通航數據處理計算機測試平臺的設計與實現

王海斌，丁發軍，錢 偉

（中國民航飛行學院飛機修理廠，四川廣漢618307）

通航數據處理計算機測試平臺的設計與實現

王海斌*，丁發軍，錢 偉

（中國民航飛行學院飛機修理廠，四川廣漢618307）

分析了通用飛機上裝載航空數據處理計算機的維修現狀，討論了搭建數據處理計算機測試平臺的必要性。結合數據處理計算機的性能參數指標特性，設計了測試平臺的總體結構。并針對測試平臺在實現過程中遇到的一系列工程技術難題，提出了可行的解決方案。在軟件設計上，利用虛擬儀器技術實現對測試儀器設備的自動調用。經過實際測試驗證以及誤差分析，該測試平臺測試滿足測試需求。

數據處理計算機；測試平臺；虛擬儀器；故障診斷

數據處理計算機是通航綜合航電系統的中央核心電子組件，是航電系統的通信及信息處理樞紐，負責采集和處理系統中其它系統部件的通信數據和控制指令。此外，數據處理計算機還集成了GPS衛星定位，甚高頻VHF通訊，ILS儀表著陸導航等無線電通導功能，對系統的正常使用及飛行安全起著關鍵性作用［1-3］。

數據處理計算機集成功能復雜、功耗發熱大，從2005年始，我國通航最早一批飛機安裝此類部件，其平均工作時間已接近一萬小時，可靠性開始進入浴盆曲線的故障率上升段。但由于技術壟斷和國外生產廠家對所有資料保密，國內尚無維修單位對其進行維修研發。現所有故障件均需送廠家維修，導致維修周期過長，甚至會因為備件不足導致飛機停飛停場［4-6］。針對上述數據處理計算機維修現狀，本文設計了基于虛擬儀器的通航數據處理計算機測試平臺。該平臺以計算機為主控機，將所的測試儀器通過總線方式與計算機連接，并通過電源線、屏蔽線以及數據總線與被測試設備UUT（Unit Under Test）連接，從而實現對UUT的性能、功能測試。此平臺內嵌數據庫，并利用數據庫引擎以及故障診斷技術，實現測試信息存儲以及故障定位、診斷等功能。

1 總體方案

1.1 平臺實現功能

綜合航電系統傳輸飛行器相關參數時，對于各參數要求的通信速率、信息量、抗干擾等方面均不相同，因此，航電系統各部件提供的飛行參數數據格式并不統一，包括RS232、RS485、CAN、ARINC429等多種總線格式。數據處理計算機將這些總線格式進行統一轉換和處理成為Ethernet總線數據格式，傳輸給顯示系統［7-8］。考慮到數據處理計算機作為綜合航電系統的核心通信樞紐，且本身還具備GPS衛星定位，甚高頻VHF通訊，ILS儀表著陸導航等無線電通導功能。因此，在實現數據處理計算機自動測試平臺設計時，應滿足如下功能：

1.1.1 性能測試方面：

①實現數據轉換功能測試：

測試平臺為UUT提供所需輸入總線數據的供給，包括：RS232、RS485、CAN、ARINC429等總線格式。測試平臺實現UUT輸出Ethernet總線數據的解碼測試，并利用虛擬飛行儀表實時顯示測試結果。

②實現通訊功能性能測試：

測試平臺能夠通過主控機指令實現對數據處理計算機720個通訊頻道轉換控制、靜噪功能控制以及收發功能轉換控制，且能夠對UUT通訊功能進行全部的性能參數測試，主要包括：靈敏度、信噪比、失真度、選擇性、響應百分百等重要通訊性能指標。

③實現導航功能性能測試：

測試平臺能夠通過主控機指令實現對UUT導航頻道轉換控制、識別功能控制，對UUT導航參數數據進行解碼并利用虛擬飛行儀表實時顯示，這些參數包括：導航故障旗、VOR方位、TO/FROM、LOC/GS偏離、GPS經緯度。且能夠實現對UUT導航性能參數的測試，主要包括：VOR AGC、VOR方位精度、失真度、選擇性、響應百分百等重要導航性能指標。

1.1.2 故障診斷方面：

測試平臺內嵌基于知識的故障專家系統模塊，用以對被測故障UUT進行故障診斷。該故障診斷系統知識庫以維修中心現有的大量數據處理計算機維修數據為基礎進行故障診斷，并設計有知識獲取模塊，隨著不斷增加案列其故障診斷率將會逐漸提高。為了提高故障診斷率，在推理機中并行設計了以貝葉斯概率統計的診斷算法，在實際應用過程中能夠具有70%的故障診斷正確率。

1.2 平臺整體結構

根據上述測試平臺設計要求，結合數據處理計算機的相關維修技術資料，并借鑒相關同類測試平臺的設計方法，以及綜合考慮被測組件的實際維修情況，研發并設計了數據處理計算機測試平臺。該平臺能夠實現對被測航電組件—數據處理計算機的自動測試。

平臺整體設計分為硬件和軟件兩部分，硬件部分以主控計算機為核心進行設計，通過總線方式與各測試資源進行通信連接。測試相關資源包括：射頻信號源、精密電壓儀器、數據采集板卡、數字示波器、總線通信板、繼電器控制板以及適配系統。軟件部件利用虛擬儀器工具Labview實現人機界面設計、整個測試流程、測試資源調用、適配系統運行、總線數據協議轉換、測試結果分析以及故障診斷等功能［9］。測試平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 整體結構設計框圖

2 技術難題及解決方案

數據處理計算機測試系統的設計與實現是一個較為復雜的技術工程，其研發過程面臨眾多技術困難，主要包括：涉及專業較廣，包括機械設計、工業程控技術、數據通訊等相關專業；軟硬件工作量大及研發周期較長；技術上攻堅難點較多等。將整個測試系統研發過程中的技術難題進行歸納和提取，其中較為突出的有以下3個方面：

2.1 技術難題1：精密電壓儀設計

根據數據處理計算機工作原理可知，該組件是綜合航電系統的核心通信樞紐。測試平臺要實現各飛行參數的模擬，必須提供完整的數據信息源，并傳輸給數據處理計算機完成相關測試。

在飛行參數中，電壓信號是其中必不可少的參數，且由于航空電子設備特性，其電壓精度要求較高，通常要求到百分位。如何為被測部件提供準確、精度較高的電壓信號，成為測試平臺信號輸出方面要解決的技術難點。如在航電系統中，自動定向儀傳輸給數據處理計算機的信號為0～7.5 V直流電壓，方位角θ與供給電壓V之間關系式如下：

根據上述θ與V關系式，電壓模塊在設計時采用32 bit RISC的ARM芯片完成邏輯設計，并采用下位機方式與主控計算機連接，通信方式采用RS-485隔離通信總線。并采用了看門狗電路，可以在出現意外時將系統重新啟動。

電壓模塊為保證輸出電壓信號的精度，還對DAC輸出的模擬量信號進行調理，實現對于信號的平滑濾波、信號幅值范圍的調整（如信號增益的調整）、信號類型的轉換（I/V、V/I轉換）等。電壓模塊輸出信號處理流程如圖2所示。

圖2 電壓模塊信號處理流程

2.2 技術難題2：儀器驅動模塊設計

本文測試平臺采用儀器資源較多，如何實現各類儀器資源驅動模塊設計，并與主控機建立有效地通信，成為平臺構架設計一個難題。

根據本文1.2節可知，平臺硬件資源包括輸出信號源（射頻源、電壓儀和數字通信板等）、輸入測試設備（數據采集板卡、數字示波器等）和系統配置（控制板、適配器等）。這些測試資源與主控機通過不同總線方式實現連接，在軟件設計方面，需要編寫各類資源驅動程序，最終才能夠實現主控機對資源合理地調用和分配儀器資源。系統軟件平臺是在虛擬儀器Labview環境下實現的，測試儀器驅動程序的編寫應包含初始子VI、Read子VI、Write子VI及配置子VI等模塊。將這些功能模塊再按照編程規則進行連接，并加入到所需循環函數中，最終實現設備驅動模塊調用。數據處理計算機測試平臺儀器資源驅動實現流程如圖3所示。

圖3 儀器資源驅動實現流程

2.3 技術難題3：傳輸數據的處理

經數據處理計算機處理的飛行數據參數近百種，主要包括航向姿態、大氣參數、通導數據、發動機參數以及機身各類傳感器參數。其數據格式包括Ethernet/RS232/RS485/CAN/ARINC429等多種，涉及參數數據協議眾多，且數據量較大。由于部件生產廠家技術保密，上述各類傳輸數據均處于未破解狀態。如何將被測部件數據各類總線數據進行采集、算法分析，并進一步實現參數測試成為測試平臺能否實現的關鍵。

本文通過設計不同的總線采集板卡，采集海量的參數數據，建立數據庫，并通過改變工作參數來尋找變化的數據幀、變化字節，利用擬合工具擬合參數算法公式，并進一步通過多個被測部件進行反復、多次地驗證。

本文以Ethernet總線數據采集及處理過程為例進行說明，硬件方面采用Intel EXPI9400PT以太數據卡采集卡，采集軟件采用Sniffer Pro數據抓包工具，根據傳輸參數要求進行設置，采集的代碼界面如圖4所示。

利用測試設備（如精密電壓儀器）為被測部件提供一系列供給信號，并對比輸出Ethernet數據變化規律。如設置發動機排氣溫度EGT（1-4#）的溫度值范圍為150℉～2 000℉；溫度間隔為50℉。通過采集被測部件對應一系列Ethernet數據輸出進行對比分析，得到EGT數據幀，并進一步提取變化字節為44 bit～45 bit字節；利用擬合工具Origin 6.0擬合EGT與變化字節代碼（十進制）關系式，如圖5所示。

圖4 Ethernet總線采集界面

圖5 EGT-Ethernet數據擬合曲線關系

3 系統軟件流程

平臺軟件測試流程如圖6所示，首先對平臺內部測試軟硬件資源進行初始化，確保系統處于正常運行狀態。使用者通過用戶或者管理員身份進行系統登錄，并按測試要求填寫被測部件件號、序號等一系列相關維修信息。平臺進入自檢模式，該模式主要針對測試平臺是否與被測部件正確適配，并輸出檢測結果。待自檢完成后，進入測試模式，針對數據處理計算機進行功能和性能測試。若被測設備性能測試未通過，則需要進行故障診斷。本測試平臺設計了基于知識的專家故障診斷模塊，專家系統知識庫存儲有大量故障樣本作為專家知識庫，被測部件存在故障時，系統會從測試數據庫調用其故障性能數據與故障信息，然后檢索知識庫預報相應的故障原因并提供給用戶。最后對測試結論進行存儲處理并關閉軟硬件資源，結束測試。

圖6 測試流程圖

4 平臺誤差分析

利用數據處理計算機測試平臺針對6部被測部件全部性能參數進行自動測試，將測試結果進行提取、分析和比對，最終實現測試平臺誤差的驗證。考慮到性能參數較多，以及篇幅原因，本文列舉了部分較為重要被測參數，實測情況如表1所示。

表1 主要參數實測值

根據表1列舉的測試參數實測情況可知，測試參數誤差均在理論允許誤差范圍內。針對實測參數誤差進行分析可知，其誤差來源為測試平臺和被測部件兩部分，而對于測試平臺而言，其誤差來源于平臺軟硬件資源，主要包括：測試儀器設備、傳輸數據編解碼以及傳輸線路。

①測試儀器設備：射頻信號源、精密電壓儀器和數字示波器等相關測試儀器的參數范圍、精度以及有效期，均由國家標準計量單位進行計量，符合國際行業測試標準。

②傳輸數據編解碼：被測部件傳輸數據總線格式分為RS232/485、CAN、ARINC429和Ethernet幾種，幾種數據格式均為國際通用標準格式，傳輸數據解碼算法經過優化處理，誤碼率＜0.1%。

③傳輸線路：繼電器轉換電路在轉換瞬間會產生瞬時脈沖信號，對系統數字信號會造成瞬時干擾，存在產生誤碼的可能性。根據被測部件各總線通信協議規定，傳輸數據均具有自校、奇偶檢驗功能。經驗證，瞬時干擾誤碼不會對傳輸信號產生附加誤差。

綜上3點分析，測試平臺對測試結果產生的附加誤差可忽略。并通過表1中6部被測部件實測數據驗證，測試誤差均在性能指標要求范圍內，且誤差來源為被測部件本身。

5 結束語

航電數據處理計算機是目前通航最先進綜合航電系統的核心部件，基于此類部件的維修、檢測需求，本文設計研發了數據處理計算機維修測試平臺。從工程技術角度而言，本文實現了測試所需精密信號源的設計，并完成各類測試設備的驅動設計，最終利用虛擬儀器技術和軟件程序實現測試資源的自動調用和測試。

從工程應用結果來看，該平臺不僅能夠對被測部件進行功能和性能自動測試，而且針對測試異常情況進行故障診斷，并將被測部件的故障定位到電路板級，能夠為維修人員提供可靠的故障定位，顯著提高了排故效率。

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王海斌（1984-），男，漢族，內蒙古赤峰市人，碩士，現為中國民航飛行學院飛機修理廠工程師，研究方向為機載航電設備的維修工作與飛機維修工程，263049729@qq.com。

Design and Implementation of the Test Platform for Aviation Data Processing Computer

WANG Haibin*，DING Fajun，QIAN Wei
（The Aircraft Maintenance Factory of CAFUC，Guanghan Sichuan 618307，China）

The paper analyzes the current situation about the maintenance of aviation data processing computer loaded in general-purpose planes and discusses the necessity to establish the testing platform for data processing computer.Combined with characteristics of performance parameters of data processing computer，the overall struc?ture of the testing platform is designed.Besides，the paper puts forward feasible solutions to a series of engineering technical problems encountered during the realization process of the testing platform.When it comes to software de?sign，virtual instrument technology is used to achieve the automatic calling of the testing instruments and devices. As indicated by actual test verification and error analysis，the test platform satisfies the testing requirements.

data processing computer；test platform；virtual instrument；fault diagnosis

TP274

A

1005-9490（2016）06-1435-05

7220

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.030

2015-12-11 修改日期：2016-01-08