機載電子系統小型化通用測試設備設計

吳國寶，宋帆，曾俊華

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001）

0 引言

現代直升機機載電子系統功能強大、性能先進、集成度高、內外信號交聯復雜[1,2]。在使用過程中，若產生故障，僅靠機內測試（Build-in Test,BIT）隔離到外場可更換單元（Line Replaceable Unit,LRU）或外場可更換模塊（Line Replaceable Module LRU），無法實現故障模式全覆蓋[3,4]。這便意味著系統有部分故障模式，無法通過BIT 進行檢測和隔離，這給機載系統的日常維護保障，特別是戰時保障帶來了不小挑戰，直接影響飛機的出勤率[5]。

為此，設計了一款機載電子系統小型化通用測試設備，該設備可對多個機載電子系統產生的BIT 無法檢測故障模式以及BIT 可檢測但無法隔離至單個LRU/LRM 的故障模式進行外部故障檢測及隔離，有效彌補了BIT 檢測能力的不足。該設備，通過運行內置的機載電子系統對應的測試程序（Test Program,TP），實現對不同機載電子系統關鍵信號的監控，結合綜合故障診斷策略，將故障定位到單個的LRU/LRM。

1 測試原理

小型化通用測試設備，以電子系統的故障模式、影響及危害度分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA）及半實物故障注入試驗報告為輸入，確定BIT 無法檢測故障模式以及BIT 可檢測但無法隔離至單個LRU/LRM 故障模式；然后，通過對這些故障模式進行分析，確定綜合故障診斷策略，故障檢測測試方法以及故障檢測所需最小化外部測試資源。依據最小化外部測試資源，確定小型化測試設備硬件，依據故障檢測測試方法開發TP，一個機載電子系統對應一個TP。

通用測試設備由1 個硬件平臺及多個TP 及多套測試線纜組成（一個機載電子系統對應1 個TP 及1 套測試線纜）。

測試時，硬件平臺提供檢測所需的激勵、測量資源是通用測試設備的主要部件；TP 通過控制硬件平臺，實現對被測機載電子系統目標節點上信號的激勵、測量、監控，結合被測機載電子系統綜合故障診斷策略將故障定位到單個LRU/LRM；測試線纜用于實現機載電子系統、機載電子系統外部交聯系統、小型化通用測試設備之間的信號傳遞。如圖1 所示為小型化通用測試設備測試示意圖。圖2 為小型化通用測試設備測試流程圖。

圖1 小型化通用測試設備測試示意圖

圖2 小型化通用測試設備測試流程圖

2 測試設備設計

2.1 架構設計

小型化通用測試設備基于開放式結構進行系統整體架構，建立可組合性強、可裁剪可擴展的通用化測試體系，其體系架構圖如圖3 所示。

圖3 PIP 體系架構圖

整個開放式結構體系以標準化體系為基礎進行架構，構建軟件、硬件信息框架和軟件、硬件接口兩方面內容，以軟件、硬件信息框架和軟件結構組成的信息層和硬件接口組成物理層形成系統雙層結構，他們通過體系網絡有機地結合在一起形成系統整體架構。系統的各種信息可以進行高度共享，不僅能夠實現在不同的測試階段、在系統內部各模塊之間進行共享，還可實現與其他系統之間進行共享，從信息層和物理層構建系統通用化基礎結構。

系統采用模塊化設計，通過建立模型規定系統的主要功能和規范必要信息的定義，實現各功能模塊的規范化設計。如建立開關矩陣信息模型用來定義開關的連接能力及如何訪問能力等。構建模塊化硬件平臺，并實現測試資源的獨立性和組合靈活性，各測試資源可方便快捷地進行模塊互換，有利于后期測試設備的維護以及剪裁、擴展和升級。

在測試資源最小化基礎上，系統架構采用小型化設計，對設備硬件進行綜合化設計，如多功能總線通訊模塊、多功能模擬信號測量模塊等，以減少設備功能模塊數量；其次，設備內部采用高集成度設計，將硬件分成電源組件、資源組件、連接器組件三大功能區，并對各個功能區進行高效合理的堆疊，最大限度地壓縮設備的體積，減輕設備重量及降低設備功耗。

小型化通用測試設備的測試描述文件、TP 文檔基于標準化設計，可組合性和移植性強，能夠方便快捷地實現到同類其他機種、機型系列通用測試設備的移植。

2.2 結構設計

小型化結構設計方面，為滿足使用的便攜性，設備整體采用一體式拉桿箱設計。

拉桿箱直接選用的是派力肯1607AIR 型機箱，如圖4所示。這種機箱主要組成包括：箱體、箱蓋、腳輪、拉桿、把手以及壓力平衡閥等六部分。把手和可伸縮拉桿，既能滿足手提需要，也能滿足手拉拖行需要，便于單人攜行。箱體底部配有聚氨酯滾輪，滾輪直徑58mm，內部嵌有不銹鋼滾珠軸承，轉動阻尼小，振動噪聲低，可輕松通過20mm的障礙物。箱體與箱蓋之間通過兩個鎖扣實現快速開合[6]。箱蓋內部四周嵌有密封圈，可保證箱子閉合時的密封防水性能。箱體上的壓力平衡閥用于平衡箱體內外壓差。

圖4 通用測試設備外觀示意圖

箱體和箱蓋采用高分子復合材料注塑成型，各棱邊采用大圓弧順滑過渡設計，造型美觀，韌性良好，且存在剛性不足，易造成電子產品裝配精度不夠，影響電氣連接與配合，本設計對箱體進行局部加固改造，具體措施包括：

(a)箱體布置加固框口件，框口件通過螺釘實現與拉桿箱的安裝鎖緊，提高拉桿箱箱體框口剛度；

(b)框口件選用優質鋁合金材質，以滿足高強度的同時，減輕加固件的重量；

(c)框口件預留足夠的安裝孔位，用于設備面板緊固裝配；

(d)框口件與機箱安裝的孔采用盲孔螺紋設計，螺紋孔周邊設計密封圈，框口件與機箱裝配緊固后，確保安裝孔位處防水性能良好。

框口件示意圖如圖5 所示，加固后機箱效果圖如圖6 所示。

圖5 框口件示意圖

圖6 加固后機箱效果圖

一體化測試面板，采用優質鋁合金整體加工而成，一體化測試面板的外表面是通用測試設備的操作界面，配置有電源啟動開關、電源指示燈、電源接口、接地柱、控制接口、測試接口等電氣元件，內部用于安裝各功能模塊、電源模塊、線纜等電氣元件。面板兩側設計有把手，安裝時可通過把手將一體化面板整體放入箱體內。當設備內部需要維護時，只需將面板與面板安裝框架之間的螺栓拆除，便可通過把手將一體化面板整體從機箱內取出。面板上的電氣元件布局，綜合考慮了結構強度、外觀造型以及人體工程學等因素，整體設計美觀實用，符合大眾操作習慣。一體化測試面板示意圖如圖7 所示。

圖7 一體化測試面板示意圖

2.3 線纜設計

機載電子系統測試線纜包括低頻測試線纜、射頻線纜等。其中低頻測試線纜內部信號線采用高溫導線制作，依據信號抗干擾能力分別采用單芯線、單芯屏蔽線、雙絞屏蔽線和三絞屏蔽線，所有屏蔽層均可靠接地。為保證線纜柔軟，所有線纜均選用繞包線。線纜設計有防差錯螺釘，保證線纜與機載電子系統連接無誤，射頻線纜采用專用線纜制作，接頭采用符合機載電子系統射頻信號傳輸要求的專用連接器，測試線纜實物圖如圖8 所示。

圖8 測試線纜實物圖

2.4 軟件設計

為提高測試軟件的通用性和可移植性，測試設備采用基于自動測試標記語言（Automatic Test Markup Language,ATML）標準以及基于測試和信號定義（Signal and Test Definition,STD）標準的面向信號通用自動測試軟件SCATS 作為測試程序（Test Program,TP）的開發平臺[7,8]。

SCATS 將作為TP 開發和運行的核心，通過將測試需求與具體硬件平臺分離，實現TP 的跨平臺可移植，測試數據可交互，提高了測試設備的互換性。SCATS 平臺軟件采用層次化體系架構，自下至上分為物理層、驅動層、標準層、系統層、開發層和管理運行層，體系架構示意圖如圖9 所示。

圖9 SCATS 體系架構框圖

圖9 中，物理層，包含軟件運行所依賴的所有硬件資源基礎；驅動層，主要面向驅動開發人員，基于C 或Python語言進行驅動程序的開發、調試和調用；標準層，包含ATML 家族中的所有標準，這些標準構成了軟件平臺的數據結構基礎；系統層，主要面向硬件設計人員，屬于測試信息建模工具，用于配置系統中所需的信號資源、儀器和開關資源以及通過系統集成得到的自動測試系統（測試站）本身相關的信息；開發層，主要面向TP 開發人員，屬于測試信息建模工具，針對一個具體的被測對象，描述該被測對象本身相關的信息和測試電纜信息、測試需求信息（即測試描述）以及診斷模型（D-矩陣）信息；管理運行層，主要面向最終的用戶，對應于測試系統管理工具，該層次提供了TP 管理和運行（如TP 的安裝、卸載、運行控制等）功能以及硬件資源的查詢和配置功能等，其中包含的ATML運行引擎能夠解釋執行符合ATML 標準的TP 描述。此外還包含一個用于定位故障的診斷推理機以及一個管理測試結果和診斷結論等測試信息的數據管理工具。通用測試設備測試程序運行層界面如圖10 所示。

圖10 通用測試設備測試程序運行層界面

3 結論

本文設計了一種機載電子系統小型化通用測試設備。其中，硬件設備采用模塊化設計，大大提高了硬件設備自身的可維護性及互換性，測試程序在SCATS 軟件開發平臺上進行開發，有效提高了測試程序的通用性及可移植性。能較好地滿足機載電子系統故障檢測及隔離，更換備件的要求，通過在外場的多次試用結果表明，本文所提方法設計的小型化通用測試設備能夠較好地滿足機載電子系統故障檢測需要，具有針對性強，檢測效率高的特點。