机载电子系统小型化通用测试设备设计_吴国宝.pdf

82|电子制作 2023 年 3 月信息工程0 引言现代直升机机载电子系统功能强大、性能先进、集成度高、内外信号交联复杂1,2。在使用过程中，若产生故障，仅靠机内测试（Build-in Test,BIT）隔离到外场可更换单元（Line Replaceable Unit,LRU）或外场可更换模块（Line Replaceable Module LRU），无法实现故障模式全覆盖3,4。这便意味着系统有部分故障模式，无法通过 BIT 进行检测和隔离，这给机载系统的日常维护保障，特别是战时保障带来了不小挑战，直接影响飞机的出勤率5。为此，设计了一款机载电子系统小型化通用测试设备，该设备可对多个机载电子系统产生的 BIT 无法检测故障模式以及 BIT 可检测但无法隔离至单个 LRU/LRM 的故障模式进行外部故障检测及隔离，有效弥补了BIT检测能力的不足。该设备，通过运行内置的机载电子系统对应的测试程序（Test Program,TP），实现对不同机载电子系统关键信号的监控，结合综合故障诊断策略，将故障定位到单个的 LRU/LRM。1 测试原理小型化通用测试设备，以电子系统的故障模式、影响 及 危 害 度 分 析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA）及半实物故障注入试验报告为输入，确定 BIT 无法检测故障模式以及 BIT 可检测但无法隔离至单个 LRU/LRM 故障模式；然后，通过对这些故障模式进行分析，确定综合故障诊断策略，故障检测测试方法以及故障检测所需最小化外部测试资源。依据最小化外部测试资源，确定小型化测试设备硬件，依据故障检测测试方法开发 TP，一个机载电子系统对应一个 TP。通用测试设备由 1 个硬件平台及多个 TP 及多套测试线缆组成（一个机载电子系统对应 1 个 TP 及 1 套测试线缆）。测试时，硬件平台提供检测所需的激励、测量资源是通用测试设备的主要部件；TP 通过控制硬件平台，实现对被测机载电子系统目标节点上信号的激励、测量、监控，结合被测机载电子系统综合故障诊断策略将故障定位到单个LRU/LRM；测试线缆用于实现机载电子系统、机载电子系统外部交联系统、小型化通用测试设备之间的信号传递。如图 1 所示为小型化通用测试设备测试示意图。图 2 为小型化通用测试设备测试流程图。小型化通用测试设备检测线缆LRU1LRU2LRU3LRM1LRM2LRM3机载电子系统机载电子系统外部交联系统硬件资源TP 图 1 小型化通用测试设备测试示意图系统发生故障开始排故系统BIT是否可隔离至单个LRU/LRMY系统BIT是否可检测NN运行TP获取关键节点信号信息运行综合故障诊断策略故障检测并隔离至单个LRU/LRM更换故障LRU/LRM结束排故Y 图 2 小型化通用测试设备测试流程图2 测试设备设计 2.1 架构设计小型化通用测试设备基于开放式结构进行系统整体架构，建立可组合性强、可裁剪可扩展的通用化测试体系，其机载电子系统小型化通用测试设备设计吴国宝，宋帆，曾俊华（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001）摘要：现代直升机机载电子系统功能强大、性能先进、集成度高、内外信号交联复杂，在装机使用过程中仅靠BIT无法实现故障模式的全覆盖。基于此，设计了一款小型化通用测试设备，该设备可对机载电子系统BIT无法检测故障模式以及BIT可检测但无法隔离至单个LRU/LRM的故障模式进行故障检测及隔离，有效弥补了BIT检测能力的不足。通过外场使用表明，该设备能较好地将BIT无法检测或隔离至单个LRU/LRM的故障模式进行有效定位至单个LRU/LRM。关键词：机载电子系统；测试设备DOI:10.16589/11-3571/|83信息工程体系架构图如图 3 所示。整个开放式结构体系以标准化体系为基础进行架构，构建软件、硬件信息框架和软件、硬件接口两方面内容，以软件、硬件信息框架和软件结构组成的信息层和硬件接口组成物理层形成系统双层结构，他们通过体系网络有机地结合在一起形成系统整体架构。系统的各种信息可以进行高度共享，不仅能够实现在不同的测试阶段、在系统内部各模块之间进行共享，还可实现与其他系统之间进行共享，从信息层和物理层构建系统通用化基础结构。系统采用模块化设计，通过建立模型规定系统的主要功能和规范必要信息的定义，实现各功能模块的规范化设计。如建立开关矩阵信息模型用来定义开关的连接能力及如何访问能力等。构建模块化硬件平台，并实现测试资源的独立性和组合灵活性，各测试资源可方便快捷地进行模块互换，有利于后期测试设备的维护以及剪裁、扩展和升级。在测试资源最小化基础上，系统架构采用小型化设计，对设备硬件进行综合化设计，如多功能总线通讯模块、多功能模拟信号测量模块等，以减少设备功能模块数量；其次，设备内部采用高集成度设计，将硬件分成电源组件、资源组件、连接器组件三大功能区，并对各个功能区进行高效合理的堆叠，最大限度地压缩设备的体积，减轻设备重量及降低设备功耗。小型化通用测试设备的测试描述文件、TP 文档基于标准化设计，可组合性和移植性强，能够方便快捷地实现到同类其他机种、机型系列通用测试设备的移植。2.2 结构设计小型化结构设计方面，为满足使用的便携性，设备整体采用一体式拉杆箱设计。拉杆箱直接选用的是派力肯 1607AIR 型机箱，如图 4所示。这种机箱主要组成包括：箱体、箱盖、脚轮、拉杆、把手以及压力平衡阀等六部分。把手和可伸缩拉杆，既能满足手提需要，也能满足手拉拖行需要，便于单人携行。箱体底部配有聚氨酯滚轮，滚轮直径 58mm，内部嵌有不锈钢滚珠轴承，转动阻尼小，振动噪声低，可轻松通过 20mm的障碍物。箱体与箱盖之间通过两个锁扣实现快速开合6。箱盖内部四周嵌有密封圈，可保证箱子闭合时的密封防水性能。箱体上的压力平衡阀用于平衡箱体内外压差。图 4 通用测试设备外观示意图箱体和箱盖采用高分子复合材料注塑成型，各棱边采用大圆弧顺滑过渡设计，造型美观，韧性良好，且存在刚性不机型数据UUT数据UUT测试需求诊断模型诊断知识用户信息数据库自检描述机载电子系统数据故障诊断模块函数和参数开关函数和参数线缆参数总线通信参数测试资源管理程序开发服务程序执行服务故障诊断数据媒体格式人机交互接口测试数据管理模块资源驱动扩展接口测试模块接口开关矩阵总线通信接口人机交互接口自检接口扩展接口设备控制器电气控制组件电源模块基础测试资源专业测试资源标准化体系体系网络标准化体系信息层物理层基础资源专业资源测试设备主体测试诊断体系测试描述程序集文档软件信息硬件信息软件接口硬件接口测试程序集（TPS）测试线缆硬件实现软件实现图 3 PIP 体系架构图84|电子制作 2023 年 3 月信息工程足，易造成电子产品装配精度不够，影响电气连接与配合，本设计对箱体进行局部加固改造，具体措施包括：(a)箱体布置加固框口件，框口件通过螺钉实现与拉杆箱的安装锁紧，提高拉杆箱箱体框口刚度；(b)框口件选用优质铝合金材质，以满足高强度的同时，减轻加固件的重量；(c)框口件预留足够的安装孔位，用于设备面板紧固装配；(d)框口件与机箱安装的孔采用盲孔螺纹设计，螺纹孔周边设计密封圈，框口件与机箱装配紧固后，确保安装孔位处防水性能良好。框口件示意图如图 5 所示，加固后机箱效果图如图 6 所示。图 5 框口件示意图 图 6 加固后机箱效果图一体化测试面板，采用优质铝合金整体加工而成，一体化测试面板的外表面是通用测试设备的操作界面，配置有电源启动开关、电源指示灯、电源接口、接地柱、控制接口、测试接口等电气元件，内部用于安装各功能模块、电源模块、线缆等电气元件。面板两侧设计有把手，安装时可通过把手将一体化面板整体放入箱体内。当设备内部需要维护时，只需将面板与面板安装框架之间的螺栓拆除，便可通过把手将一体化面板整体从机箱内取出。面板上的电气元件布局，综合考虑了结构强度、外观造型以及人体工程学等因素，整体设计美观实用，符合大众操作习惯。一体化测试面板示意图如图 7 所示。2.3 线缆设计机载电子系统测试线缆包括低频测试线缆、射频线缆等。其中低频测试线缆内部信号线采用高温导线制作，依据信号抗干扰能力分别采用单芯线、单芯屏蔽线、双绞屏蔽线和三绞屏蔽线，所有屏蔽层均可靠接地。为保证线缆柔软，所有线缆均选用绕包线。线缆设计有防差错螺钉，保证线缆与机载电子系统连接无误，射频线缆采用专用线缆制作，接头采用符合机载电子系统射频信号传输要求的专用连接器，测试线缆实物图如图 8 所示。(a)低频测试线缆 (b)射频线缆 图 8 测试线缆实物图 2.4 软件设计为提高测试软件的通用性和可移植性，测试设备采用基于自动测试标记语言（Automatic Test Markup Language,ATML）标准以及基于测试和信号定义（Signal and Test Definition,STD）标准的面向信号通用自动测试软件SCATS 作为测试程序（Test Program,TP）的开发平台7,8。SCATS 将作为 TP 开发和运行的核心，通过将测试需求与具体硬件平台分离，实现 TP 的跨平台可移植，测试数据图 7 一体化测试面板示意图|85信息工程可交互，提高了测试设备的互换性。SCATS 平台软件采用层次化体系架构，自下至上分为物理层、驱动层、标准层、系统层、开发层和管理运行层，体系架构示意图如图9所示。图 9 中，物理层，包含软件运行所依赖的所有硬件资源基础；驱动层，主要面向驱动开发人员，基于 C 或 Python语言进行驱动程序的开发、调试和调用；标准层，包含ATML 家族中的所有标准，这些标准构成了软件平台的数据结构基础；系统层，主要面向硬件设计人员，属于测试信息建模工具，用于配置系统中所需的信号资源、仪器和开关资源以及通过系统集成得到的自动测试系统（测试站）本身相关的信息；开发层，主要面向 TP 开发人员，属于测试信息建模工具，针对一个具体的被测对象，描述该被测对象本身相关的信息和测试电缆信息、测试需求信息（即测试描述）以及诊断模型（D-矩阵）信息；管理运行层，主要面向最终的用户，对应于测试系统管理工具，该层次提供了TP管理和运行（如TP 的安装、卸载、运行控制等）功能以及硬件资源的查询和配置功能等，其中包含的 ATML运行引擎能够解释执行符合 ATML 标准的 TP 描述。此外还包含一个用于定位故障的诊断推理机以及一个管理测试结果和诊断结论等测试信息的数据管理工具。通用测试设备测试程序运行层界面如图 10 所示。3 结论本文设计了一种机载电子系统小型化通用测试设备。其中，硬件设备采用模块化设计，大大提高了硬件设备自身的可维护性及互换性，测试程序在 SCATS 软件开发平台上进行开发，有效提高了测试程序的通用性及可移植性。能较好地满足机载电子系统故障检测及隔离，更换备件的要求，通过在外场的多次试用结果表明，本文所提方法设计的小型化通用测试设备能够较好地满足机载电子系统故障检测需要，具有针对性强，检测效率高的特点。参考文献 1 葛名立.机载设备测试性建模与应用 J.计算机测量与控制,2022,30(12):36-41.2 吴国宝,宋帆,陈德军等.某型直升机机载电子系统原位检测设计与实现 J.计算机测量与控制,2019,27(4):51-54,110.3 王娟,潘卫,陈奎.航电设备测试性与外部自动测试系统一体化平台设计 J.航空计算技术,2023,53(1):87-90,95.4 赵宁社,翟正军,王国庆.新一代航空电子综合化及预测与健康管理技术 J.测控技术,2011,30(1):1-5,9.5 邱智,王玉峰,谢振华.机载设备自动测试系统平台设计 J.测控技术,2005,24(1):53-55.6 潘增寿,黄雪明.基于 PXIe 总线的便携检测设备设计 J.现代信息科技,2019,16(3):48-50.7 黄雪明,潘增寿,任登娟.ATML 标准在自动测试系统中的应用 J.现代信息科技,2019,15(3):7-9.8 耿福明.面向信号的 ATS 仪器控