基于PC104的某型航空相機綜合檢測系統

趙育良 蘇媛媛 劉建東 王淑娟

摘 ?要： 針對某新型航空相機系統的特點，提出基于PC104單板機的綜合檢測系統，介紹檢測系統的總體結構與組成，描述系統硬件及軟件設計。該系統利用嵌入式工控機技術、數據采集技術、總線數據仿真技術以及虛擬儀器技術，實現對相機機身、操縱器的單獨測試;相機的聯試以及飛機導航數據的仿真等功能，能夠輔助機務人員快速地進行通電檢測，并給出排故建議。經實驗證明，該綜合檢測系統可按維護規程要求實現對相機系統性能的全面檢查，滿足設計要求。

關鍵詞： 航空相機; PC104; 綜合檢測系統; 嵌入式工控機技術; 數據采集技術; 虛擬儀器技術

中圖分類號： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0007?04

Abstract： In allusion to the characteristics of a new?type aerial camera system， an integrated detection system based on the PC104 single board computer is proposed. The overall structure and composition of the detection system are introduced. The hardware and software designs of the system are described. The embedded industrial computer technology， data acquisition technology， bus data simulation technology and virtual instrument technology are adopted for the system to realize the functions of separate tests of the camera body and manipulator， joint test of cameras， and simulation of airplane navigation data. The system can assist the aircraft crew to quickly conduct electricity circuit detection and give the troubleshooting advice. The experimental results show that the integrated detection system can realize the complete performance inspection of the camera system according to the requirements of its maintenance procedure， which can meet the design requirement.

Keywords： aerial camera; PC104; integrated detection system; embedded industrial computer technology; data acquisition technology; virtual instrument technology

0 ?引 ?言

某型航空相機改型后，作為新型偵察設備的代表，大量采用計算機控制技術和總線技術，成功與飛機總線數據交聯，實現了自動曝光、自動調焦及自動速高比引入等功能。其自動化水平及技術性能指標較傳統設備有明顯提升，從信號采集、傳輸到執行機構的驅動控制都較原相機復雜得多，對日常維護使用的要求也高得多。為了實現該型航空相機的全面檢測，利用嵌入式工控機技術、數據通信技術、數據采集技術、總線數據仿真技術以及虛擬儀器技術設計開發了該型相機綜合檢測設備。用戶通過設備面板上的軟件界面，可以實現對相機機身、操縱器的單獨測試，相機的聯試以及飛機導航數據的仿真等功能，能夠輔助機務人員快速地進行通電檢測，定位故障代碼，并給出排故建議。

1 ?系統總體結構與組成

該型航空相機綜合測試設備是一臺復雜的模擬信號測試及數據仿真系統，主要由兩大部分組成，即測試部分和導航數據仿真部分。根據其6大功能模塊，系統主要硬件構成包括嵌入式工控機、觸控顯示屏、模擬數據采集卡、傳感器、總線數據仿真板、開關及逆變電源等組成。其系統組成原理圖如圖1所示。

1.1 ?系統硬件設計

檢測設備硬件的構建是基于研祥PC/104?Plus工控機104?1816CL2NA虛擬儀器系統，分為串口數據通信模塊、電流電壓采集模塊、ARINC429總線接口模塊、ARINC407總線接口模塊、人機交互接口模塊等。檢測設備硬件設計框架如圖2所示。

圖1 系統組成原理圖

圖2 系統硬件設計框圖

1.1.1 ?串口數據通信模塊

相機操縱器及機身是通過串口聯接進行數據通信的，為完成對操縱器及機身的檢測，檢測設備需設置串口數據通信模塊，采集大量操縱器或機身的性能數據。檢測設備的串口數據通信是借助于PC104工控機的串口接口實現的，但由于飛機上的串口信號與PC104工控機串口信號電平不匹配，信號體制存在差異，因此不能直接將工控機的串口與操縱器或機身的串口進行聯接，否則無法實現正常通信。為此，專門設計了串口調理板來解決這一矛盾。串口調理板的核心為3片RS 232電平調理芯片，用以將PC104串口信號的電平與操縱器和機身串口信號的電平進行調理匹配，從而保證檢測設備與相機各部分能夠正常通信。

1.1.2 ?電流電壓采集模塊

在地面進行相機通電檢查時，通常是通過觀察相機工作狀態是否正常來判斷相機是否存在故障，缺少直觀、準確的判斷標準。檢測設備通過設置電流電壓采集模塊，利用機身發出的中斷請求信號準確地獲取相機工作周期，采樣并存儲相機周期內的工作電流，在觸控屏和表頭上直觀顯示曲線和數據，可以輔助實現對相機狀態的評估及故障的預測。

電流電壓采集模塊利用中泰PL2360A型板卡，符合PC104?Plus堆棧式的接口設計，在檢測設備內通過PC104?Plus接口直接與工控機或429?PC104?Plus板卡進行連接。

1.1.3 ?總線接口模塊

為使檢測設備能夠在地面沒有與飛機導航及大氣機相聯的條件下，完成以往在飛機上才能完成的機上檢測工作，檢測設備必須具備導航及大氣機數據的仿真功能。429總線數據模塊就是依據ARINC429標準總線數據規范，模擬機載慣性導航設備（LNT）及GPS的導航數據輸出，輔助完成操縱器及聯試功能。檢測設備的429總線接口模塊采用正鴻航科429?PC104?Plus總線板卡，符合PC104?Plus堆棧式的接口設計，在檢測設備內通過PC104?Plus接口直接與工控機或PL2360A板卡進行連接。檢測設備對飛機大氣機數據的仿真采用的是407總線接口模塊，自行設計了407總線接口板，采用12SZZ三相同步器（26 V/400 Hz激磁）發生信號模擬機上大氣機數據，通過輸入12數字量，輸出三線同步器信號表示氣壓高度。407總線接口板的核心為12SZZ數字/自整角機轉換器，利用單片機和逆變電源實現TTL到ARINC407同步信號的轉換。

1.1.4 ?人機交互接口

人機交互接口是設備使用的直接途徑，必須涵蓋對設備的各項功能操作、數據的輸入/輸出、后期拓展等方面。某型航空相機綜合檢測設備的人機交互接口包括觸控屏、開關、按鍵、多功能表頭、電纜接口及USB接口等，設計的前、后面板如圖3所示。

1） 觸控屏。采用F104?S系列嵌入式超薄工業平板顯示器觸控屏幕采用高溫五線電阻式及高精度四線電阻式，通過串口或USB端口與PC104工控機進行通信。

2） 開關及按鍵。檢測設備設計了4組雙向開關，分別為總開關、飛機/地面開關及相機或操縱器開關，分別控制檢測設備通電，進行飛機/地面檢測選擇，在聯試時控制相機或操縱器的選擇;同時，還設計了單張、復位、艙門3個單項檢測按鈕，通過按壓按鈕，完成對這3個單項的檢測功能。

3） 多功能表頭。利用多功能表頭顯示當前供電電壓情況，并能顯示聯試時相機工作電流情況，使用戶能及時掌握相機電流變化情況，結合電流電壓變化曲線進行檢測判斷。

4） 電纜接口及USB接口。檢測設備模擬相機及工作狀態，采用電纜的形式與相機操縱器或機身進行連接，完成正常的供電及數據通信。設備共設計4個電纜接口：設備供電接口，用以對檢測設備通220 V交流電;相機電源電纜接口，用以對相機檢測或進行聯試時為相機供電;操縱器通信電纜接口，根據某型航空操縱器電纜接口定義設計，采用機配相機操縱器電纜即可實現對接;相機通信電纜接口，根據某型航空相機機身電纜接口定義設計，采用機配相機機身電纜即可實現對接。此外，后面板上還設置了2個USB 2.0接口，方便用戶導入、導出聯試數據以及后期系統升級維護。

圖3 系統前、后面板

1.2 ?系統軟件設計

某型航空相機綜合檢測設備的軟件部分是整個系統數據收發、數據處理、數據分析、數據存儲及數據顯示的核心。設備的軟件部分是基于Windows Embedded XP操作系統開發，該操作系統具有可靠性高、實時性強的特點，適合高速數據采集及信號處理需求。在此基礎上安裝100 kB A/D數據采集卡及ARINC429板卡驅動程序，主要采用應用設計平臺—美國國家儀器公司的LabVIEW圖形化編程軟件進行軟件開發。該圖形化編程軟件具有編程效率高、開放性強的特點，并具有豐富的數字信號處理與顯示控件，可實現研制周期短、數據分析處理計算準確，同時具有良好的人機交互界面設計支持。根據設備的功能模塊設計，系統軟件主要能夠完成相機機身測試、相機操縱器測試、相機聯合測試、飛機導航數據仿真及其他輔助功能。圖4為主程序流程圖。

1.2.1 ?相機機身檢測

相機機身檢測功能是建立在模擬相機操縱器，與相機機身進行通信，然后分析收發數據的過程。因此，進入相機機身檢測子系統完成登錄等系統操作后，首先，需要對與相機操縱器相關的基本參數進行配置，配置好串口通信參數，打開與相機通信的串口;然后，根據相機檢測步驟，通過串口對相機進行一系列參數的收發，以上兩步均為軟件后臺執行;最后，根據接收到的數據進行處理，完成在顯示屏上進行相機狀態、故障的顯示。檢測結束后，及時關閉串口通信。圖5為機身檢測流程圖。

圖4 主程序流程圖

圖5 機身檢測流程圖

1.2.2 ?相機操縱器檢測

相機操縱器檢測功能是模擬相機機身并配合大氣機及導航仿真數據，完成對相機操縱器檢測的過程。該子系統在軟件設計上可分為三個部分：一是通過與相機通信檢測操縱器基本功能;二是通過總線數據仿真檢測操縱器與飛機通信是否正常;三是檢測操縱器單張、復位信號是否正常。第一部分與相機通信檢測操縱器基本功能的軟件設計流程與相機機身檢測軟件設計流程基本一致，僅是程序初始時對相機進行配置，總線數據的配置也有不同;第二部分軟件流程首先對總線數據仿真板卡進行參數配置，然后，按照ARINC407及ARINC429協議將待發送數據按照指定數據格式發送給操縱器，最后，對數據發送的狀態進行比對、分析完成操縱器與飛機通信狀態的檢測;第三部分流程較為簡單，通過程序截獲操縱器向相機發出的單張、復位信號，比對信號是否正常即可。操縱器檢測流程圖見圖6。

圖6 操縱器檢測流程圖

1.2.3 ?相機聯試

相機聯試功能主要是采集相機工作時的電壓、電流數據進行分析。該子系統的軟件流程首先是對數據采集卡進行參數配置，然后采集一個或多個工作周期的電壓、電流數據，再對這些數據進行分析、計算及處理，最后在液晶屏上進行數據、數據曲線的顯示，并提供接口使用戶可以對進行數據存儲。聯試流程圖如圖7所示。

2 ?系統測試

利用該綜合檢測系統對某型相機系統進行通電檢測，檢測內容主要包括以下幾點：

1） 操縱器設置狀態參數，檢測設備利用串口差分信號接收;

2） 模擬操縱器指令及相關參數，通過串口對相機狀態進行檢測;

3） 利用檢測設備模擬兩類航空總線數據，操縱器通過接口板接收后，通過串口送至檢測設備;

4） 利用PC104PL2360A轉換卡的I/O端口，檢測操縱器按鍵信息;

5） 檢測設備向操縱器模擬發送相機狀態，利用操縱器顯示面板觀察狀態顯示;

6） 對相機系統進行聯試。

圖7 聯試流程圖

綜合檢測系統對兩部相機進行檢測，完成上述6項檢測的同時，成功檢測出其中1臺操縱的ARINC429總線數據接口故障及1部相機機身的測光故障。經測試，檢測設備可靠、有效。

3 ?結 ?論

基于PC104研制的某型相機綜合檢測系統，可以實現對相機機身、操縱器的單獨測試、相機的聯試以及飛機導航數據的仿真等功能，能夠輔助機務人員快速地進行通電檢測，定位故障代碼，并給出排故建議。經實驗證明，該綜合檢測系統可按維護規程要求實現對相機系統性能的全面檢查，滿足設計要求。

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