机载电子飞行仪表系统测控平台研制

钱 伟，王海斌，杨 江

（中国民用航空飞行学院 飞机修理厂，广汉618300）

随着航空技术的发展和需要，基于大规模集成电路、微处理机、总线传输接口技术及多路切换技术的发展，现代飞机驾驶舱普遍用数字式显示计算机替代以往机电式显示仪表如地平仪、航道罗盘、电动高度表、马赫空速表等，并将飞行、导航等大量信息进行综合，形成电子飞行仪表系统（EFIS）。EFIS主要显示内容包括主飞行显示参数：如飞机姿态、高度信息、速度信息、A/P和A/T衔接状态及工作方式、重要的警告信息；主要导航信息：包括各种导航参数与飞行计划、系统故障信息等。这些数据信息主要通过 RS232、RS485、Arinc429、以及以太总线接口技术与航电系统其它部件进行交联传输数据。飞行驾驶员通过EFIS显示信息实时地对飞机工作状态进行全过程操控，因此EFIS系统失效对于飞行安全影响很大。

如何实现对EFIS系统进行快速准确的性能测试及完成相应的故障自动诊断一直是航空维修领域研究的热点，自从20世纪80年代以来，文献[1]开始航空总线测试相关的研究。近年来随着计算机技术的发展，功能更先进的总线测试装备被相继开发[2-3]，但是大多数测试平台存在通用性差、可继承性差的问题[4]，而西方国家应用各类总线技术开展的装备测试技术具有自动化程度高、实用性强、扩展能力好等优点[5-8]。对于航空维修单位通常需要面对多种型号EFIS设备，如何设计实现一种适用于多种型号EFIS设备的测试平台对于提高测试平台的通用性与维修效率意义重大。

针对上述现状，本文设计了基于虚拟仪器的机载EFIS系统测试平台。该平台能够对被测设备性能进行记录及故障判断，具有检测自动化程度高、通用性好、测试效率高、故障自动辨识等优点。

1 系统总体设计

自动测试平台的设计主要分为硬件平台与软件平台的实现，硬件平台提供测试所需的物理资源接口，主要由计算机，继电器控制板，通讯板卡，UUT适配器接口、连接电缆，程控电源，外置通用仪器（提供EFIS信号、导航信号、音频信号等标准信号源以及电气参数测量、信号完整性分析等功能的仪器设备）构成。软件平台利用虚拟仪器软件LabVIEW实现测试界面设计、总线协议数据转换、测试流程实现、测试结果分析，故障自动诊断，资源配置（包括启动电源适配模块，调用外部测试计量通用仪器、信道切换等）等功能。为了实现对多型号EFIS系统的测试，设计了多种被测设备接口，为了方便测试结果的存储、打印及后续测试扩展，系统预留了VXI接口与USB接口。测试平台的总体结构如图1所示。

图1 测试平台总体结构Fig.1 Structure of auto test platform

2 系统总体设计

整个测试平台以工控计算机为核心，采用研华工控机通过总线方式与各物理资源和被测设备进行通讯连接，内置了PCI总线、GPIB总线、IEEE1394总线、VXI总线及USB串行总线等接口。通过PCI接口连接航空专用Arinc429总线通讯板卡，RS232/RS485串行通讯板卡以及AD/DA数模转换板卡实现与被测试件的通讯以及相应的信号控制、数据读取与协议转换，利用AD/DA数模转换板卡实现内部虚拟信号源与虚拟示波器，以减少外部设备需求，节约测试成本。

GPIB（general purpose interface bus）总线是程控仪器与控制仪器常用标准接口，测试平台通过GPIB总线调用所需的外部通用仪器资源，包括调用射频信号源、多功能万用表、GPS模拟器、Arinc429数据发生器、波形发生器、示波器、通讯/导航综合测试仪等。

通过VXI总线对相应控制器模块、数字I/O板卡、32×24路继电器矩阵开关板进行控制，以实现对信道资源、电源适配器的多路切换，以减少测控电缆的数量，还可对系统连接板上的各路电信号进行自定义，满足后续的扩展需求。

测试平台接口板与被测设备之间设计了国内通用航空常装备的几类EFIS设备的接口测试电缆，在测试过程中根据需要进行选用。接口板共设计了420路插针接口，现有的需求占用了220路插针，预留200路插针为以后扩展使用，该冗余设计可以适应不断增加的其它类型EFIS设备的接口需求。

通过系统USB串行数据接口实现对测试数据的储存和打印，只需要安装相应驱动即可使用。系统的测试硬件结构如图2所示。

图2 测试平台硬件结构Fig.2 Test platform hardware structure diagram

3 系统软件设计

3.1 软件平台

LabVIEW是NI公司研制基于图形化编辑语言Gui编写而成的一种程序开发环境，被广泛应用于测量及控制领域，并且集成了强大的函数库可以被直接调用，还包括GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，因此平台选择以NI LabVIEW 2011为集成开发环境。

3.2 测试程序构架

测试平台所需完成的功能是能够对多型号EFIS系统进行自动性能测试以及根据被测设备的性能进行故障自动判别。程序设计按照模块化设计思路在LabVIEW集成环境下进行了测试平台软件开发，主要包括驱动层设计及功能应用模块程序设计，如图3所示。

图3 测试程序软件构架Fig.3 Structure of test software

驱动层设计主要包括GPIB底层驱动，以及Arinc429，RS232/485 等通讯数据板卡驱动，便于在应用模块程序中进行调用。在LabVIEW内部集成了大量可供调用的底层驱动库函数，通过对Windows环境下DLL动态链接库即可实现调用。对于EFIS模块中的复杂虚拟显示模块，如飞行水平状态指示器EHSI，它需要实时显示EFISVOR方位，LOC/GS等导航参数信息，需要在集成开发环境下进行模块开发，然后存储到函数库方便调用。数据库用于记录UUT的件号、序号信息，测试数据，故障信息等，平台开发选用Access数据库。在应用模块程序中设计了系统自检模块、数据管理模块、性能测试模块、故障诊断模块、工作模式选择模块等。

系统自检模块用于验证测试平台硬件的可靠性，通过自检程序产生测试指令对硬件系统的输出响应进行读取，实现对测试平台硬件平台的状态检测。

模式选择可以选择设备的工作状态，是进入自动测试模式还是进入人工半自动测试模式，方便对测试程序进行修正及对被测机件进行故障诊断。

最核心的模块为性能测试模块、故障诊断模块及数据管理模块，每个核心模块下都可以选择所需要测试的UUT类型子模块，每个子模块对应的测试程序及参考合格参数都严格对应维修大纲所要求的性能。

性能测试模块通过调用GPIB仪器提供测试信号源及对响应信号进行计量测试，通过数据总线实现对UUT的远程控制实现维修工作单所有的性能测试，并调用数据库的参考性能参数对每一项测试结果进行比对，以判断性能是否合格。

测试软件嵌入了基于知识的故障专家系统模块，对被测故障UUT进行故障诊断。该故障诊断系统知识库以维修中心现有的大量EFIS设备维修数据为基础进行故障诊断，并设计有知识获取模块，随着不断增加案例，其故障诊断率将会逐渐提高。为了提高故障诊断率，在推理机中并行设计了贝叶斯概率统计的诊断算法，在实际应用中能够具有70%的故障诊断正确率。

测试数据管理模块用于对数据进行存储、打印、数据分析、测试报告生成等。

3.3 核心模块程序

（1）GPIB 仪器驱动程序

LabVIEW集成了大部分知名测试仪器品牌如安捷伦、罗德施瓦兹、HP等厂家的测试计量仪器的GPIB驱动程序，以子VI的形式储存于函数库。在编写程序时对各调用子VI进行配置即可实现测试仪器的程控。以测试中需要用到的罗德施瓦兹R&S 57综合通讯测试仪的GPIB调用为例，其GPIB接口函数位于主菜单Functions目录下Instrument I/O文件路径中，分别调用GPIB Write和GPIB Read 2个子VI，完成对仪器GPIB接口的初始化。通过调用的子VI的前面板输入窗口可以对参数进行读写配置，如设置所需要的信号源频率、电平、选择测试信噪比、失真度等，当变换参数进行配置时，只需将所有参数按照测试流程加入循环延时函数写入子VI即可满足自动测试需要。

（2）性能检测程序

性能检测程序是通过改变输入参数及切换UUT工作状态进行性能参数采集的过程。EFIS系统性能检测主要分为控制功能测试与显示测试，控制功能需要测试控制面板按键、旋钮的切换功能、不同显示方式以及参数设定功能是否正常。显示测试主要用于测试各数据通道通讯是否正常，包括测试各种总线数据传输性能，显示参数译码是否正确等。典型的EFIS系统性能检测流程如图4所示，每项测试相对独立，测试时长用延时函数控制，完成所有测试所需时间约10 min。测试过程中每测试一项后将获取的性能参数与数据库的参考数据进行比对，对用Pass、Fail对每一项测试结果都进行标识，从而判定UUT的状态。

图4 典型EFIS性能测试流程Fig.4 Typical EFIS system test flow chart

性能检测需要对EFIS系统的各路输出信号进行读取、分析、译码，EFIS系统通讯协议信号主要包括 RS232、RS485、Arinc429、以太等格式数据。 其中Arinc429总线协议主要用于设置工作参数、相关软硬件配置及传输某些飞行参数。在LabVIEW提供的函数库中没有集成Arinc429协议数据的相关函数，为了方便LabVIEW进行数据读写，在计算机与被测设备之间利用Arinc429-PCI协议板卡对EFIS设备的Arinc429总线数据进行格式转换，计算机可以在LabVIEW内部函数库中直接调用PCI相关的功能模块即可完成数据的读写操作。RS232、RS485总线协议主要用于导航参数指示，飞机姿态与高度、速度信息；以太数据作为冗余备份通道用以增加飞行数据的传输可靠性。相关总线函数模块可直接在LabVIEW函数库中调用。

4 测试流程与故障诊断流程

测试软件流程如图5所示，启动系统后，首先运行系统自检程序，检测相关的硬件系统工作状态是否良好，如果自检通过系统将进入工作方式选择页面，包括数据管理、性能测试、故障诊断、工作模式选择。实际的测试工作首先需要判断相关的功能按键是否正常，此时需要选择工作模式为人工测试模式，人工测试通过后再进入性能测试的自动测试页面。进入自动性能测试页面，选择相应的被测型号后系统将会自动对资源进行配置，点击启动性能测试即可完成如图4的所有测试流程。测试过程中，计算机会将测试数据与数据库中的参考数据进行比对，利用Pass和Fail对测试项性能进行标识，测试完成后关闭资源并对测试数据进行存储。

若被测设备性能测试未通过，则需要进行故障诊断。计算机人工智能的发展使神经网络、专家系统、模糊理论、传感器信息融合技术、粗糙集理论、小波包分析等人工智能技术开始被工程师应用于电子电路智能故障诊断中[9-11]，本测试平台设计了基于知识的专家故障诊断系统，主要由知识库、推理机、知识获取、人机交互界面、解释器等几个部分组成。故障诊断专家系统知识库存储有大量故障样本作为专家知识库，被测设备存在故障时，系统会从测试数据库调用其故障性能数据与故障信息，然后检索知识库预报相应的故障原因。为了改善推理机无法检索到匹配故障样本信息的情况，在故障推理机中并行设计了基于先验概率的贝叶斯网络诊断程序，各模块的故障概率由维修历史数据统计赋值。故障诊断流程如图6所示。

图5 测试软件运行流程Fig.5 Test software running flow chart

图6 故障诊断流程Fig.6 Fault diagnosis flow chart

5 结语

在实际维修过程中该测试平台极大提高了EFIS系统的测试、排故效率，加快了维修周期，提高航材周转率，产生工程价值的同时也带来可观的经济价值。同时，该测试平台采用总线协议方式，对开发其它类别机载电子设备如机载测距机、收发机、应答机、自动驾驶仪等部件提供了一个基本框架平台，可以通过扩展软硬件应用到更多航电测试维修领域，解决了现有的航电测试仪器扩展性能差的问题。通过实践证明，在测试平台中嵌入故障专家系统，通过录入长期的维修经验数据能够为维修人员提供可靠的故障定位，显著提高排故效率。综上所述，该测控平台具有自动化测试程度高，故障识别率好，可扩展能力强的特点。

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