基于ATE的飛機外掛裝置電路板故障診斷測試臺設計

朱健亮， 劉 銳， 羅運虎

(1.南京航空航天大學 自動化學院,江蘇 南京 210016； 2.蕪湖天航裝備科技有限公司，安徽 蕪湖 241000)

作為飛機外掛裝置的關鍵部件，電路板承擔著信號采集、運算和處理任務，一旦發生故障，將直接導致其電氣與機械機構的誤動、拒動等不良后果，因而對其進行測試與故障診斷顯得至關重要。然而，長期以來，對電路板的研究主要集中在邊界掃描[1]、圖像處理[2]、無損探傷[3]、紅外成像[4]、EDA[5]和ATE[6]等技術在電路板快速檢測與維修保障中的應用研究方面，對有關電路板測試系統設計開發的研究較少[7-8]。

目前，有關飛機武器外掛裝置的研究主要集中在測試系統研究[9-13]，對其內部電路板的測試與故障診斷尚屬空白。文獻[9]和文獻[10]分別基于PXI與PC104總線設計外掛裝置與掛架測試系統；文獻[11]和文獻[12]基于LabWindows/CVI與工控機，對導彈發射裝置進行設計；文獻[13]針對目前有關飛機武器外掛裝置的檢測設備種類繁多、功能單一、測試資源互不通用、檢測效率較低等問題，研制了一臺電氣性能綜合試驗臺。迄今為止，針對飛機武器外掛裝置內部各型電路板進行測試與故障診斷的研究一直被長期忽視。

目前，X系列飛機外掛裝置修理工廠對其內部電路板的修理與測試依然采用手動方式，測試流程煩瑣，測試效率和測試精度較低。為滿足X系列飛機各型外掛裝置電路板故障診斷、維修保障和綜合測試需要，本文基于自動測試理論，研制了一臺X系列飛機外掛裝置電路板故障診斷測試臺。

1 測試臺總體測試方案設計

1.1 外掛裝置電路板分類

本測試臺要測試的9種外掛裝置電路板可分為模擬板、數字板以及總線板三類。

(1) 模擬板。

該類電路板由運放、三極管、二極管、電容、電阻和模擬開關等器件組成，實現直流穩壓電壓變換、帶通濾波、基準電壓±0.5 V誤差檢測、相位和頻率變換等功能。

(2) 數字板。

該類電路板由各種門電路、三極管、光耦、MAX186等器件組成，實現各種狀態信號的讀取、光耦通/斷控制、A/D轉換和矩形波的產生與變換等功能。

(3) 總線板。

該類電路板以DSP(TMS320F240)、GAL20V8B等為處理器，以1553B總線協議芯片(BU61580)、ARINC429協議芯片(DEI1016)、MAX232為總線接口芯片，實現總線信號的發送與接收。

1.2 外掛裝置電路板測試需求

(1) 模擬板測試需求。

針對各型模擬板，能夠完成待測電路板自動識別、引腳導通性和不同電壓信號之間的相互轉換。

(2) 數字板測試需求。

針對各型數字板，能夠完成待測電路板自動識別、引腳導通性和各種狀態信號的讀取與各種邏輯控制信號的輸出。

(3) 總線板測試需求。

針對各型總線板，能夠完成待測電路板自動識別、引腳導通性和各種總線信號與數字信號之間的發送與接收。

1.3 測試臺測試架構

基于上述測試需求，所設計的測試臺采用“工控機+適配器箱/各種程控部件+轉接板+測試底板”分層架構。其中，工控機內嵌多塊PCI型多通道模擬量輸出卡(PCI-1721)、非隔離型多通道數字輸入/輸出卡(PCI-1753)、隔離型多通道數字輸入/輸出卡(PCI-1756)、多通道串口卡(PCI-1612C-CE)、1553B總線板卡(CAV-1553B-PCIB-2M-C)和ARINC429總線板卡(CAV-A429-PCIB-8DCH-C)；適配器箱內嵌多塊矩陣開關板(注：共計6塊，每塊板實現4通道×32路選擇)和1塊AO卡輸出信號調理板；各種程控部件由數字萬用表、數字示波器、多通道程控直流電源組成；轉接板用于將適配器箱/各種程控部件的輸出信號引至一塊板用于資源分配；測試底板用于測試待測電路板，并與轉接板相對插，其測試架構如圖1所示。

1.4 外掛裝置電路板測試方法

① 首先，通過導軌將與待測電路板相對插的測試底板與轉接板相對插。

② 其次，通過不同的插座，將待測電路板與測試底板相對插(注：不同的插座，對應不同的型號識別電阻)。

③ 然后，打開工控機、數字萬用表、數字示波器、多通道程控直流電源和適配器箱電源開關，并打開電路板測試軟件。

④最后，運行測試軟件，對待測電路版的各模塊進行自動測試、數據保存/查看/打印，測試結果用指示燈進行提示，其中綠燈表示測試通過，紅燈表示測試不通過。

2 硬件選型與設計

2.1 硬件選型

針對測試需求及其測試精度，本測試臺所選用的測試部件包括各種程控部件和板卡，具體介紹如下。

2.1.1 各種程控部件選型

① 數字萬用表Keysignt34461A；

② 多通道程控直流電源IT6322A(2通道0～30 V/3 A、1通道0～5 V/3 A)；

③ 數字示波器DS1104Z。

硬件選型原則：

圖1 測試臺架構示意圖

① 選擇數字萬用表時，需要滿足電壓/電阻值的測試精度要求，所以選擇6位半的數字萬用表。

② 選擇多通道程控直流電源時，其輸出電壓與電流要能滿足待測電路板的工作狀態，即輸入電壓0～27 V，輸入電流0～2 A，考慮預留一定的容量，選擇輸出為0～30 V/3 A、0～5 V/3 A。

③ 選擇數字示波器時，其測試性能需要滿足待測電路板的頻率等要求(100 kHz)，考慮預留一定的容量，選擇100 MHz，其采樣率為1 GS/s。

2.1.2 各種程控板卡選型

① 多通道模擬量輸出卡(PCI-1721)。

② 非隔離型多通道數字輸入/輸出卡(PCI-1753)。

③ 隔離型多通道數字輸入/輸出卡(PCI-1756)。

④ 1553B總線板卡(CAV-1553B-PCIB-2M-C)。

⑤ ARINC429總線板卡(CAV-A429-PCIB-8DCH-C)。

⑥ 多通道串口卡(PCI-1612C-CE)。

硬件選型原則：

① 選擇多通道模擬量輸出卡時，需要考慮待測電路板需要模擬信號的電壓范圍及其通道數。

② 非隔離/隔離型多通道數字輸入/輸出卡時，需要考慮待測電路板的數字輸入/輸出通道數。

③ 選擇1553B總線/ARINC429總線/串口卡時，需要考慮待測電路板需要的1553B總線/ARINC429總線/串口通道數。

2.2 硬件設計

2.2.1 適配器板設計

適配器箱由6塊矩陣開關板、1塊AO調理板、1塊電源板和底板組成，其中矩陣開關板架構框圖如圖2所示。

圖2 矩陣開關板架構框圖

該板采用型號為EP1C6Q240C8的FPGA作為處理器，采用SN74LVC4245ADBR的電平轉換器實現3.3 V和5 V的電平轉換，采用型號為ULN2803的驅動芯片用以驅動繼電器動作；AO調理板用以將內嵌于工控機的2塊AO卡經運放輸出不同范圍的電壓信號；電源板負責將220 V交流電壓轉換為5 V和24 V直流電壓，其中5 V用于向適配器箱內部6塊矩陣開關板的FPGA與G5V-1繼電器供電；+24 V用于向AO調理板內部的運放供電；底板則通過多片74HC245將ISA總線信號同向驅動后接至各分板，它能夠使6塊矩陣開關板、1塊AO調理板和1塊電源板實現數據共享與相互通信，并在ISA總線通信卡的控制下有效協調運行。

2.2.2 轉接板設計

轉接板一方面將各種程控部件、板卡和適配器箱的各種輸入/輸出信號集中在一起，另一方面將上述信號引至測試底板相應測試待測電路板的插座上。

2.2.3 測試底板設計

測試底板一方面通過與轉接板相對插，將信號資源引至測試待測電路板的插座上，另一方面用于安裝固定待測電路板。

3 軟件設計與開發

3.1 軟件需求分析

① 測試軟件應具有良好的人機交互界面，測試項目完整，測試邏輯流暢。

② 為防止測試者誤操作，通過軟件保護來防止誤操作對產品造成損壞。

③ 測試結果能夠保存為Excel或PDF格式文件，且所保存文件具有密碼保護，防止測試數據被篡改。

基于上述需求分析，為提高軟件開發效率，選用VC++6.0作為開發平臺，并采用面向對象的編程思想使用微軟基礎類庫(MFC)進行軟件界面開發，同時利用多線程編程來實現硬件之間的信息交互[14]。

3.2 軟件設計原則

① 軟件布局設計要合理，把功能相近的按鈕放到一起，減少操作流程，并且工作界面要具有舒適性。

② 軟件開發需要便于后期維護與擴展，在軟件開發時要降低軟件的復雜性，運用模塊化編程思想設計軟件，有利于提高程序后期的可維護性和可擴展性[15]。

③ 軟件需要能夠監視硬件狀態，在測試每個項目時，先讀取適配器箱內部板卡狀態，如果板卡狀態有誤，則停止測試并彈出錯誤信息。

3.3 軟件功能測試

① 測試臺內部各電路板與板卡自檢測試。

② 待測電路板自動識別。

③ 待測電路板各種模擬信號測試，包括正弦信號特性(頻率、有效值等)、不同正弦信號的相位差等測試。

④ 待測電路板各種數字信號測試，包括各種電平數字信號之間轉換、邏輯門性能和模數轉換等測試。

⑤ 待測電路板各種總線信號測試，包括1553B/ARINC429總線/RS232發送/接收測試等。

3.4 軟件開發流程

限于篇幅，這里僅給出矩陣開關板自檢測試流程圖，如圖3所示。

圖3 矩陣開關板自檢測試流程圖

4 測試驗證

4.1 測試條件

所研制的測試臺實物如圖4所示。測試臺測試操作步驟如下。

① 打開測試設備電源總開關，確認電源指示燈處于點亮狀態。

② 打開上位機測試軟件，并依次打開數字萬用表、數字示波器、多通道程控直流電源和適配器箱開關。

③ 通過測試軟件對各程控部件與板卡進行自檢，自檢成功后，將待測電路板與測試底板進行對插。

④ 對所測電路板進行型號識別，識別成功后進入到相應測試界面并按照測試需求進行功能測試，限于篇幅，這里僅就模/數轉換的PC端結果進行顯示。

圖4 測試臺外觀圖

⑤ 測試完成后，將測試數據進行保存/查看/打印。

4.2 測試結果

4.2.1 測試臺適配器箱內部各電路板自檢測試

測試臺自檢具體包括各種程控部件、內嵌于研華工控機內部的板卡和適配器箱內部各種自制板卡(包括6塊矩陣開關板和1塊AO調理板)。限于篇幅，這里以其中1塊矩陣開關板為例。該矩陣開關板共128個繼電器，兩兩一組(如1#繼電器與33#繼電器為一組，2#繼電器與34#繼電器為一組，以此類推，共計64組)，對其相互導通性進行測試。測試臺自檢測試結果如圖5所示。

圖5 測試臺自檢測試結果

由圖5可以看出，回路電阻值為0～5 Ω(注：矩陣開關板內部線路電阻大約為0～4 Ω)，滿足測試要求。

4.2.2 待測模擬電路板功能測試

這里以不同正弦信號之間的相位差測試為例進行說明。通過數字示波器，利用程控手段對某待測模擬電路板兩路相位差電路進行測試，如圖6所示。從圖6中可以看出，輸入波形為f=8.5 Hz，A=10 V的正弦波；輸出波形經變換后幅值在1.8 V左右，相位滯后原波形約68.64°，滿足測試要求。

4.2.3 待測數字電路板功能測試

該待測電路板模數轉換器件為12位的MAX186芯片，其時序與SPI接口兼容。這里以通道0為例，命令字為0x8f(表示0通道，單極性，采用外部時鐘進行A/D轉換)。所加輸入電壓為2.140 V。模數轉換測試結果如圖7所示，模數轉換PC顯示結果如圖8所示。由圖7可以看出，經轉換后輸出結果為0x42，0xf0，去掉第一位與最后三位的0，得出轉換結果為100001011110，參考電壓為4.096 V，最終結果為2.142 V，滿足測試需求。

圖6 不同正弦模擬信號之間的相位差測試

圖7 模數轉換測試結果

圖8 模數轉換PC顯示結果

4.2.4 待測總線電路板功能測試

限于篇幅，這里以1553B總線電路板為例進行說明。通過1553B總線板卡，利用程控手段對某待測電路板1553B總線信號轉數字信號進行測試。1553B總線信號轉數字信號測試結果如圖9所示，由圖9可以看出，命令字0x0821表示遠程終端地址為1,RT端進行數據接收，子地址為1，接收1個數據字,校驗位為0，數據字為0xa5a5，校驗位為1。待測電路板接收到的數據字為0xa5a5，經該板DSP解析后輸出1010,0101,1010，0101,滿足測試要求(注：限于篇幅，這里僅給出DSP對1553B總線協議芯片(BU61580)的RT初始化流程圖，如圖10所示)。

圖9 1553B總線信號轉數字信號測試結果

圖10 RT端初始化流程圖

5 結束語

為滿足X系列飛機各型外掛裝置電路板故障診斷、維修保障以及綜合測試需要，基于自動測試理論，研制了一臺X系列飛機外掛裝置電路板故障診斷測試臺，并開發出對應的上位機軟件，測試結果表明其有效性。由于受時間等諸多因素的影響，所研制的測試臺后續要在測試精度、測試標準和擴展性等方面加以改善。所做研究對于其他飛機外掛裝置電路板測試具有借鑒意義與參考價值，具有廣泛的應用前景。