAS语言实现了美军中最成功的军用电子设备测试保障系统。鉴于PAWS开发平台与ATLAS语言在自动测试系统中的优异性能，本文提出了一种基于PAWS平台的融合多种总线测试仪器的航空电子系统通用自动检测设备的设计方案。该设备已在国内直升机型号研制中得到实际运用，能够兼顾某型直升机各种电子任务载荷系统的检测需求，大大提高了该型直升机的现役保障与返厂维修效率。

1 自动检测系统总体架构

航空电子系统自动检测设备由硬件平台和软件系统两大部分组成。硬件平台主要包括主控计算机、测试资源平台、各被测件适配器(TUA)三大部分组成。其中，测试资源平台是整个自动检测设备硬件的主干部分，由1553B总线类仪器、GPIB总线类仪器、VXI总线类仪器、ICA阵列接口、ITA测试接口组件组成。VXI总线类仪器由VXI总线零槽控制器、VXI总线测试仪器板卡、VXI总线开关板卡组成。测试资源平台各仪器的输入输出信号引脚通过直通导线与ICA阵列接口的各信号孔相连。各被测件适配器的主要功能是用于航空电子系统各被测件(UUT)的信号引脚与平台测试资源固定的ICA阵列接口进行匹配耦合，测试单元适配器通过各自的ITA测试接口组件与测试资源平台的ICA阵列接口组件对接。主控计算机用于自动检测设备的人机交互，完成所有测试任务的执行、控制与管理任务。为实现这些功能，计算机需安装与VXI零槽控制器通讯的1394总线通讯卡，与GPIB测试仪器通讯的IEEE488总线通讯卡，与1553B测试仪器通讯的1553B总线通讯卡。计算机软件则需安装VISA库，ACCESS数据库，配置所有硬件资源的底层驱动和TP运行环境组件。设备的总体结构如图1所示。

2 系统软件设计

2.1 软件总体功能

作为一个系统从整体到部分的划分，软件架构用于描述直接构成系统的各抽象组件，各组件之间连接明确。自动检测设备软件需要实现的主要功能是能够为用户根据具体的被测对象的测试指标对测试所需的仪器设备进行自动配置，获取测试数据并根据测试结果进行故障定位。由此，自动检测设备软件应具备良好的人机交互功能，自动化的测试资源配置能力，快速的故障隔离定位能力。该检测设备系统软件主要由如下功能模块组成：人机交互客户端、测试程序集及仪器设备驱动。检测设备各软件模块之间的调用关系如图2所示。

人机交互客户端可用于平台的使用权限管理，测试程序集的管理以及测试过程信息的管理，但人机交互客户端的主要功能是完成被测件测试程序具体测试动作中与测试设备驱动的衔接，根据测试程序中的具体测试动作的技术指标指导仪器设备驱动进行相应的操作如仪器设备的激励和测量。测试程序是具体被测件测试需求流程化后用测试语言ATLAS的表达。被测件功能性能不一样导致被测件的测试程序的差异。航空电子系统电子设备种类繁多，且该检测设备具备通用性，能够兼顾各被测件的测试要求，对各被测件的测试程序进行管理成为人机交互客户端需要考虑的一个重要方面。设备驱动则根据各测试仪器能够实现的激励与测量的功能对仪器的各种功能按照特定步骤进行固化，并设置对外的输入输出接口。仪器设备的驱动能够根据测试程序的测试要求对具体设备进行特定的动作，如将激励数据下传至设备将测量信息反回给客户端显示。

图2：系统软件模块调用关系

2.2 人机交互设计

自动检测设备客户端软件用于系统的人机交互，整个客户端软件由ACCESS数据库、TP管理模块、测试报告管理模块、用户权限管理模块、测试日志管理模块等组成。如图3所示。

ACCESS数据库用于整个系统使用过程中信息的存储，按存储的信息分类，ACCESS数据库包含UUT信息表、TP信息表、测试报告信息表、用户信息表、日志信息表。UUT信息表用于存储UUT的中文名称，型号，生产厂家及年月，产品序列号等信息。TP信息表用于存储各被测件(UUT)的测试程序(TP)及其编制人员，版本号，编写年月，版本修改说明等信息。测试报告信息表的主要功能是存储TP运行后生成的测试报告测试时间和对应的被测件型号等信息。用户信息表用于存储所有可以登录客户端软件的用户名、用户密码、用户权限的信息。用户权限分为管理员用户和普通用户。管理员用户具备操作客户端软件所有功能的权限，包括添加删除用户信息等操作，普通用户只限于运行TP，查看测试报告和浏览客户端软件运行日志等操作。客户端软件的登录运行等信息则存储于日志信息表中。

客户端软件功能模块中的TP管理模块的主要任务是完成被测件TP的加载运行，UUT目录信息显示以目录树的形式显示航空电子系统所有被测件名称或型号，点击相应的被测件后再点击TP加载则导入需要的TP。平台自检模块用于TP运行前平台状态的检查。测试报告管理模块完成测试报告的查找浏览打印等需求。用户权限管理模块对客户端软件的使用者进行管理，可以添加用户，删除用户，更改用户密码和权限。用户使用测试日志管理模块可以浏览客户端软件以往的运行使用信息，打印报告。

2.3 仪器驱动设计

图3：客户端软件结构

图4：自动检测设备外形

自动测试系统在执行ATLAS测试程序时是通过ATLAS翻译器将测试语言翻译成特定测试仪器的特定能力动作的一个组合，并通过PAWS软件的RTS服务器驱动这些测试仪器来完成实际的动作序列实现测试任务。在PAWS软件平台下，采用两种仪器驱动方式：(1)使用MATE CIIL语言(宏语言)，该语言是ATLAS编译器输出语言，ATLAS动词被分解为单动作动词并映射为一系列的宏调用，仪器的驱动通过BIF(Built in Function)完成；(2)使用通用编程语言C/C++，在此情况下，PAWS把宏进一步映射为C/C++语言编写的函数。

由于各种仪器设备功能的差异，对仪器设备进行驱动开发需对其功能进行准确描述。通过测试资源能力描述，ATLAS翻译器才能将测试动作映射到具体的仪器设备。在仪器进行描述之后才能进行驱动程序的开发。PAWS平台在开发测试程序前需开发设备库DDB、开关库WDB和适配器库ITA，其中设备库用于对测试资源的能力描述。依据对设备的能力描述，开发设备驱动程序生成单个设备的驱动程序的包装文件(WCEM)，该包装文件与TPS及DDB、WDB、ITA等数据文件配合即可驱动设备完成测试。

PAWS开发平台中使用DDB库对测试仪器进行描述，描述内容包含静态定义(static definition)和动态元素(dynamic elements)两部分。仪器的名称及量程属于静态定义描述，仪器的各种功能能力则用动态元素来区分。具体来将，DDB库通常按以下5部分进行描述。

（1）设备名称：区分仪器的逻辑名称；

（2）连接端口：设备连接端口逻辑名称，与ATLAS测试语句中的端口相对应；

（3）功能描述：使用名词和动词等关键字描述设备的单个具体功能；

（4）修饰符范围：对设备能力范围进行限定，包括数值和范围；

（5）宏动作语句：将ATLAS单动作动词与设备数据库中对应的宏链接起来。如果使用WCEM方式，WCEM向导将对每个设备调用的C函数创建链接。

采用WCEM方式开发驱动，在对仪器设备进行DDB库描述建立对应该仪器的DDB文件后使用CEM Wizard依据该DDB库将自动生成C语言文件的WCEM驱动程序框架，开发人员使用自动化仪器设备的API接口在该框架内实现设备的控制和驱动。经过PAWS开发平台编译链接后即可生成与该仪器DDB库相映射的WCEM.DLL文件。

3 系统平台设计

3.1 仪器设备选型

本文提出的通用检测设备平台仪器主要包括：数字仪器、开关资源、电源模块、射频仪器、测量仪器等。数字仪器完成数字信号的发送、接收及处理，包括数字I/O、A/D、D/A、429总线卡、422总线卡、1553B总线卡。开关资源主要用于为TUA和仪器资源之间提供连接，通过开关资源实现UUT激励和测量信号在仪器资源上的匹配，本平台用到的开关资源有单刀单掷开关、C型开关、多路开关、矩阵开关和射频开关等。电源模块提供UUT所需的各种电源，由可编程电源模块实现。射频系统完成对雷达、无线电等的测量，主要设备有射频信号发生器、频谱分析仪、功率计等。测量仪器对输入平台的信号进行测量，由数字多用表、综测仪、示波器等组成。

3.2 硬件平台设计

自动检测设备硬件平台包括主控计算机、测试资源仪器和各被测件适配器等。主控计算机的主要功能是运行自动检测设备系统软件，执行测试程序，对平台硬件资源进行配置、管理及控制，管理测试过程数据。为了保证通用性，测试资源的配置必须满足所有被测对象的最大需求。测试资源选型时首先选用VXI、PXI或LXI等标准总线类仪器，如无法满足需求则考虑使用GPIB接口的台式仪器。平台各设备的信号输入输出接口通过连线引到平台ICA上。被测件适配器TUA是被测对象与平台ICA之间的连接结构，其功能是将各被测对象专属信号转接成公共接口信号，是被测对象信号的预处理装置，以便通过ICA输送到仪器设备中，方便自动测试过程的实现。适配器主要由箱体、ITA、内部连线和识别电阻组成。箱体采用框架结构，所有面板均可拆卸，便于TUA内部组件安装与维护。前面板安装航插接口，用于连接测试电缆，每个接口下方有相应的接口标识。内侧框架上固定可拆卸信号调理电路板的安装架。整个TUA前面板航插的针脚通过TUA内部连线引到TUA背板ITA上与平台ICA对接。为了防止在测试时安装错误的TUA和被测件，TUA内部加装识别电阻，TUA识别电阻与被测件的测试程序TP对应。TP在设备不加电的情况下识别出安装在TUA的识别电阻阻值，如果识别电阻测试不通过则TP跳出运行并给出提示。

考虑资源体积与使用场景的要求，平台硬件使用19英寸标准机柜安装，如图4所示。机柜左、右侧壁开有信号连接口，用于安装信号连接装置，实现机柜间信号连接。由于该套自动检测设备兼顾多个型号机型的测试需求，具有很好的通用性，导致该检测设备仪器设备较多，需使用4个机柜安装。机柜内每台仪器独立安装，独立密封。机柜内仪器的电源和信号集中到Hypertac公司的H系列连接器上，通过电缆在机柜间连接，最终汇集到ICA上。

4 检测设备实例应用

图5：UUT测试对话框及运行结果

通用自动检测设备需要能够兼顾某型号直升机各型电子设备的检测需求，各电子设备的测试过程由与其对应的单个TP程序完成。检测设备对各被测对象(UUT)的TP进行管理，其人机对话窗口如图5所示。选择测试对象时可根据显示UUT名称或显示UUT型号，下方树状目录将显示各UUT的名称或型号。在树状目录中选中要测试的UUT，点击左下角加载按钮，则该UUT的TP将导入RTS服务器，TP在RTS中运行时的打印信息将显示在图5对话框的测试过程信息显示框中。如图6所示是进行飞控计算机测试时，TP打印的测试过程信息。如图5所示，在自动检测设备开启后进行飞控计算机测试前TP会给出测试前准备信息，主要工作有安装TUA连接设备。在设备安装无误之后，TP开始进行飞控计算机测试。首先TP程序要控制平台电源给飞控计算机通电使飞控计算机进入运行状态。上电过程中RTS根据TP中的上电程序代码从ATLAS设备库中分配电源资源并调用该资源的底层驱动与平台电源通讯执行对应动作。上电之后，通过TP程序中使用万用表测量飞控计算机电压输出引脚的电压确定上电是否完成，RTS调用万用表资源的过程同调用电源资源的过程。万用表测得正常电压后在测试过程信息中显示“27V输入电源正确！”后进入后续与飞控计算机的握手测试。握手测试过程中，TP驱动ATE平台RS422总线仿真卡向飞控计算机发送“7F7F7F”命令字，飞控计算机进入维护测试模式后向外发送“8A8A8A”状态字。TP驱动平台RS422总线卡处于侦听状态，当接收到飞控计算机返回的状态字后将测试过程信息显示在测试过程信息显示界面上。经实际使用验证，该检测设备能够完成某型直升机所有电子设备的功能及性能的测试要求。

图6：UUT测试过程信息

5 结论

随着飞机设计研发水平的不断提高，飞机上的航空电子功能的不断增强，对航空电子设备故障的维修检测工作提出了更高的要求。研发高性能的通用自动化航空电子系统综合检测设备是目前飞机维修保障设备研制的一个重要方向。本文提出了一种采用PAWS开发平台使用ATLAS测试语言的综合检测系统。该系统硬件使用VXI总线、GPIB总线和1553B总线等多种总线自动化仪器集成，在PAWS平台下使用各自动化仪器提供的API接口函数对各仪器的功能进行再次驱动封装，使各仪器能够适应ATLAS测试程序的测试动作要求。经过某型号飞机的实际使用验证，该设备用于此型号飞机航空电子系统的维修保障可提高航空电子设备故障检测的自动化水平和故障检测隔离率。