基于虚拟仪器的GPS导航测试仪的设计研究

王海斌，丁发军

(中国民航飞行学院 飞机修理厂，四川 广汉 618307)



基于虚拟仪器的GPS导航测试仪的设计研究

王海斌，丁发军

(中国民航飞行学院 飞机修理厂，四川 广汉 618307)

摘要：针对航空GPS导航系统故障率较高现状，设计了航空GPS导航系统测试仪。在总体结构设计上采用模块化设计思想，以电路功能模块为依托实现硬件方面的设计。在软件设计上，利用虚拟仪器实现对各类资源的控制。从实际应用情况来看，该测试平台可实现KLN94型GPS导航系统性能测试要求。

关键词：导航系统；虚拟仪器；系统设计

KLN94GPS导航系统是世界通用航空领域应用最为广泛的GPS导航产品，国内多家航空公司及飞行培训学校(包括飞行学院)的航空器上均有安装[1-3]。目前国内尚没有KLN94GPS导航系统的维修能力，对于所出现的故障只能返回美国生产厂家进行维护。由于GPS导航系统属于高功率工作部件，故障率较高，且返厂维护成本较高，平均每次维护费用约占产品价格本身的20-30%[4]。因此，针对该导航系统进行测试及维修的相关研发，具有较好的应用前景。

本文应用了虚拟仪器技术，通过测试平台对内部各类资源进行调用，最终实现针对导航系统的性能测试。下面结合导航系统测试仪的研制过程，对测试仪系统总体构架、软硬件组成及关键技术进行逐一阐述。

1总体结构

KLN94GPS导航系统测试仪设计了由电源及信号监视模块、信号处理及功能转换模块、数据解算模块、设备测试模块、设备调整模块及测试系统自测模块组成。测试仪结构框图如图1所示。

图1测试仪结构框图

2硬件组成

KLN94GPS导航系统测试仪在硬件方面的组成包括：电源电路、信号监测与电流电压监视电路、数据采集电路、数据处理电路、设备调整电路、输入输出信号检测电路、电缆适配器、控制面板和显示系统。测试仪系统硬件结构如图2所示。

图2　系统硬件结构图

(1)数据采集电路。该电路完成22路信号数据采集，包括数字信号和模拟信号。采集信号的精度较高，其中，电流采集精度≥1mA；电压采集精度≥1mV；温度采集精度≥1℃。

(2)功能转换控制电路。利用继电器转换功能制作实现了多路转换控制卡，完成了导航系统所需48路信号的控制转换功能。多路转换主要完成对信号流向的控制、信号的转换功能。这些转换信号包括：RS232 SEL、DEV FLAG SEL、ANNUNCAT SEL、WPT ALERT TEST、MSG TEST、APPROACH ARM、APPROACH ACTIVE等。

(3)电源电路。设计独立的28V线性电源供电，该电源由外部交流电源220VAC转换，通过28V电压输出正负接口为KLN94 GPS导航系统测试仪提供稳定的直流电源，且不需要外接供电仪器，使测试操作步骤得以简化。

该电源系统模块采用的是线性电源，线性电源的基本工作原理是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉动直流，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。经过稳压电路进行稳压从而达到高精度的直流电压。从应用效果来看，达到了很高的稳定度。

另外，该电源系统模块在设计时还考虑到过流保护功能，即在交直流转换的电路及输出电路中设计了保险电路。

(4)信号监测与电流电压监视系统。为监控系统提供的电源及在测试过程中各种测试信号的情况，在研发FTS-155试验台时设计了由单片机控制的信号监测与电流电压监视电路，以便操作者能够实时监控电路的电压、电流值及测试系统的各种测试信号值。

(5)电缆适配电路。完成信号的适配功能，包括负载的适配设计(如阻抗、功率、显示功能匹配等)、A/D转换功能等，负载精度≥1Ω。

(6)制作了专用接口电路(J941、J942)及与外设连接接口，实现了与KLN94 GPS导航设备及与外设的测试连接。

(7)制作了设备输入输出交联电路，该交联电路能够完成打印输出、升级输入、联机控制及远程控制等功能，通过前面板的USB接口实现与外设的连接(见图3)。

(8)制作了面板控制电路，实现设备的操作控制。在设计制作面板控制电路时，开关的设计采用微控的形式，包括多功能操作按键、数据操作按键、控制操作按键和显示屏设置。另外，测试过程中采用“选择转轮”形式进行测试各项的切换和选择，操作方便、快捷，且减小占用面板的面积。

(9)KLN94 GPS导航系统测试仪面板根据系统组装情况量身设计，能够节省设备的占用空间，体现了系统外观设计的合理性。

3软件实现

3.1系统软件框架

KLN94GPS导航系统测试仪测试程序在windows 8.1系统下运行，软件开发环境采用Labview2013，软件的设计过程是面向对象的，最终实现测试系统层次化、模块化设计[5-6]。

导航系统测试仪所要达到的主要目标，是能够实现对被测设备的全部性能进行检测。在确保检测设备硬件设计正确、可靠的前提下，测试软件是实现系统所有各项检查功能的重要保证。本测试设备的系统软件框架图如图3所示。

图3　系统软件框架图

3.2测试程序功能及特点

(1)软件测试平台实现设备的控制转换与测试等基本操作，且完成了测试系统开发各子程序模块与系统硬件的匹配、调试及使用。

(2)虚拟仪器显示功能。采用了虚拟仪器完成各类指示仪表的模拟显示，平台仪器显示界面如图4所示[7]。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合软件来完成各种测试应用，使得构建测试系统的硬件简化。测试界面利用虚拟仪器实现的指示仪表模拟包括：

模拟水平状态指示仪：实现了VOR方位、LOC偏离和GS偏离等导航信息的显示功能；

模拟OBI方位指示仪表：实现了OBI方位信息的直观判读；

模拟信号牌指示：实现了信号牌的直观判读；

模拟警告灯：包括WPT ALERT、MSG、APPROACH ARM、APPROACH ACTIVE、ALT ALERT、STEERING SUPERFLAG、LNAV SUPERFLAG、VNAV SUPERFLAG及FCS；

模拟温度监测：实现了对温度的监测并显示结果。

图4　仪器显示界面

3.3软件功能模块

软件功能模块主要包括：

(1)开发了模拟OBS解算器工作程序，完成VOR方位解算功能；

(2)开发了高度码解算程序，完成高度解算功能；

(3)开发了RS232通讯程序，完成RS232的收发功能；

(4)开发了自测试程序，实现测试系统各功能模块自检功能；

其中自检项目包括：硬件自检、ADC自检、OBS自检、开关状态自检、输出端口自检及串口中断自检。测试参数界面如图5所示。

图5　测试参数界面

(5)开发了KLN94专用测试程序，实现了对机载设备性能的自动测试；

(6)自动存储功能：能够自动生成测试报表也是该测试系统的主要优点之一。针对此项功能开发了自动存储报表程序，能够实现测试结果的自动存储，自动生成性能单，并可进行连机打印。

3.4程序流程

KLN94GPS导航系统测试仪软件测试流程如图6所示。

图6　软件测试流程

4工程应用

目前，KLN94GPS导航系统测试仪已取得项目认证，并已投入实际工程使用。利用该测试仪已完成10余件组件测试。表1中列举了6部被测组件部分主要测试参数实测情况，通过测试数据分析，测试仪满足性能参数测试要求。

表1　KLN94主要性能参数实测值

5结语

本文从系统构成的角度，讨论了KLN94GPS导航系统测试仪基本设计思路，设计研发了KLN94GPS导航系统测试仪。该测试仪能够实现对GPS导航系统进行性能测试，维修人员利用此测试仪，结合掌握的相关维修资料，可进一步实现对KLN94GPS导航系统进行部件修理。经过实践证明，该测试仪在执行效率和可靠性方面都取得较为满意的效果。

参考文献

[1] 涂泽中,雷迅,胡蓉.对新一代综合航电系统发展的探讨[J].航空电子技术,2001,32(4):11-18.

[2] 张炯,吕紫旭,胡彦彦,等.虚拟化技术在综合化航电系统中的应用[J].北京航空航天大学学报,2010,36(2):127-130.

[3] Littlefield-Lawwill J,Viswanathan R.Advancing open standards in integrated modular avionics:An industry analysis[C]//AIAA/IEEE Digital Avionics Systems Conference.Piscataway,NJ:IEEE,2007:2B11-2B114.

[4] 董勤鹏,熊华钢.基于某航空电子设备的自动测试系统设计与实现[J].现代电子技术,2008(21):146-149.

[5] 周庆,刘斌,余正伟,等.综合模块化航电软件仿真测试环境研究[J].航空学报,2012,33(4):722-733.

[6] Bisson K,Troshynski T.Switched Etherent Testing for Avionics Applications[J].IEEE A&E Systems Magazine,2004,19(5):31-35.

[7] 罗秋凤,肖前贵,杨柳庆.无人机自动检测系统的设计与实现[J].仪器仪表学报,2011,32(1),126-131.

[责任编辑、校对：东艳]

Development of the GPS Navigation Tester Based on Virtual Instruments

WANGHai-bin,DINGFa-jun

(Airplane Repair Shop,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

Abstract：To reduce the high failure rate of the aviation GPS navigation system,the paper designs a tester for the aviation GPS navigation system.In terms of hardware design,the tester adopts the modular design method on the basis of circuit function module.In terms of software design,virtual instruments are utilized to control various kinds of resources.As indicated by the practical application,this testing platform is able to satisfy the performance test requirements of KLN94 GPS navigation system.

Key words：navigation system;virtual instrument;system design

中图分类号：TP311.1

文献标识码：A

文章编号：1008-9233(2016)01-0017-04

作者简介：王海斌(1984-)，男，内蒙古赤峰人，工程师，从事机载航电设备的维修工作与飞机维修工程。

收稿日期：2015-11-30