基于PAWS的航空電子系統通用自動檢測設備設計

文/王凱 陳德軍 宋帆 徐卓

（航空工業直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333001）

現代軍用飛機任務種類多，需要大量采用各種先進的電子設備，使得軍用航空電子系統變得日益龐大且功能復雜，給使用中的維修和保障提出了更高要求。裝備的故障診斷成為影響戰備完好性、使用和保障費用高的主要因素[1]。隨著電子儀器自動化水平的提高，自動測試系統在包括軍用電子設備的各種工業產品的測試應用中得到大力推廣。傳統的航空電子設備專用檢測設備需要根據各分系統的任務載荷有區別的選擇測試資源來構建測試系統，需要設計專用的測試軟件[2]。航空電子系統分系統多，針對每一分系統單獨設計專用檢測設備周期長、投入大，使用過程中對空勤人員也提出更高的專業化能力，大大制約保障效率。伴隨軍用飛機及武器系統功能從單一到多樣的發展過程，美國軍用自動測試系統也經歷了從有限通用到技術通用的全系統標準化演進過程[3]。目前國內軍用ATS（Auto Test Systen）在型號科研的推動下進入規范發展的階段。形成了基于VXI總線、PXI總線、USB總線以及LXI總線等的成熟測試系統應用，如文獻[3]提出了一種基于PXI總線的通用導航設備檢測平臺的設計，文獻[4]設計了一種采用PXI模塊化儀器針對飛機飛行控制系統的通用測試平臺，文獻[5]提出了一種針對雷達分機的自動測試系統設計方案，文獻[6]開發了一種多總線融合的機載火控雷達生產線自動測試系統。國內研制的各種機載電子設備測試系統大多針對單一任務系統，仍存在通用化程度、標準化程度、信息化水平不高的問題[7]。

ATLAS作為自動測試領域的一種高級語言能夠用來描述獨立于任何具體測試系統的測試流程，在自動測試領域得到廣泛應用[8]。在美國三軍ATE計劃中的海軍綜合自動化保障系統(CASS)選用TYX公司研發的PAWS作為軟件開發平臺成功的運用ATLAS語言實現了美軍中最成功的軍用電子設備測試保障系統。鑒于PAWS開發平臺與ATLAS語言在自動測試系統中的優異性能，本文提出了一種基于PAWS平臺的融合多種總線測試儀器的航空電子系統通用自動檢測設備的設計方案。該設備已在國內直升機型號研制中得到實際運用，能夠兼顧某型直升機各種電子任務載荷系統的檢測需求，大大提高了該型直升機的現役保障與返廠維修效率。

1 自動檢測系統總體架構

航空電子系統自動檢測設備由硬件平臺和軟件系統兩大部分組成。硬件平臺主要包括主控計算機、測試資源平臺、各被測件適配器(TUA)三大部分組成。其中，測試資源平臺是整個自動檢測設備硬件的主干部分，由1553B總線類儀器、GPIB總線類儀器、VXI總線類儀器、ICA陣列接口、ITA測試接口組件組成。VXI總線類儀器由VXI總線零槽控制器、VXI總線測試儀器板卡、VXI總線開關板卡組成。測試資源平臺各儀器的輸入輸出信號引腳通過直通導線與ICA陣列接口的各信號孔相連。各被測件適配器的主要功能是用于航空電子系統各被測件(UUT)的信號引腳與平臺測試資源固定的ICA陣列接口進行匹配耦合，測試單元適配器通過各自的ITA測試接口組件與測試資源平臺的ICA陣列接口組件對接。主控計算機用于自動檢測設備的人機交互，完成所有測試任務的執行、控制與管理任務。為實現這些功能，計算機需安裝與VXI零槽控制器通訊的1394總線通訊卡，與GPIB測試儀器通訊的IEEE488總線通訊卡，與1553B測試儀器通訊的1553B總線通訊卡。計算機軟件則需安裝VISA庫，ACCESS數據庫，配置所有硬件資源的底層驅動和TP運行環境組件。設備的總體結構如圖1所示。

2 系統軟件設計

2.1 軟件總體功能

作為一個系統從整體到部分的劃分，軟件架構用于描述直接構成系統的各抽象組件，各組件之間連接明確。自動檢測設備軟件需要實現的主要功能是能夠為用戶根據具體的被測對象的測試指標對測試所需的儀器設備進行自動配置，獲取測試數據并根據測試結果進行故障定位。由此，自動檢測設備軟件應具備良好的人機交互功能，自動化的測試資源配置能力，快速的故障隔離定位能力。該檢測設備系統軟件主要由如下功能模塊組成：人機交互客戶端、測試程序集及儀器設備驅動。檢測設備各軟件模塊之間的調用關系如圖2所示。

人機交互客戶端可用于平臺的使用權限管理，測試程序集的管理以及測試過程信息的管理，但人機交互客戶端的主要功能是完成被測件測試程序具體測試動作中與測試設備驅動的銜接，根據測試程序中的具體測試動作的技術指標指導儀器設備驅動進行相應的操作如儀器設備的激勵和測量。測試程序是具體被測件測試需求流程化后用測試語言ATLAS的表達。被測件功能性能不一樣導致被測件的測試程序的差異。航空電子系統電子設備種類繁多，且該檢測設備具備通用性，能夠兼顧各被測件的測試要求，對各被測件的測試程序進行管理成為人機交互客戶端需要考慮的一個重要方面。設備驅動則根據各測試儀器能夠實現的激勵與測量的功能對儀器的各種功能按照特定步驟進行固化，并設置對外的輸入輸出接口。儀器設備的驅動能夠根據測試程序的測試要求對具體設備進行特定的動作，如將激勵數據下傳至設備將測量信息反回給客戶端顯示。

圖2：系統軟件模塊調用關系

2.2 人機交互設計

自動檢測設備客戶端軟件用于系統的人機交互，整個客戶端軟件由ACCESS數據庫、TP管理模塊、測試報告管理模塊、用戶權限管理模塊、測試日志管理模塊等組成。如圖3所示。

ACCESS數據庫用于整個系統使用過程中信息的存儲，按存儲的信息分類，ACCESS數據庫包含UUT信息表、TP信息表、測試報告信息表、用戶信息表、日志信息表。UUT信息表用于存儲UUT的中文名稱，型號，生產廠家及年月，產品序列號等信息。TP信息表用于存儲各被測件(UUT)的測試程序(TP)及其編制人員，版本號，編寫年月，版本修改說明等信息。測試報告信息表的主要功能是存儲TP運行后生成的測試報告測試時間和對應的被測件型號等信息。用戶信息表用于存儲所有可以登錄客戶端軟件的用戶名、用戶密碼、用戶權限的信息。用戶權限分為管理員用戶和普通用戶。管理員用戶具備操作客戶端軟件所有功能的權限，包括添加刪除用戶信息等操作，普通用戶只限于運行TP，查看測試報告和瀏覽客戶端軟件運行日志等操作。客戶端軟件的登錄運行等信息則存儲于日志信息表中。

客戶端軟件功能模塊中的TP管理模塊的主要任務是完成被測件TP的加載運行，UUT目錄信息顯示以目錄樹的形式顯示航空電子系統所有被測件名稱或型號，點擊相應的被測件后再點擊TP加載則導入需要的TP。平臺自檢模塊用于TP運行前平臺狀態的檢查。測試報告管理模塊完成測試報告的查找瀏覽打印等需求。用戶權限管理模塊對客戶端軟件的使用者進行管理，可以添加用戶，刪除用戶，更改用戶密碼和權限。用戶使用測試日志管理模塊可以瀏覽客戶端軟件以往的運行使用信息，打印報告。

2.3 儀器驅動設計

圖3：客戶端軟件結構

圖4：自動檢測設備外形

自動測試系統在執行ATLAS測試程序時是通過ATLAS翻譯器將測試語言翻譯成特定測試儀器的特定能力動作的一個組合，并通過PAWS軟件的RTS服務器驅動這些測試儀器來完成實際的動作序列實現測試任務。在PAWS軟件平臺下，采用兩種儀器驅動方式：(1)使用MATE CIIL語言(宏語言)，該語言是ATLAS編譯器輸出語言，ATLAS動詞被分解為單動作動詞并映射為一系列的宏調用，儀器的驅動通過BIF(Built in Function)完成；(2)使用通用編程語言C/C++，在此情況下，PAWS把宏進一步映射為C/C++語言編寫的函數。

由于各種儀器設備功能的差異，對儀器設備進行驅動開發需對其功能進行準確描述。通過測試資源能力描述，ATLAS翻譯器才能將測試動作映射到具體的儀器設備。在儀器進行描述之后才能進行驅動程序的開發。PAWS平臺在開發測試程序前需開發設備庫DDB、開關庫WDB和適配器庫ITA，其中設備庫用于對測試資源的能力描述。依據對設備的能力描述，開發設備驅動程序生成單個設備的驅動程序的包裝文件(WCEM)，該包裝文件與TPS及DDB、WDB、ITA等數據文件配合即可驅動設備完成測試。

PAWS開發平臺中使用DDB庫對測試儀器進行描述，描述內容包含靜態定義(static definition)和動態元素(dynamic elements)兩部分。儀器的名稱及量程屬于靜態定義描述，儀器的各種功能能力則用動態元素來區分。具體來將，DDB庫通常按以下5部分進行描述。

（1）設備名稱：區分儀器的邏輯名稱；

（2）連接端口：設備連接端口邏輯名稱，與ATLAS測試語句中的端口相對應；

（3）功能描述：使用名詞和動詞等關鍵字描述設備的單個具體功能；

（4）修飾符范圍：對設備能力范圍進行限定，包括數值和范圍；

（5）宏動作語句：將ATLAS單動作動詞與設備數據庫中對應的宏鏈接起來。如果使用WCEM方式，WCEM向導將對每個設備調用的C函數創建鏈接。

采用WCEM方式開發驅動，在對儀器設備進行DDB庫描述建立對應該儀器的DDB文件后使用CEM Wizard依據該DDB庫將自動生成C語言文件的WCEM驅動程序框架，開發人員使用自動化儀器設備的API接口在該框架內實現設備的控制和驅動。經過PAWS開發平臺編譯鏈接后即可生成與該儀器DDB庫相映射的WCEM.DLL文件。

3 系統平臺設計

3.1 儀器設備選型

本文提出的通用檢測設備平臺儀器主要包括：數字儀器、開關資源、電源模塊、射頻儀器、測量儀器等。數字儀器完成數字信號的發送、接收及處理，包括數字I/O、A/D、D/A、429總線卡、422總線卡、1553B總線卡。開關資源主要用于為TUA和儀器資源之間提供連接，通過開關資源實現UUT激勵和測量信號在儀器資源上的匹配，本平臺用到的開關資源有單刀單擲開關、C型開關、多路開關、矩陣開關和射頻開關等。電源模塊提供UUT所需的各種電源，由可編程電源模塊實現。射頻系統完成對雷達、無線電等的測量，主要設備有射頻信號發生器、頻譜分析儀、功率計等。測量儀器對輸入平臺的信號進行測量，由數字多用表、綜測儀、示波器等組成。

3.2 硬件平臺設計

自動檢測設備硬件平臺包括主控計算機、測試資源儀器和各被測件適配器等。主控計算機的主要功能是運行自動檢測設備系統軟件，執行測試程序，對平臺硬件資源進行配置、管理及控制，管理測試過程數據。為了保證通用性，測試資源的配置必須滿足所有被測對象的最大需求。測試資源選型時首先選用VXI、PXI或LXI等標準總線類儀器，如無法滿足需求則考慮使用GPIB接口的臺式儀器。平臺各設備的信號輸入輸出接口通過連線引到平臺ICA上。被測件適配器TUA是被測對象與平臺ICA之間的連接結構，其功能是將各被測對象專屬信號轉接成公共接口信號，是被測對象信號的預處理裝置，以便通過ICA輸送到儀器設備中，方便自動測試過程的實現。適配器主要由箱體、ITA、內部連線和識別電阻組成。箱體采用框架結構，所有面板均可拆卸，便于TUA內部組件安裝與維護。前面板安裝航插接口，用于連接測試電纜，每個接口下方有相應的接口標識。內側框架上固定可拆卸信號調理電路板的安裝架。整個TUA前面板航插的針腳通過TUA內部連線引到TUA背板ITA上與平臺ICA對接。為了防止在測試時安裝錯誤的TUA和被測件，TUA內部加裝識別電阻，TUA識別電阻與被測件的測試程序TP對應。TP在設備不加電的情況下識別出安裝在TUA的識別電阻阻值，如果識別電阻測試不通過則TP跳出運行并給出提示。

考慮資源體積與使用場景的要求，平臺硬件使用19英寸標準機柜安裝，如圖4所示。機柜左、右側壁開有信號連接口，用于安裝信號連接裝置，實現機柜間信號連接。由于該套自動檢測設備兼顧多個型號機型的測試需求，具有很好的通用性，導致該檢測設備儀器設備較多，需使用4個機柜安裝。機柜內每臺儀器獨立安裝，獨立密封。機柜內儀器的電源和信號集中到Hypertac公司的H系列連接器上，通過電纜在機柜間連接，最終匯集到ICA上。

4 檢測設備實例應用

圖5：UUT測試對話框及運行結果

通用自動檢測設備需要能夠兼顧某型號直升機各型電子設備的檢測需求，各電子設備的測試過程由與其對應的單個TP程序完成。檢測設備對各被測對象(UUT)的TP進行管理，其人機對話窗口如圖5所示。選擇測試對象時可根據顯示UUT名稱或顯示UUT型號，下方樹狀目錄將顯示各UUT的名稱或型號。在樹狀目錄中選中要測試的UUT，點擊左下角加載按鈕，則該UUT的TP將導入RTS服務器，TP在RTS中運行時的打印信息將顯示在圖5對話框的測試過程信息顯示框中。如圖6所示是進行飛控計算機測試時，TP打印的測試過程信息。如圖5所示，在自動檢測設備開啟后進行飛控計算機測試前TP會給出測試前準備信息，主要工作有安裝TUA連接設備。在設備安裝無誤之后，TP開始進行飛控計算機測試。首先TP程序要控制平臺電源給飛控計算機通電使飛控計算機進入運行狀態。上電過程中RTS根據TP中的上電程序代碼從ATLAS設備庫中分配電源資源并調用該資源的底層驅動與平臺電源通訊執行對應動作。上電之后，通過TP程序中使用萬用表測量飛控計算機電壓輸出引腳的電壓確定上電是否完成，RTS調用萬用表資源的過程同調用電源資源的過程。萬用表測得正常電壓后在測試過程信息中顯示“27V輸入電源正確！”后進入后續與飛控計算機的握手測試。握手測試過程中，TP驅動ATE平臺RS422總線仿真卡向飛控計算機發送“7F7F7F”命令字，飛控計算機進入維護測試模式后向外發送“8A8A8A”狀態字。TP驅動平臺RS422總線卡處于偵聽狀態，當接收到飛控計算機返回的狀態字后將測試過程信息顯示在測試過程信息顯示界面上。經實際使用驗證，該檢測設備能夠完成某型直升機所有電子設備的功能及性能的測試要求。

圖6：UUT測試過程信息

5 結論

隨著飛機設計研發水平的不斷提高，飛機上的航空電子功能的不斷增強，對航空電子設備故障的維修檢測工作提出了更高的要求。研發高性能的通用自動化航空電子系統綜合檢測設備是目前飛機維修保障設備研制的一個重要方向。本文提出了一種采用PAWS開發平臺使用ATLAS測試語言的綜合檢測系統。該系統硬件使用VXI總線、GPIB總線和1553B總線等多種總線自動化儀器集成，在PAWS平臺下使用各自動化儀器提供的API接口函數對各儀器的功能進行再次驅動封裝，使各儀器能夠適應ATLAS測試程序的測試動作要求。經過某型號飛機的實際使用驗證，該設備用于此型號飛機航空電子系統的維修保障可提高航空電子設備故障檢測的自動化水平和故障檢測隔離率。