基于虛擬儀器技術(shù)的航空機(jī)載電子設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
機(jī)載電子設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)上百種部件進(jìn)行功能測(cè)試,涉及的信號(hào)種類和數(shù)量都很多,這些信號(hào)按照頻率分為低頻和高頻兩種,按時(shí)域特性分為連續(xù)和離散信號(hào),按照形式分為電信號(hào)和非電信號(hào)(如溫度、速度、高度、氣壓、航向等)。為滿足復(fù)雜的測(cè)試需求,我們采用虛擬儀器技術(shù)。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
PXI模塊化儀器相對(duì)于GPIB、VXI、RS232等儀器而言,具有速度快、體積小、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì),因此作為硬件的主體。再選用常規(guī)信號(hào)源(SOURCE)和信號(hào)測(cè)量模塊(SENSOR),通過GPIB和RS232總線擴(kuò)展專用和自研設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)硬件原理如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)
由于PXI模塊較多,且為了今后的擴(kuò)展,選用了18槽的PXI-1045機(jī)箱;為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)平臺(tái)的集成度,選用PXI-8187零槽嵌入式控制器,摒棄了以往系統(tǒng)中利用MXI-2將工控機(jī)作為主控器的方式。PXI-8187帶有GPIB接口,可以方便的擴(kuò)展GPIB總線設(shè)備。部分儀器資源和部件需要串口通信,故選用PXI-8421擴(kuò)展4個(gè)串口。
1 信號(hào)采集
以6 1/2數(shù)字萬用表PXI-4070和5 1/2數(shù)字萬用表PXI-4060作為常用的測(cè)試模塊,可以測(cè)量0~300V的電壓,0~1A的電流,0~100MΩ的電阻。
示波器PXI-5112(2通道8位分辨率,100MHz帶寬)和模擬輸入PXI-6070E(16路單端輸入/8路差分輸入,12位分辨率,1.25M采樣率)配合使用,可以滿足常用的連續(xù)波和單點(diǎn)電壓信號(hào)的采集。PXI-6070E在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),前端連接了兩塊SCXI-1125,用于信號(hào)的調(diào)理(10kHz或4Hz的低通濾波、衰減)。此外,PXI-6070E還可用于控制器與SCXI機(jī)箱之間的通信。
高速DIO PXI-6534可以采集和輸出高低速離散量。特殊和復(fù)雜信號(hào)的采集處理則采用GPIB設(shè)備和RS232自研設(shè)備,如頻譜分析儀。
2 信號(hào)輸出
函數(shù)發(fā)生器PXI-5421(16位分辨率,100MS/s采樣率,帶寬43MHz)和高速模擬輸出PXI-6733(8路輸出,16位分辨率,刷新率1MHz)配合使用,可以滿足常用的連續(xù)波和單點(diǎn)電壓信號(hào)的輸出;SCXI-1124用于隔離模擬電壓和電流的輸出。
特殊和復(fù)雜信號(hào)的輸出采用GPIB設(shè)備和RS232自研設(shè)備,如交直流電源、射頻信號(hào)源、大氣數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)、模擬器等。
3 信號(hào)路由
由于大部分機(jī)載電子設(shè)備的信號(hào)數(shù)量眾多,不可能將所有信號(hào)同時(shí)直接連接到資源上,必須經(jīng)過繼電器矩陣進(jìn)行切換。因此繼電器必須有足夠快的響應(yīng)時(shí)間,才能通斷較大的信號(hào)。選用兩塊繼電器矩陣模塊SCXI-1129和附件SCXI-1333、SCXI-1339,組合成合適的繼電器矩陣(最大通斷能力150Vdc/A,150Vrms/250mA)。在信號(hào)的連接、斷開過程中,為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的自動(dòng)選擇和安全保護(hù)(避免源于源相連),我們重新編寫了繼電器矩陣驅(qū)動(dòng),在實(shí)際使用中取得了滿意的結(jié)果。
4 資源接口和適配器
資源接口是所有資源接口的集合,每個(gè)部件根據(jù)需要通過適配器連接部分資源。一個(gè)或多個(gè)UUT共用一個(gè)適配器,因此測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)UUT的信號(hào)情況,可以配置一個(gè)或多個(gè)適配器。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
CVI在標(biāo)準(zhǔn)C語言(Ansi C)的基礎(chǔ)上增加了儀器控制和工具函數(shù)庫的虛擬儀器開發(fā)軟件,提供了很多實(shí)用的例程,具有友好的圖形用戶界面,并且C語言是大家都比較熟悉和易于使用的開發(fā)工具,因此選用CVI可以加快測(cè)試程序(TP)的開發(fā)。系統(tǒng)軟件原理見圖2。
圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)
為了方便和規(guī)范TP的編寫,TP開發(fā)管理軟件根據(jù)輸入的測(cè)試信息自動(dòng)生成測(cè)試程序代碼框架和儀器操作代碼。測(cè)試程序編寫完成后編譯生成動(dòng)態(tài)庫,由測(cè)試程序執(zhí)行管理軟件調(diào)用和管理。在測(cè)試程序開發(fā)過程中,儀器操作和虛擬儀器界面的開發(fā)是兩個(gè)重點(diǎn)。
1 IVI儀器驅(qū)動(dòng)的開發(fā)和使用
儀器驅(qū)動(dòng)的用途是對(duì)儀器進(jìn)行程控,簡化測(cè)試程序開發(fā)人員對(duì)儀器的操作。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)與儀器耦合太緊密,儀器發(fā)生變化,驅(qū)動(dòng)也要重新編寫,進(jìn)而使用此驅(qū)動(dòng)的測(cè)試程序也要重新編寫和編譯。
IVI(可互換虛擬儀器)驅(qū)動(dòng)采用了類驅(qū)動(dòng)的概念,實(shí)現(xiàn)了同一類儀器之間的互換,同時(shí)增加了儀器仿真和狀態(tài)緩存的特性,提高了TP開發(fā)調(diào)試的效率。CVI提供了方便的IVI驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具,因此可在開發(fā)測(cè)試程序過程中選用IVI驅(qū)動(dòng)來控制儀器。
目前,IVI驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)只發(fā)布了八大類儀器的類驅(qū)動(dòng),為了保證非IVI標(biāo)準(zhǔn)的儀器在一定范圍具有可互換和仿真功能,我們借鑒了標(biāo)準(zhǔn)IVI驅(qū)動(dòng)的機(jī)制,開發(fā)了自定義IVI驅(qū)動(dòng)。利用IVI驅(qū)動(dòng),我們成功實(shí)現(xiàn)了NI公司的PXI-4070卡式萬用表與Agilent公司的HP34401 GPIB臺(tái)式萬用表之間的互換,實(shí)現(xiàn)了不同公司生產(chǎn)的單相交流電源和三相交流電源之間的互換。
IVI驅(qū)動(dòng)采用邏輯名和XML配置文件機(jī)制,在硬件資源描述發(fā)生變化時(shí),只需更改配置文件,不需要更改和重新編譯測(cè)試程序,就能保證測(cè)試程序的正常運(yùn)行。如果不采用IVI驅(qū)動(dòng),就必須更改所有用到函數(shù)發(fā)生器的測(cè)試程序,將在很大程度上延誤工程進(jìn)度。
此外,利用IVI驅(qū)動(dòng)的仿真功能,使得測(cè)試程序開發(fā)人員可在自己沒有安裝任何硬件的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真調(diào)試,提高了平臺(tái)的使用效率和測(cè)試程序開發(fā)效率。
2 虛擬儀器界面的開發(fā)
虛擬儀器界面提供人機(jī)接口,可以讓操作員根據(jù)需要施加信號(hào),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)。CVI提供了開發(fā)虛擬儀器界面的用戶接口資源文件(*.uir)和各種控制和顯示控件,用于模擬實(shí)際儀器界面。目前,NI LabVIEW、CVI和HP VEE是最為出色和方便易用的虛擬儀器界面開發(fā)軟件。圖3是其中一個(gè)TPS的虛擬儀器界面。
圖3 基于磁傳感器的虛擬儀器界面
此例中,打開激勵(lì)開關(guān)時(shí),PXI-6733連續(xù)輸出RMS 1.5V,頻率400Hz的正弦波作為磁傳感器的激勵(lì);用PXI-6070E的三路模擬輸入通道同時(shí)采集磁傳感器輸出的三路航向信號(hào)(最大幅度小于100mV,頻率為800Hz),并顯示在同一個(gè)波形顯示控件中,再利用算法計(jì)算出角度,顯示在表盤控件中。由于增加了信號(hào)調(diào)理板SCXI-1125和端子板SCXI-1313,將PXI-6070E的測(cè)試范圍擴(kuò)展到2.5mV~300V,從而精確的測(cè)量了磁傳感器輸出的小信號(hào),測(cè)算出精確的角度。
應(yīng)用成果
采用NI PXI模塊、CVI、IVI工具、MAX管理軟件,以及第三方的設(shè)備,我們成功構(gòu)建了多套通用、開放的航空機(jī)載電子設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。利用這些系統(tǒng)成功開發(fā)了多機(jī)型、總數(shù)量達(dá)三百多種的TPS,幫助用戶實(shí)現(xiàn)了UUT快速的定檢、維修。相對(duì)于用傳統(tǒng)儀器搭建測(cè)試臺(tái)的方式,自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在效率和質(zhì)量上有了很大提高,為機(jī)載電子設(shè)備提供了有力保障。
評(píng)論