平流層飛艇電源系統自動化測試平臺

于智航，楊　暘，李　釧，許　薇

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

平流層飛艇電源系統自動化測試平臺

于智航，楊暘，李釧，許薇

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

平流層飛艇電源系統電壓高、功率大、工作模式復雜，測試所需設備數量多、種類繁，采用手工操作設備的方式進行測試效率低下，易出現誤操作，存在安全風險。提出了一種以軟件為核心的自動化測試平臺，設計了通用設備及操作模型和接口，實現了各類測試設備的分布式運行和集中控制，可按照預先設定的腳本自動進行測試操作和結果判讀。闡述了測試平臺的實現原理、體系結構等內容。分析結果表明該系統具有自動化程度高、操作簡單、測試過程精確、一致性好等優點，有效提高了測試效率，降低了測試成本和風險。

平流層飛艇；電源系統；自動化測試；軟件

平流層飛艇是為滿足偵察監視任務的需求而研制的，同時也可以作為一定空域的通訊平臺應用，升空高度達到平流層，需要長時間留空。為此其電源系統采用了太陽電池陣/蓄電池組聯合供電、半調節母線的拓撲結構，發電裝置為太陽能薄膜電池，儲能裝置為鋰離子蓄電池組，通過能源管理器對母線進行調節控制，保證為飛艇各負載可靠供電。平流層飛艇電源系統額定功率近十萬瓦，直流母線電壓達到幾百伏，蓄電池組由數百節單體電池組合構成。

平流層飛艇電源系統如果采用手工操作各種儀器儀表的方式進行測試，主要存在如下幾個問題：(1)測試工序繁，測試過程中需要進行大量的手工操作，測試時間長效率低；(2)安全風險高，測試人員直接接觸高壓測試設備，稍有失誤人身和產品安全均會遭受威脅；(3)結果判讀難，需要測試的電壓、電流、溫度等數據超過600個，無法依靠人工判讀；(4)測試精度差，由于操作、判讀等環節存在人為因素，操作執行時間、讀數等精度指標不能保證；(5)報告生成慢，需要測試完成后逐條整理測試記錄，難以及時形成測試報告。

為了解決上述難題，項目工程組自行設計搭建了一套自動化測試平臺，實現了平流層飛艇電源系統功能、性能的自動化測試。測試人員可以按需配置測試設備，將測試細則中一系列操作步驟、結果判斷條件及處理方式輸入系統，形成測試腳本。測試平臺可依次執行腳本中各條命令，實時顯示測試結果，自動完成測試流程并輸出測試報告。航天產品相關測試規程制度規定，產品測試過程需要雙崗執行。為了遵從此項要求，同時考慮到測試中需要同時監控多種測試設備，本測試平臺還具有網絡多用戶終端及用戶管理功能。

1　主要研究內容

1.1平流層飛艇電源系統測試環境及原理

平流層飛艇電源系統測試環境可分為被測產品、測試設備兩個主要部分。測試環境及連接方式如圖1所示。

如圖1，被測產品包括能源管理器、電源變換器(前DC和后DC)、母線功率開關盒和蓄電池組。其功能分別為：

(1)能源管理器是電源系統的控制核心，可對太陽電池陣輸出的多余功率進行分流調節、控制蓄電池組的充/放電、遙測/遙控智能管理，完成一次電源系統的控制，實現能源供給子系統的測控功能。

(2)電源變換器用于對一次母線進行二次變換，將一次母線電壓變換為直流28 V電壓，為飛艇低壓負載供電。

(3)母線功率開關盒的功能主要是實現了手動控制功率母線的通斷和能源管理器二次電源加退電。

(4)蓄電池組是電源系統的儲能裝置，在太陽陣供電充足時充電，供電不足時放電，保證供電穩定。

測試設備包括太陽電池供電陣、充電陣，鋰離子蓄電池組、應急電源，地面供電、測試上位機和數據采集器。其中太陽電池供電/充電陣、地面供電均采用高壓直流電源模擬；負載選用大功率高壓、低壓電子負載；應急電源采用低壓直流電源；數據采集器配置為多路，監測直接遙測測量；測試計算機通過RS422接口與能源管理器連接，通過上位機軟件發送遙控指令并接收遙測數據。

飛艇電源系統電測試基本原理是：根據測試項目，設置測試設備初始狀態，改變測試設備參數或發送遙控指令，而后讀取遙測參數和測試設備讀數，與測試預期結果進行比較，判斷并記錄測試結果。

圖1　測試環境構成及連接

1.2平流層飛艇電源系統自動化測試平臺設計

根據飛艇電源系統測試環境和測試原理，針對手工測試中遇到的問題，設計了自動化測試平臺的主要功能，包括：

(1)測試環境配置。根據測試項目，選擇測試設備的類型和數量，設置連接方式，指定名稱，搭建測試環境；

(2)測試環境檢測。對測試設備進行檢測和初始化，保證測試環境完整，控制通道連接正確；

(3)測試設備控制。通過計算機遠程控制所有測試設備，替代測試人員手動操作，并讀取設備運行參數；

(4)測試腳本編輯。支持各種測試操作序列化，即將測試操作、結果判讀規則及處理方式，按照特定語法保存成腳本文件；

(5)測試腳本執行。自動化執行指定的測試腳本，執行結果實時顯示，執行過程可以隨時停止、暫停、繼續或單步執行；

(6)自動生成報告。測試過程中的指令和數據可自動存儲，測試完成后生成測試結果報告；

(7)多機遠程監控。支持多用戶終端同時監控測試過程，用戶可按級別指定權限，管理員用戶可管理其他低級別用戶。

為實現計算機遠程控制各種測試設備，需要采用通信總線將其與計算機進行連接。考慮到項目采用的測試設備規格，采用了GPIB轉LAN接口網關將直流電源、電子負載和數據采集器等設備接入局域網，局域網還連接著作為中央控制服務器、各控制/監視終端及測試上位機的各臺計算機，如圖2所示。

圖2　測試設備連接

1.3電源系統自動化測試軟件設計與實現

測試平臺的核心是測試軟件，與其他硬件部分有機結合共同組成了完整的平流層飛艇測試平臺。美國NI公司的圖形化編程語言LabView具有開發效率高、可維護性強、便于進行儀器控制等優點，因此本項目采用LabView作為軟件開發工具。測試平臺軟件采用“客戶端-服務器”架構，服務器軟件運行在中控服務器上，客戶端分為控制和監視兩類，分別運行于控制終端和監視終端上。服務器與客戶端軟件的通信承載于TCP和UDP協議上，前者用于維護用戶狀態，后者用于廣播測試運行數據。

服務器軟件按照功能分為以下五個功能模塊：

(1)CONFIG模塊

完成測試環境配置功能。測試人員可通過此模塊輸入測試設備的名稱、類型、連接地址。各類測試設備在軟件中被抽象成統一的通用模型。模型對應的數據結構為“簇”，包含設備名稱、設備類型、連接句柄、設備版本號和通道信息。不同類型的測試設備有不同的通信方式，如直流電源等通過GPIB總線連接的設備，連接句柄中保存該設備的VISA地址，而測試上位機對應的連接句柄則為IP地址。測試環境信息可保存至xml文件，或從文件中加載、編輯，方便再次使用。

(2)EDIT模塊

完成測試環境檢測，并提供腳本編輯界面。模塊運行時首先遍歷測試環境中所有的測試設備，向其發送檢測指令，若得到回應則認為設備及連接正常。成功通過檢測的設備，將作為所屬設備類別的子節點顯示在用戶界面的樹狀列表中。測試人員選中該設備節點，軟件將提供此設備可用的指令列表。選擇一條指令并填寫指令參數、延時時間、判斷方式等信息，點擊“添加”即可針對該設備向測試腳本中添加一個測試步驟。

測試腳本是若干個測試步驟構成的序列。測試步驟同樣抽象為“簇”，記錄步驟序號、設備名稱、類型、連接地址、指令名、參數值、返回值、延時時長、結果比較模式、上下限閾值、比較結果、錯誤處理方法、跳轉步驟號等信息。測試腳本可保存為Excel文件，利于進行批量修改。

測試人員可以根據測試細則中的測試項編寫腳本。例如某項測試要求“蓄電池供電，負載1 000 W時母線電壓應在99～101 V范圍內”，可編寫測試腳本如表1。

表1　測試腳本示例

(3)RUN模塊

測試腳本編寫完成后，被傳遞給RUN模塊執行。本模塊依次讀取并執行腳本中的各步驟，并生成測試報告。每個測試步驟都進行“執行指令-延時-讀取返回值-判斷-錯誤處理”這5步操作。以表1給出的腳本中步驟3為例，軟件首先根據設備名確定設備類型為“上位機”，調用對應的連接驅動程序，通過socket發送指令“讀取放電開關狀態”，參數為“1”號開關；等待1 000 ms后，讀取socket中的返回值；判斷返回值是否等于“ON”；若等于ON繼續執行下個步驟，否則執行第“5”步。測試步驟執行的時刻、指令、參數、返回值、判斷結果等均實時保存在測試記錄中。一個腳本執行完成后，若所有步驟均未發生錯誤，則自動判定為通過，否則給出失敗提示。測試記錄可以保存成Excel文件，形成測試報告。

(4)NETWORK模塊

本模塊是底層網絡引擎，完成服務器初始化，通過UDP廣播步驟執行狀態，偵聽TCP端口，接受客戶端連接。

(5)ADMIN模塊

完成用戶管理功能，可以查看連接的客戶端、權限、IP地址等信息，也可中斷指定客戶端的連接。

客戶端軟件顯示運行時首先登錄界面，根據輸入的用戶名、密碼確定用戶權限，可以控制或監視模式運行。控制模式的客戶端具有腳本編輯和腳本執行功能，客戶端對腳本的修改及對測試進程的控制，會立即同步到服務器端。而監視模式的客戶端則只能接收服務器端發來的測試運行數據，同步顯示測試過程和結果，不能控制測試過程。服務器、控制和監視軟件相互配合單步執行測試腳本，即可以實現雙崗確認測試操作，保證測試過程符合相關規范要求。確定測試腳本正確無誤后，重復性的測試，如健康檢查、環境實驗前后的電測試等即可采用自動執行腳本的方式快速完成。

1.4電源系統自動化測試平臺應用分析

結合平流層飛艇電源系統自動化測試平臺的實際應用要求，工程組對測試流程進行了梳理分析，制定了標準化的測試流程，如圖3所示。

自動化測試平臺(見圖4)在平流層飛艇電源系統電測試中的應用將顯著提高測試精度和準確性，減少測試時間和人力投入，主要因素對比分析如表2。

圖3　標準化測試流程

圖4　測試平臺實景

表2　效果對比

2　結論

在本項目設計和實現過程中，項目組充分考慮了平流層飛艇電源系統測試在自動化、可靠性、實時性、安全性和易用性等方面的要求，成功研制了一套自動化測試平臺，其功能性能均達到設計指標。分析表明該系統在滿足電性能測試要求的同時，能降低測試成本提高測試效率，可以投入某型平流層飛艇電源系統測試中進行實際應用。

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Automatic test platform of stratosphere air ship power system

YU Zhi-hang,YANG Yang,LI Chuan,XU Wei
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The power system of stratosphere air ships has the characteristics of high voltage,high power and complicated work modes.The demand of test devices is large both in quantity and type.The Manual manipulation test is inefficiency,accident-proneness and high risk.A software based automatic test platform was presented.The models of universal device and operation were designed to implement distributed execution and centralized control. The test processes can be executed and judged automatically according to the predetermined script.The schematic and architecture were described.Advantages were shown in the analysis,including automated job,easy operation, preciseness and uniformity.Not only the performance improvement,but also cost and risk reduction is significant.

stratosphere air ship;power system;automatic test;software based

TM 921.5

A

1002-087 X(2016)10-1953-03

2016-03-03

于智航(1982—)，男，天津市人，碩士，工程師，主要研究方向為衛星嵌入式軟件及空間電源系統測試方面的研究。

于智航