飛機試驗中測試系統的發展與革新

魏國波 張長茂

(中國飛行試驗研究院測試所,陜西西安 710089)

飛機試驗中測試系統的發展與革新

魏國波 張長茂

(中國飛行試驗研究院測試所,陜西西安 710089)

通過分析基于DAQ體系的測試系統以及基于現場總線的網絡測試系統的應用及原理論述了當前飛機試驗中測試系統的發展現狀。在此基礎上,從硬件及軟件設計技術兩個方面論述了現代飛機的測試系統技術革新,并對未來飛機試驗中測試系統的發展趨勢進行了分析。

飛機試驗 測試系統 技術革新

0 引言

從上世紀七十年代末開始,計算機技術、網絡通信技術、微電子技術以及傳感器技術得到了迅速發展,這些綜合技術在航空領域中得到了充分的應用,陸續出現了智能儀器儀表、總線儀器以及虛擬儀器等。這部分微機及智能化設備、測試系統為計算機軟硬件充分發揮了飛機測試系統的優勢,實現了測試系統的功能豐富化目的,提高了測試系統的整體性能。在航空測試領域中,計算機及現代設備日益趨于一體化,兩者在飛機試驗中的測試工作中逐漸相互貫通,一體化趨勢日益明顯。

1 基于DAQ體系的測試系統

飛機試驗中的測試系統硬件構成體系如圖1所示,圖中不同類型的測試信號通過分布在系統各處的傳感器轉換成為對應的電信號,成為不同檢測系統必須設置的一個關鍵環節。其中,傳感器的電信號在通過調節與放大處理之后,其變成了壓力幅值在0～5 V之間的直流電信號,并通過A／D轉換之后傳輸至單片機中進行后續的數據處理。之后,單片機利用通信電路將數據傳輸至系統主機,完成最后的數據分析、測量、存儲、顯示、打印以及測試圖繪制等功能。在互聯網環境下,則還可以繼續與網絡中的計算機進行信息交換。對于以直流形式輸出的傳感器信號,則不需要設置整流濾波、交流放大等功能環節。

一個完整的現代測試系統主要包括主機、分機(以單片機為主,兼有標準化接口)以及對應的應用軟件等幾個部分。其中,分機按照系統主機的操作命令,執行傳感器測量信號的采集、數據的初步處理以及處理數據的傳輸。主機在整個系統中則負責各個子部件之間的協調,輸出需要分機執行的測量、檢測以及控制命令,便于測試結果的顯示、打印以及通信輸出。

2 基于現場總線的網絡測試系統

隨著網絡技術的發展,基于現場總線技術的網絡測試系統得到了持續發展。該種網絡測試系統主要包括前向通道、后向通道以及網絡通信三項基本功能。其中,前向通道主要包括傳感器、信號處理器、數據采集系統、微處理器幾個部分構成,能夠進行信號檢測、交換以及分析功能。

后向通道的功能主要以數／模／數轉換部件為主,其功能為:

(1)信號調制:由微處理器輸出的數字信號包含了被測量信息或者表示控制模塊輸出的信號控制量,通過轉換并調制成為現場總線中輸出的數字信號,并傳輸至執行器中進行動作的控制與執行;

(2)解調:將來自現場總線中的數字信號進行解調處理,并將之傳輸至系統的微處理器進行處理;

(3)供電:將現場總線中傳輸的交流信號進行變換處理,并將之轉換成為微處理器、數據采集模塊系統供電電源能夠應用的電源。

圖1 給予DAQ的飛機試驗測試系統硬件結構體系

測試系統的智能化現場測量儀表,例如執行器/變送器等都通過接口直接與總線相連。現場總線通過采用雙絞線、光纜或者無線的方式進行數據的傳送,當前主要以雙絞線為主。即上位機與現場的測量儀表的鏈接只需要兩根導線就可以實現通訊,這兩根導線不但為測量儀表設備提供電力支持,而且還承擔了數字化、雙向的串行通信。通過使用數字信號取代模擬信號能夠顯著提高系統的抗干擾能力,有效的延長信息的傳輸距離,從而削減測試現場與控制室之間通信設備及線路的成本耗費。當前,國際上多采用的現場總線通信標準,包括HART、FF、CAN以及LonWorks等模式。

3 現代飛機測試系統的革新技術

3.1 硬件設計技術

(1)基本約束條件

測試系統的特點主要考慮測試對象的具體大小、環境、測試物理量等。系統的需求方面則需要考慮系統的測試精度、測試可靠性、系統響應速度等。同時,設計過程中還需要考慮系統的設計成本、架設成本以及開發周期等。

(2)測試系統功能模塊設計技術

測試系統的功能模塊電路設計過程中通常使用了包括單片機、CPLD、FPGA、DSP、ASIC、SOC等在內的高集成度設計技術。通過應用低能耗的期間來降低系統的運行能耗,同時減輕運行過程中存在的干擾問題。通過使用通用、標準化的硬件能減少系統的現場安裝、調試、維護等成本,也有利于降低系統的生產成本。最后,在設備驅動程序的開發過程中,通過使用動態的鏈接來進行多層次的程序鏈接。

(3)系統設計技術

系統設計過程中應用組態技術,使用標準總線以及通用的功能模塊單元,例如程控儀設備、數控設備以及現場總線測試儀表等,這有利于降低系統的設計與研制成本,同時縮短系統的開發周期,使得系統逐步實現通用化、標準化以及組件化設計。同時,通過使用軟件組態開發平臺的方式進行開發,例如可視化開發工具等,能夠顯著降低系統的開發周期,同時能夠建立友好的系統界面。在組件的設計過程中,要根據系統的應用需求進行設計,重復考慮系統后續的升級即功能擴展,使得系統的開放性更強。

3.2 軟件設計技術

測試系統的應用軟件主要包括了測試程序、控制程序、數據庫管理程序、數據處理程序以及人機界面等。無論是具體的測試功能模塊還是虛擬設備,在設計過程中都應該保證軟件在系統存儲容量以及處理速度的限度下對應用程序進行合理設計,盡量通過軟件啦實現傳統的硬件設備功能,使得系統的硬件配置減少。信號處理以及數據處理主要包括系統的誤差分析、插值分析、數字濾波分析、數據融合技術等。同時,在人機界面設計過程中,考慮到界面是系統與外界進行信息交流的窗口,在設計過程中不但要實現對應的功能,而且要求實現功能信息的顯示效果,界面盡量人性化。

3.3 測試網絡規范

測試系統設計過程中藥遵循統一的電器規格,各設備以及傳輸的信號都需要與電氣標準相互統一。同時,設計過程中的信號線定義、信號傳輸方式的選擇、信號傳輸速度、信號的邏輯電平以及信號線纜租客等都需要給予網絡通信標準進行。