基于数据库的飞行器通用测试平台设计

黄 皓，方 媛，尹禄高

（北京宇航系统工程研究所，北京100076）

随着飞行器型号种类越来越多，测试数据量越来越大，依赖人工判读与耗费时间的测试设备架构已很难适应新的自动化要求，而自动测试系统（ATS）具有检测效率高、测量准确度高、自动化程度高、故障定位准确、可靠性高、操作简便等特点，已广泛应用于国内外电子系统的研制、生产、测试、检验的各环节中。因此ATS开发研究是飞行器型号测试实现自动检测和保障的必经之路，也是衡量生产测试现代化水平的一个重要标志[1]。

当前虚拟仪器的发展目标是实现“软件就是仪器”，该含义就是利用高性能模块化的硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试和自动化的应用。灵活高效的软件创建自定义的用户界面，模块化的硬件则方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。其核心的思想是利用计算机强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性[2]。

本文介绍了一种以现代的自动测试思想和虚拟仪器技术为基础，通过利用商用PXI总线技术，建立以PXI总线模块为硬件平台核心的ATS的设计方法。该ATS采用Access数据库配置型号的测试信息方式，PXI模块选型对应的信号测试功能需求，实现多型号测试功能综合集成于同一测试平台，并且后期系统维护升级通过替换PXI模块即可简单完成，最终达到飞行器电气系统测试平台柔性配置，以及通用化、系列化、模块化等目的。

1 测试原理及方法

大型飞行器电气分系统测试原理可归纳总结为测试系统发出激励信号给被测对象，并且从被测对象采集响应信号。以舵机系统为例，舵机系统采用3环控制方案，即由电流环、速度环和位置环3个回路组成，电流环和速度环称为内环，位置环称为外环。其结构如图1所示。

图1 舵机位置随动控制功能框图Fig.1 Control function of servo position block diagram

舵机执行机构本质为电机伺服控制，电枢回路电压平衡方程：

式中：Ua（t）为电枢电压；Ra和 La分别是电枢电路的电阻和电感；ia（t）是电枢电压所产生的电枢电流。

Ea是电枢反电势：

式中：Ke是电势系数；ωm（t）是电机转速。电磁转矩方程：

式中：km为电机转矩系数；Mm（t）是电枢电流产生的电磁转矩。

电机轴上的转矩平衡方程（忽略磨擦等因素）：

式中：Jm是电机和负载折合到电机轴上的转动惯量。当La较小时，可将其忽略，则电机的传递函数：

式中：k=1/Ke。

利用Simulink工具箱进行原理功能框图的搭建与激励数据模拟，通过观测仿真过程中的参数数据变化情况，可以验证总结的控制规律数学模型是否正确，同时为测试平台输出给控制舵机激励信号提供依据[3]。

舵机位置随动曲线仿真结果如图2所示，通过仿真结果可以明显看出，舵机最终位置收敛并趋于3.3 V。

图2 舵机控制位置信号仿真图Fig.2 Signal simulation of the servo position

建立被测对象理论模型为测试平台应用功能验证提供了目标与参考依据，测试平台通过发出激励信号，并监测舵机反馈信号，一方面验证舵机系统工作是否正常，另一方面验证测试平台的测试覆盖性。

根据飞行器ATS设计要求，测试系统主要由硬件平台、软件平台和自动测试流程TPS组成。其中硬件配置主要由：PXI测控组合、电源、电源控制组合、测试适配器及系统自检装置等组成。PXI测控组合为系统核心，主要由PXI机箱、PXI总线仪器、键盘、显示器、鼠标组成。

由PXI测控组合通过继电器模块控制电源、D/A模拟输出模块控制激励信号输出，经过信号适配器隔离及调理后，转接至被测对象测试接口，同时监测被测对象的信号响应，响应信号经过适配器转接调理后送至PXI采集模块。

其中适配器是通用测试平台中为了通用激励源匹配各型号信号测试接口的一个适配环节，这也是通用平台与专用测试需求之间必需的接口转换。通用核心部分为PXI模块，由如下部分组成：

1）继电器模块NI PXI-2569，提供继电器开关的闭合与断开，一方面用于内部控制功能，例如：电源控制组合内电源输出通断，另一方面提供开关指令，例如短接指令、28 V指令等。

2）D/A模块PXI-6733，提供模拟量激励的信号源，其输出范围为±10 V，单通道最高可达1 MS/s，若通道全部工作也不低于740 kS/s，输出精度也达16位，有效地保证直流和低频率交流信号的激励指标要求。

3）数字万用表模块PXI-4065，为一款六位半的PXI数字万用表，内置7种测量模式：AC/DC电压、AC/DC电流、2或4线制电阻、以及二极管测试。并且在最高精度六位半下最大速度可达10次/s。

4）多路复用开关模块PXI-2575，可配置196×1 1线模式或98×2 2线模式，最大承载可达100 VDC，100 VAC，每个继电器 1 A。

5）模拟量采集模块PXI-6259，为一款32路16位精度，最大采样率达1.25 MS/s。

6）示波器模块PXI-5154，最大可提供2 GS/s实时采样率，带宽可达2 GHz，可设置边缘、窗口、数字等触发模式，为信号动态监测、排故等提供了工具和手段。

测试系统应用软件是基于虚拟仪器自动测试系统的重要核心组成部分，从通用化、模块化角度出发，顶层设计应采用分层次、模块化软件体系结构与面向对象的编程方法。软件程序包括数据管理、任务管理、测试执行以及辅助功能等几大功能，其中任务管理具有测试流程导入、修改、删除、查询、浏览等编辑功能；测试执行具有型号测试流程选择、连续执行、单步执行、中断、暂停等功能；数据管理及辅助功能具有权限管理、底层配置数据查询等功能。

2 软件设计

测试应用软件在当前虚拟仪器时代的特点就是其控制面板由计算机软件界面取代，由计算机控制仪器硬件，软件框架如图3所示。依据通用飞行器测试平台软件需求，软件开发考虑的要素有如下几点：必须与底层PXI板卡驱动接口兼容；良好的人机交互界面；底层配置文件的有效管理。综合以上几点，数据库应用层设计选择使用Access数据库，而用户层选择LabView作为平台界面及功能开发工具。

LabView软件开发工具是开发一个测试系统的高效选择，其采用图形化的编程语言、直观的前面板和流程图相结合的方式来构建虚拟仪器。相对于传统编程方式而言，LabView简单易学，节省了开发周期，丰富的图形界面组件和库函数为用户设计各种专业软件提供方便，有着广泛的应用[4]。

图3 虚拟仪器测试系统软件框架图Fig.3 Software architecture of virtual instrument test system

但是在使用LabVIEW软件开发该通用平台过程中，很重要的一个考虑因素是用户需对采集到的数据进行显示、查询、删除、分析、报表、打印等操作。这就需建立安全高效的数据库对数据进行管理，虽然LabVIEW拥有强大的设计功能，但是它本身并不具备数据库访问功能，需要其他的辅助方法来进行数据库的访问。对通用测试软件平台而言，需要底层文件灵活配置来实现对不同型号的扩展，从而达到软件的通用性。所以采用Access数据库方式来保存测试信息，包括测试参数、信号配置、测试流程等。

2.1 数据库应用层设计

Access数据库访问操作通过ADO技术完成，而数据库访问工具包LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的工具。它支持Windows操作系统中任何基于OBDC的数据库，利用Microsoft ADO以及SQL语言来完成数据库访问，将复杂的底层ADO及SQL操作封装成一系列的LabSQL VIs。它的优点是易于理解、操作简单，不熟悉SQL语言的用户也可以很容易地使用[5]。

飞行器通用测试软件平台采用LabView图形化编程开发工具开发，一方面可以设计开发具备友好风格的界面，另一方面利用LabView强大的板卡操作驱动工具包控制板卡的I/O信号，并且可使用LabSQL控件操作底层数据库配置与读写，形成数据库配置信息到PXI板卡I/O操作的完整链路。其中LabSQL VIs按照功能可以分为4类：Command VIs，Connection VIs，Recordset VIs和 Top Level VIs。

1）Command VIs的功能是完成一系列的基本ADO操作，例如创建或删除一个Command，对数据库的某一个参数进行读或写等。

2）Connection VIs的功能是管理 LabVIEW 与数据库之间的连接。

3）Recordset VIs用于对数据库中的记录进行各种操作，例如创建或删除一条记录，对记录中的某一个条目进行读或写等。

4）Top Level VIs属于顶层的LabSQL应用，对前3类LabSQL VIs某些功能的封装，例如SQL Execute.vi可用于直接执行命令。

2.2 数据库配置设计

测试平台的软件测试配置信息通过Access数据库记录读取方式，为了实现柔性化配置，采用多表单配置方式，即通用表单对应于通用硬件配置信息，专用表单对应于独特专用的配置信息。软件用户层首先根据型号索引相应型号专用数据库表单，再通过表单链接索引方式，将该型号参数信号与模块一一对应，实现对参数的操作解析翻译成模块操作。若未来扩展型号，硬件方面增加型号适配器，而软件对应增加相应数据库表单即可，大大减少软件系统重新更改设计的工作。

测试数据库组成有手动执行、自动流程执行、被测对象与适配器关系、适配器内部关系、适配器与PXI关系这几个表单。软件界面以及测试数据库表单的相互间索引关系如图4所示。

图4 参数数据结构索引关系示意图Fig.4 Schematic diagram of index relationship of parameter data structure

通过索引关系建立起参数与底层硬件模块的映射，而且更换型号适配器只需更换对应的适配器信息与参数名称即可完成柔性化扩展，通用平台的数据库分表配置信息架构非常适用于设计可扩展多型号的软件平台。

2.3 用户层设计

从飞行器电气系统通用测试平台的软件需求角度出发，软件需要具备的功能有[6]：

1）用户登录功能，包括型号选择、操作选择、登录口令等管理；

2）权限管理、测试配置浏览以及部分测试功能，其中测试功能包括测试界面、手动测试界面、自动测试流程TPS编辑生成；

3）底层测试数据库设计功能；

4）与底层板卡驱动的数据控制交互功能；

5）自动测试界面自动执行功能。

2.3.1 登录权限管理功能

测试软件登录界面中有 “型号选择”、“操作选择”、“用户名”、“密码”、“进入”等输入控件，软件根据数据库设置值来决定用户是否具备该型号测试或者配置等权限，例如软件平台为最高权限管理员提供人员权限管理入口。管理员进入人员权限配置界面后，可以查看所有用户及权限分配情况，同时可以直接编辑人员与其对应的型号权限分配设置值。

用户名与密码为最高权限者分配给测试用户的进入口令，若未分配权限或者密码输入错误，信息框将会提示错误。若用户名和密码正确，软件将自动进入测试界面。

2.3.2 测试执行功能

自动测试流程的执行与配置编辑在测试界面完成，为了满足测试软件管理要求，程序要求用户必须具备管理员Administrator权限，程序才提供修改底层自动流程数据库入口，而普通用户只具备执行自动测试流程的权限，从而形成自动流程版本与更改的管理控制。

测试执行界面采用表格、文本框、指示灯、按钮等控件元素组成，自动测试载入的操作步骤基本如下：

1）测试操作选择“自动操作”，选择测试流程，默认为“型号自动测试流程表”；

2）点击“读取自动流程”，将会加载该测试流程，并且在自动测试流程执行表中显示；

3）载入自动测试流程后可“自动执行”、“单步执行”、“暂停”或“终止”。

为了更好验证系统工作状态预期，通过A/D模块监测采集舵机系统的位置信号，其回放数据曲线如图5所示，可以观察到波形与仿真结果一致，比较好地验证了系统测试功能稳定并且效果与预期一致。

图5 舵机位置信号监测图Fig.5 Signal monitoring graph of the servo position

3 结语

本文详细介绍了通用飞行器测试平台架构设计方法，即采用PXI总线仪器模块架构为硬件基础，软件开发方面使用图形编程工具LabView结合Access数据库柔性配置测试信息的方式，并且该设计平台结合某型号飞行器分系统的测试，试验结果表明，效果满足系统要求，该方法可作为类似系统平台设计的参考。

[1]赵丽.某型号雷达导引头测试控制系统的设计[D].成都：西南交通大学，2008.

[2]何远辉，谭业双.基于PXI总线的某型装备自动测试系统[J].四川兵工学报，2009，30（5）：83-85.

[3]鲍传美，陈刚，李云.基于Matlab/Simulink的电动舵机系统建模与仿真[C]//企业产品国际化与微电机技术论坛，2006.

[4]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5]王瑞，张彦军，于晓光.基于PXI总线的遥测信号测试平台的设计[J].微型机与应用，2010，29（3）：11-16.

[6]赵鹏，蔡忠春，李晓明，等.某型飞机发动机故障诊断专家系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（12）：25-27.