彈射座椅電氣附件自動綜合檢測設備設計與實現

吳傳貴， 王緯國， 彭 虎， 周勇軍， 張小輝， 闞 艷

(1.中國人民解放軍第5720工廠，安徽 蕪湖 241007；2.安徽省航空設備測控與逆向工程實驗室，安徽 蕪湖 241007)

彈射座椅是飛行員的“救生法寶”。在飛機發生故障時，依靠座椅下的動力裝置將飛行員彈射出機艙，然后人椅分離、打開降落傘使飛行員安全降落的座椅型救生裝置。隨著航空技術的發展，第3代彈射座椅里面含有電子設備，這給彈射座椅的測試、維修和保障帶來新的問題。傳統的維修方法是由操作人員使用萬用表、絕緣儀器逐一對各附件線路進行手動測試。維修的彈射座椅型號多、電氣附件種類也多，附件路線也越來越復雜。針對人工檢測效率低、時間長、強度大且易出錯的難題，需要研制一臺彈射座椅自動綜合檢測設備。該設備能夠實現對多型座椅電氣附件進行自動檢測，同時，為快速開發同類被測電氣附件測試項目提供技術基礎。因此，在彈射座椅維修保障過程中，研制自動綜合檢測設備具有重要的現實意義。

1 需求分析

1.1 功能測試分析

彈射座椅電氣附件自動綜合檢測設備的測試對象是國內外多型彈射座椅的電氣附件，包括脫開式信號接頭、聯鎖轉換電門、轉換電門組件、座椅椅盆電路，及整個座椅的內部電路，測試內容主要有電阻、絕緣、抗電和控制。

1.2 性能測試及指標

電氣附件主要指標要求是：觸點電阻要求不大于0.3 Ω、絕緣電阻不小于20 ΜΩ、控制信號27 V下電路通斷正常、抗電強度試驗應在1 s內不被625 V電壓擊穿，或在1 min內不被500 V電壓擊穿。為此，檢測設備需要按各電氣附件的連接關系，檢測各觸點電阻、絕緣電阻、電路通斷和抗電性能，并判斷其是否滿足技術要求。

1.3 系統擴展性

檢測設備在滿足各電氣附件的電氣性能測試的基礎上，要求具備手動和自動測試，并且具有一定的擴展性，根據新增被測對象及測試電纜，通過軟件能夠增補測試產品測試項目。

2 系統設計

2.1 設計分析

檢測設備在滿足各電氣附件的電氣性能測試的基礎上，要求具備手動和自動測試，并且具有一定的擴展性，根據新增被測對象及測試電纜，通過軟件能夠增補測試產品測試項目。因此，系統設計需要解決以下幾個難題：

① 如何實現軟硬件功能融合。以通用連接器和信號切換模塊為功能融合中心，通過一種地址映射的方法，將通用連接器連接的外部硬件電纜的各接口定義，映射到信號切換模塊控制繼電器的地址，軟件操作界面只反映出硬件的接口和測試要求，具體映射地址在程序內調用接口表來實現。

② 如何實現自動化。綜合運用線程和程控技術，實現與測量儀器的通信，如程序設置、測量和數據讀取等功能；結合繼電器的映射地址，實現繼電器組件的單路多路繼電器接通/斷開控制功能；開發測試線程，通過自動測試的開始、暫停、繼續和終止這四個操作，實現程序自動運行及控制。

③ 如何實現擴展性。選擇用數據庫來保存編譯測試項目，由程序調用各表的內容到測試表單中，形成具體的測試項目。通過程序新增測試模塊、測試接口、測試關系等內容，實現擴展性。

2.2 系統設計

借鑒文獻[1]～文獻[11]相關檢測設備和測試系統的研究內容。檢測設備的系統架構如圖1所示，以信號切換模塊為中心，數字多用表和絕緣耐壓絕緣儀直接連接到信號切換模塊的資源信號切換部分；各型測試電纜通過通用連接器連接到信號切換模塊的通道信號切換部分。

圖1 系統架構圖

3 硬件設計

3.1 設備組成

如圖1所示，檢測設備的硬件主要由工控機、數字多用表(可調電源和三用表)、絕緣耐壓絕緣儀、信號切換模塊、UPS不間斷電源、通用連接器及各型測試電纜組成。

3.2 儀器儀表

數字多用表主要實現觸點接觸電阻2線/4線制測量和電壓測量，以及產品直流電源供給。數字多用表選用U3606B三用表/直流電源混合儀器，該儀器既可當5位半三用表使用，又可充當30 V/1 A、8 V/3 A、30 W直流電源使用。

絕緣耐壓絕緣儀實現對線路絕緣和抗電性能測試，選用的TOS9200耐壓絕緣儀是一款搭載有AC耐壓、絕緣電阻試驗兩大功能的儀器，具有GPIB和RS232遠程接口控制功能，其絕緣試驗指標高達0.01 MΩ～9.99 GΩ/(DC 25～1000 V)，抗電指標高達5 kV/100 Ma/500 VA。

3.3 信號切換模塊

信號切換模塊為檢測設備的核心硬件，也是實現自動測試和擴展性的主要硬件支持部分。信號切換模塊內的測試線路原理如圖2所示，在測試程序的控制下，實現資源連接到測量測試端點上。針以不同的被測對象、測試項目和電纜連接關系，設計不同的接口定義表。

信號切換模塊由10塊繼電器板組成。繼電器板主要由16×4路的矩陣開關、串口通信模塊、FPGA芯片和驅動芯片等組成，開發有驅動控制程序，通過RS322串口可控制FPGA芯片和驅動芯片，實現對繼電器的控制及線路的切換功能。繼電器選用59W-1A2 0N0-92型號水銀繼電器，該繼電器采用24 V電壓控制，具有1000 V/1 A的開關切換能力，開關壽命高達109次，絕緣強度高達1010Ω，500個繼電器并聯時仍可保證20 MΩ的系統絕緣強度。

圖2 信號切換模塊線路測試原理圖

4 軟件設計

4.1 軟件總體設計

檢測設備的軟件系統組成框圖如圖3所示。主要有初始化及結果顯示、主程序、幫助說明、串口設置等模塊，其中，主程序包括自動測試、手動測試、模塊維護、連接管理及建立連接等子模塊。

圖3 軟件組成架構

自動測試子模塊是主程序的默認功能選項，是檢測設備實現自動化的體現。具體功能有：① 系統測試模塊選擇；② 測試項目及結果顯示；③ 件號、操作者和檢驗員信息編輯；④ 自動測試開始/終止/暫停/繼續控制;⑤ 對單個選定的測試項目進行一次測試；⑥ 系統測試信息顯示及打印等。

手動測試子模塊主要是用于檢測設備的調試，提供能夠對信號切換模塊、TOS9200儀器及數字多用表的測試界面，可以對串口控制的儀器地址進行設置。

模塊維護子模塊是整個測試對象的數據匯總。實現對被測試模塊進行查看、增加、修改和刪除等操作。

連接管理及建立連接子模塊是測試項目數據庫的操作控制中心，可對模塊所涉及的測點和連接關系進行編輯，測點管理包括有增加、修改和刪除測點，連接關系管理主要有建立和刪除連接。

4.2 測試流程設計

4.2.1 主程序的控制

主程序的控制流程圖如圖4所示。程序運行后先對硬件資源進行了初始化，判斷是否正常，若正常則顯示主界面并且加載各功能界面，若出現故障，則彈出初始化結果顯示界面，并且打印出故障模塊。主程序加載自動測試、手動測試、模塊維護和連接管理等4個功能界面，具體的測試控制和數據管理均在此4個界面中完成。

圖4 主程序流程圖

4.2.2 自動測試流程的控制

自動測試控制流程圖如圖5所示。自動測試模塊是針對操作人員使用的，主要完成產品的測試項目選擇及測試，主要解決系統的自動化測試的要求，根據測試過程需求，設計有單次測試和自動測試兩個控制流程。進入自動測試模塊，初始化自動測試界面的控件狀態和測試項目數據；根據被測對象產品型號，在測試模塊選擇控件中選定對應的模塊名稱，系統會自動顯示出當前模塊對應的測試項目；輸入產品和操作/檢驗者的信息后，可選擇單次或自動測試方式進行測量，或者選擇打印已保存的測試記錄；根據測試結果選擇繼續測試或退出。

圖5 自動測試流程圖

4.2.3 模塊維護和連接管理流程的控制

模塊維護主要對被測試模塊進行查看、增加、修改和刪除等功能，其控制流程如圖6所示。進入模塊維護，初始化該界面顯示已有模塊信息內容；指定需要編輯的模塊編號；選擇是否刪除操作，若是則直接刪除，否則編輯該模塊；編輯后再選擇新增或修改操作；更新顯示模塊維護數據。

圖6 模塊管理流程

連接管理控制流程圖如圖7所示。進入連接管理模塊，初始化該模塊界面顯示默認模塊已有的測點和連接關系信息內容；根據測點操作還是連接關系編輯，選擇不同流程，連接關系的建立時所選擇的測點必須為已有的測點；針對測點進行增加、修改和刪除操作，操作完成后將更新顯示測點數據；針對連接關系進行刪除和建立操作，完成后更新顯示連接關系數據。

圖7 連接管理及建立流程

4.3 數據庫設計

設計的數據庫主要有測試模塊表、測試接口表、測試關系表、測試結果記錄表、測試狀態表等。其中，測試結果記錄表定義與測試關系表相一致，模塊表、接口表和關系表的字段說明見表1。

模塊表是模塊維護編輯的數據后臺，是其他表的檢索項。增加新的被測對象時要建立此表，建立的原則是：① 被測產品不同;② 測試類型不同。

接口表是連接管理中的測點編輯的數據后臺，是軟硬件資源結合的重要部分，根據電纜的接線連接關系，設定了一個測點引腳映射到通道繼電器上的控制地址最多為兩個。定義連接電纜與被測產品連接的引腳為PID；定義測點對應的通道繼電器模塊的映射地址為ADDMAP1和ADDMAP2；定義連接狀態為CONNSTAT。

關系表是數據庫設計的難點，對應連接管理中的連接關系編輯的數據后臺，是實現測試程序自動化重要環節，設計的出發點是：① 測試有電阻測量、絕緣和電抗、開關控制等類型；② 僅對通道繼電器進行控制，不需要測量的測試過程；③ 測量儀器接入到資源繼電器上有兩線制和四線制的測試項目。為此，關系表除了模塊和測點，及測量參考數據和測量結果數據外，關鍵是定義關系邏輯控制字段，定義測試類型為TYPE、測試方法為METHOD、測試策略TACTICAL。

表1 各表字段說明

5 實驗結果及分析

5.1 系統自動化和擴展性分析

檢測設備實現了自動化和擴展性的設計需求。軟件設計做到了功能劃分合理，人機交互操作友好，輸入輸出控件清晰。測試軟件運行后，經初始化系統正常，進入主程序的自動測試模塊(如圖8所示)，通過自動測試實驗，檢測設備能夠對被測產品的單次和自動測試。

通過切換模塊選項，可以進入模塊維護和連接管理模塊。通過操作，驗證了模塊維護和連接管理模塊實現了對測試產品和項目的新增和編輯，滿足了檢測設備的擴展性的設計需求。

5.2 系統電阻檢測分析

通過對聯鎖轉換電門進行自動測試，其測試數據見表2。表2中，起始測點和終止測點對應聯鎖轉換電門的測試端點，類型1為電阻測試，方法1和方法2分別為兩線制和四線制，策略2為測量項，實測值為測試結果。測試過程和數據均滿足了設計要求，能夠實現對電阻量兩線、四線制自動測試。

圖8 主程序工作界面

序號起始測點終止測點類型方法策略實測值/Ω提示說明1電阻:正電阻:負1122967221:221:71220.017開關11321:422:61220.017開關2421:422:91220.022開關4521:422:71220.022開關6621:422:31220.020開關8721:522:51220.015開關1821:522:81220.019開關3921:522:41220.035開關51021:522:21220.014開關71121:1022:11220.008開關71221:122:101220.010開關1-8

5.3 系統電阻檢測分析

通過對轉換電門組件絕緣和抗電進行自動測試，其絕緣測試數據見表3。表3中，起始測點和終止測點對應為測試產品的端點，類型1和類型2分別為電阻和絕緣測試，方法1為兩線制，策略1和策略2分別為控制項和測量項，實測值為絕緣測試結果； 產品抗電項目與絕緣相同，只是將類型2定義為3，實測值則為讀取的抗電參數。經驗證，絕緣和抗電測試均滿足設計要求，能夠實現對絕緣和抗電的自動控制和測試。

表3 絕緣測試數據(節選)

6 結束語

對各型彈射座椅電氣附件測試需求進行分析，提出了一種基于640路信號切換模塊的測試方案，設計和開發了一種彈射座椅電氣附件自動綜合檢測設備，通過測試關系數據庫和自動測試程序，實現對座椅電氣附件自動綜合檢測，可用于測試維修飛機座椅電氣附件的電阻、電壓、絕緣、抗電的性能和控制功能的自動測試，為快速檢測座椅電氣附件提供了技術手段，提高了人工效率，提升座椅電氣附件的維修能力，達到了保證座椅電氣附件修理質量的效果。