基于虛擬儀器的航空偵察設備檢測系統

李英杰，蘇媛媛

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

基于虛擬儀器的航空偵察設備檢測系統

李英杰，蘇媛媛

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

為滿足多任務偵察系統快速出動的要求，實現對航空偵察設備全系統的快速檢測，基于虛擬儀器技術，開展了航空偵察設備檢測系統的硬件、軟件設計。運用了ARINC429總線技術、LabView的subpanel軟件封裝設計、以及數據隔離等技術，最終實現了一型檢測儀器對多型偵察設備全系統檢測的工程實踐。

航空偵察；虛擬儀器；檢測系統

0 引言

目前，航空偵察正朝著多任務載荷方向發展，可以實現不同偵察裝備性能的互補，能夠提高一次出動的有效偵察效能，已成為航空偵察裝備的發展趨勢，裝備戰斗力的基礎是高效快速的機務保障[1-2]。在這種背景下，出現了飛機一次出動配掛多類型、多型號的偵察裝備，如可見光膠片相機、數字相機以及紅外相機組成的高技術、高集成度的偵察系統。可以按照不同的任務模式，設定多種配掛構型，每種構型搭配的相機數量、型號不同。這樣每架飛機的偵察能力不局限于單部航空相機性能，而取決于配掛構型內偵察系統的工作能力。在地面飛行保障中，快速、高效的實現整體偵察系統的綜合檢測，保證配掛構型內全部偵察相機的完好，才能滿足偵察任務快速出動的要求，因此內場檢測設備應當具備對多類型偵察裝備快速一體化檢測的能力[3]。本文開展了面向多配掛構型、多型號偵察裝備的綜合檢測系統研究，設計的檢測儀器可以實現對多型偵察設備的綜合化快速檢測，保證了機動性和設備的完好率。

1 硬件設計

檢測儀硬件的構建是基于研華ARK-5280工控機的虛擬儀器系統，分為數據采集控制單元、429總線接口單元、電源電壓測量控制單元、偵察相機控制單元、中整流罩艙門控制單元、按鍵操作單元、顯控單元、以及接口適配單元等幾個模塊單元。檢測儀器硬件框圖如圖1所示，可以實現與偵察系統不同配掛構型時多個偵察設備的硬件接口和檢測。系統的硬件基礎為建立在PCI總線上的數據板卡，數據采集控制單元采用研華的PCI-1710L，經過PCLD-8710、PCLD-885數據調理板的連接，控制其他單元實現電源電壓的測量監控、艙門控制、偵察相機的供電、開關機以及按鍵操作等功能；429總線接口板卡提供4收4發的標準ARINC429通信信息，實現與被檢測設備的參數數據、指令數據、狀態故障數據傳遞。工控機的人機接口單元除有按鍵操作單元外，還包含2個10.4英寸液晶顯示器、LED電壓表頭及觸摸屏，用于模擬飛機座艙操控界面，實現對偵察相機的開關機、準備、工作、啟動自檢、故障清單查詢等操作。

通過電源電壓測量、電源控制兩個模塊實現對偵察設備供電的快速監控。首先交直流電源電壓經過分壓器、交流電壓傳感器等電壓調理措施，調理為標準電壓0～10 V；對調理后的被測信號經過接口板PCLD-8710后引入PCI-1710L板卡，進行A/D轉換；最后讀入工控機進行信號處理和判斷。根據電源電壓測量情況實時監測電源情況，如果符合偵察設備的供電要求，由電源控制模塊為被測設備提供交直流電源；如果電壓波動超差、或交流電缺相等原因不滿足設備供電條件，檢測儀將不輸出電源，避免電源對相機設備帶來的損傷。

圖1 檢測儀總體硬件框圖

檢測儀與偵察相機之間是通過ARINC429總線完成對相機的指令控制與參數傳輸。ARINC429數據接口電路采用DSP（TMS320F2812芯片）做為主控芯片[4-5]，經過可編程邏輯控制器件（CPLD）控制總線接口芯片HS-3282，HS-3183進行讀寫操作和電平轉換。系統中ARINC429通信由4組芯片完成，可以同時完成4路發送和8路接收。

2 軟件設計

檢測儀的軟件程序是基于LabView虛擬儀器開發環境下開發[6-7]，軟件設計主要包括系統總程序、配掛構型檢測模塊程序、偵察相機通電檢測模塊程序以及各類功能程序等幾個層次構成。

（1）系統總程序。完成系統程序的集成，流程圖如圖2所示。儀器開機啟動后，進入歡迎界面子VI，然后對系統變量初始化、打開I/O板卡、429總線板卡，建立與儀器前操作面板和后適配面板的數據聯系。進入偵察設備檢測構型選擇界面，等待操作人員選擇被測中整流罩的構型或退出系統。根據構型選項進入對應構型檢測模塊。

（2）配掛構型的檢測模塊程序。采用LabView的SubPanel技術，不同構型檢測模塊為不同的SubPanel模塊。可以實現不同構型被檢測設備的開機、準備、拍照、參數設置、啟動自檢、關機等通電檢查；利用被檢測設備的上電自檢、周期自檢、操作員自檢的故障檢測數據，給出設備的工作狀態信息、故障清單信息；完成設備故障清單的導出等。

（3）多種偵察相機通電檢測模塊程序。飛機各種構型可能選配幾種偵察相機，并且構型之間相機類型存在交叉重疊，因此為每型相機的檢測設計獨立的通電檢測模塊程序。

（4）各類功能程序。為儀器軟件的底層子程序，包括429板卡控制類程序、I/O板卡控制類程序、數據處理程序、參數發送和接收程序等。429板卡類程序包括數據接收、發送等子VI；I/O板卡控制類程序包括板卡初始化子VI、各通道輸入子VI、各通道輸出子VI等。

圖2 程序總流程圖

3 關鍵技術

3.1 多型偵察設備的綜合檢測

一種檢測設備實現多類型偵察相機的綜合檢測，要在軟硬件設計上滿足不同偵察設備的適配接口、資源規劃以及設備間的防干擾隔離等。

從硬件上設計基于高速DSP的PCI總線接口標準ARINC429接口板卡。通過429接口板卡的4路接收4路發送與不同型號偵察相機的數據通信，實現與偵察相機的參數信息、控制指令信息、狀態信息的傳遞。在同一構型內各型偵察相機的總線通道是獨立的，因此在硬件底層設計上完全隔離，避免了信號間的影響。在軟件設計中，為實現對不同配掛構型、不同型號設備的綜合檢測，采取了一些軟件措施。

（1）subpanel調用技術。利用LabVIEW軟件平臺的subpanel技術構建統一的程序框架，對所有相機的檢測實現了統一的程序入口和交互接口，軟件上構建了一對多的程序體系。

（2）Sub VI封裝。軟件充分運用自定義的sub VI對子程序進行封裝，增強了軟件模塊化的整體水平，同時提高了程序的運行效率。采用的封裝主要有交互界面類封裝、429板卡類封裝、PCI1710板卡類封裝等。其中交互界面類封裝包括自定義的對話框、信息指示窗口；429板卡類封裝主要包括429板卡的設置、各通道的收發程序以及429狀態字處理程序等；PCI1710板卡類封裝包括對各類相機的開/關機控制、供、斷電控制程序等。

（3）數據隔離。由于一臺檢測儀同時進行多類型偵察相機檢測，為避免用戶誤操作或機型轉換時數據的干擾，運用了大量數據隔離的方法，如交互可用檢測、數據封裝隔離等。①交互可用檢測。程序可以檢測前面板相機類型按鍵或觸摸屏Tab頁，確定當前相機檢測界面是否可用。同時，被檢測相機所處當前狀態也決定檢測界面交互按鈕的可用性，即當相機處于某一狀態時，該狀態不允許的操作被屏蔽，增強了對被檢測相機的保護，也增加了檢測操作的規范性。②數據封裝隔離。每型相機的交互數據、相機狀態數據、指令數據封裝在各自的數據簇中。每種數據簇都有自己的標識，保證指定數據簇只能被指定相機或指定程序辨識，不會發生數據混淆導致檢測錯誤的現象，從根本上實現了數據的隔離。

3.2 被檢測設備供電監控設計

航空偵察相機在通電狀態必須按規定流程操作，從“開機”、“準備”、“拍照”、“傳輸”、“啟動自檢”、“關機”等指令的發送時機有嚴格條件。各型偵察相機必須接到“關機”指令正常關機后，方可切斷交直流電源，否則對相機控制器系統造成損壞，使得相機出現故障。例如相機在“準備”狀態下，相機掃描頭組件、調焦組件處于工作狀態，突然斷電會造成硬件損傷；相機制冷系統工作，關機斷電前相機必須退出“準備”狀態，而不能直接關機斷電，否則對制冷系統、探測器模塊造成硬件損傷。因此為保證偵察相機的供電安全，檢測儀設計了電源監控單元，通過對直流電源、三相交流電源電壓波動的測量，當滿足供電參數指標要求時，啟動電源控制單元給偵察相機供電。

電源電壓信號經電壓傳感器及PCI1710板卡的A/D轉換后，進入電壓信號處理階段。由于受到外界和負載的影響，電壓檢測數據總是處于干擾狀態。為消除干擾對電壓測量數據的影響，避免供電監控的虛警，供電電壓測量數據處理分兩個階段。

（1）首先對測量數據采用算數平均值算法處理。由于外部干擾和測量誤差是白噪聲擾動，因此可以采用求取算數平均值的方法消除。時間窗口設定為100 ms，對四路電源電壓數據進行算數平均值處理。

（2）經第一步處理后得到了每100 ms一組的電壓數據，用數組表示為（D，A1，A2，A3），其中D為直流電壓數據，A1，A2，A3為交流三相電壓數據。偵察相機的功率不恒定，在工作周期內，會有諸如轉筒電機、快門電機、反射鏡電機、調焦電機等器件的啟動或停止，負載耗電功率的波動對測量數據有一定影響，在短時間內的波動是允許的。因此為避免虛警，電壓數據每10組做為一個連續判斷區間，當有2/3數據超差（＞±8%）即認為供電電源異常，提示電源告警，并進入供電控制單元。

供電控制單元是在交直流電源滿足要求時，由工控機經PCI1710的輸出端口，經PLCD8710和PCLD885驅動固態繼電器控制電源輸出，為偵察相機供電。在供電控制單元中，需要考慮多型相機供電和電壓異常處理的問題。在偵察相機檢測過程中的供電控制，當電源電壓有超差異常時，顯示交流供電電壓異常的告警信息，并發出“停拍照”和“停準備”指令，然后自動控制偵察相機關機。

4 結束語

本文設計了基于虛擬儀器技術的航空偵察裝備綜合檢測系統，運用ARINC429總線技術、LabView的subpanel軟件封裝設計、以及數據隔離等技術實現了一型檢測設備對航空偵察全系統設備的通電檢測。大大簡化了內場操作，縮短了航空偵察的飛行保障時間，并解決了航空偵察設備在內場無法實現全系統通電檢查的問題。這種系統設計思路對實現其他多設備的綜合檢測具有一定的借鑒意義。

［1］李曉峰.美國空軍航空裝備維修保障體制現狀及啟示[C].航空維修與工程，2010，（2）：38～40.

［2］張群起等.信息化條件下海軍航空兵裝備保障問題探析[C].應用高薪技術提高維修保障能力會議論文集，2005，（5）：706～799.

［3］李英杰，李開端.航空偵察裝備內外場差別化保障研究[J]，四川兵工學報，2013.（2）：83～85.

［4］史國慶，高曉光，吳勇，等.基于PCI總線的ARINC429總線接口板硬件設計與實現[J].計算機測量與控制，2010，18（1）：128～130.

［5］郭躍云等.基于DSP的ARINC429總線收發系統設計[J].儀表技術與傳感器，2010，（5）:56～58.

［6］張桐，陳國順，等.精通LabVIEW程序設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

［7］龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數據采集[M].北京：清華大學出版社，2008.

〔編輯 凌瑞〕

E953

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.50