飞控试验通用测试分析系统研究摘要:设计实现了一种飞机飞行控制系统地面试验的通用测试和分析系统,系统软硬件均采用了模块化的设计技术,详细介绍了系统的硬件组成、软件架构,硬件系统采用通用计算机为控平台,测试仪器以VXI、GPIB设备为主,研制了通用的信号调理转接组合,软件设计采用了多线程、多进程技术和网络数据库技术,各个功能模块既可以独立运行于网络节点,也可以协同工作,系统支持了任意公式定义、计算处理功能,图形任意取点分析等通用分析功能,同时完成了数字多用表、存储示波器、XY记录仪、动态信号分析仪和频率响应控制仪等多种虚拟仪器功能,满足了飞控试验测试分析系统的需求。
关键词:飞行控制系统;通用测试系统;通用分析系统1引言航空传动、操纵及控制等系统结构复杂,各部件性能参数的变化对飞行系统的性能会产生重要的影响。
对仿真实验、地面测试试验,测试系统不仅需要有较高的测量精度,而且要反复设置各种不同的输入条件,对各子系统进行反复的测试、分析、计算,用于飞控系统的设计验证、校正、改进。
因而研制通用化和使用方便的测试系统尤为重要。
为实现测试系统的可重用性和互操作性,必须分类总结不同机型、机种航空飞行控制系统的测试分析需求,从系统软件结构、系统硬件结构设计上实现模块化、系列化、通用化,以满足已知的测试分析需求、并兼顾未知测试分析需求的实现。
本文概括介绍用于多种型号飞机飞控系统的某通用测试分析平台的系统设计、以及软硬件的通用性设计和实现。
2通用测试平台总体考虑在飞行控制系统的测试试验中,至少要完成上百个大项目、数百个参数的测试分析。
例如,要对飞机的舵系统、翼系统、操控系统等施加激励信号,通过对压力、拉压力、踏力、角位移、线位移、速度、加速度、角速度、电压信号、开关信号、阶跃和脉冲响应、频率响应等的测试,完成机械系统的刚度、传动比、间隙、操纵权限、阶跃响应、频率响应等静态特性和动态特性的分析。
考虑到系统高可靠性的要求、各种测试总线技术发展状况以及这些技术目前在我国应用的现状,结合与原有某型号测试系统的兼容性、互操作性,本测试系统的设计以VXI总线设备为主,结合高性能的GPIB总线通用测试设备。
用VXI总线信号源为被测对象提供驱动,通过通用信号调理转接组合,最后由各种仪器模块采集信号,通过计算机网络把测试设备和应用系统有机地结合起来,协同工作,并在网络的不同结点运行系统配置、试验控制、测试分析、数据管理等功能。
测试系统的基本组成如图1所示。
3通用硬件测试平台选型工业测量控制领域,根据不同的需求,硬件平台的选型从普通的IPC、FieldBus、cPCI总线设备,到VXI、PXI总线设备,某些高性能的GPIB专用设备仍举足轻重,不可或缺。
本测试系统中, VXI总线设备主要选择信号源模块,静态测量模块,动态测量模块。
信号源模块提供机械、电测试的激励,通过测试流程配置、测试控制软件,经由测试总线与动静态测量仪器模块协同工作。
本系统选用含块内存储器的信号源,由应用软件驱动,实现真正任意波形驱动,满足驱动激励的通用化需求。
静态测试选用扫描型的AD模块,它完全适合低采样率、非严格意义的同步测量和通道数量较多情况下的数据采集,通常这类模块能提供集成的智能信号调理模件。
配合系统配置、通道配置定义软件,通过虚拟通道和配置组态等手段来构建测试功能,可将系统用于不同的被测对象,构建通用的测试系统。
通过配置管理实现测试系统的通用化。
对于动态信号的采集分析,选用多功能的数字化仪模块,完成信号调节、同步触发、信号转换、动态分析处理等功能。
由于系统采用了基于IEEE-1394总线的VXIBus控制器产品,实时数据传输处理成为系统瓶颈,必须为数字化仪选配较大的存储空间,配合完成实时动态分析功能。
高性能的专业测量仪器,无论精度等级、测量分析功能支持上通常都具有无可比拟的优势。
然而,为获得最佳测试结果,专业测量中通常要对仪器进行繁杂的设置,对于重复性多的专业测试场合,无论面板操作、测量结果数据处理、实验结果管理都较繁杂。
这些仪器通常都带有GPIB接口,配合应用软件中试验项目管理、仪器参数配置管理、仪器驱动软件,完成仪器的试验过程控制、试验结果管理,进一步扩展专业仪器功能的通用性,维护、使用、管理的方便性。
4通用信号调理转接组合设计对飞控试验测试系统,需要多种力、位移、速度、加速度等传感器, VXI信号调理模件尚不能完全满足信号处理要求,另外这些传感器通常要特定的高精度电源供电。
各种传感器输出信号种类、带宽、精度等级等各有不同,信号调理必须满足它们的不同要求,信号调理输出的信号必须能同时转接到不同的测试仪器(静、动态、专用等),如果对每种传感器均设计专用的信号调理转接组合,本系统需要的信号调理种类就有近十种。
因此,必须设计通用的信号调理和转接组合。
图2给出了通用信号调理原理框图。
各种电路参数的配置通过波段开关、选择开关等控制设置。
对于噪声、共模抑制比、漂移等性能参数有特殊要求的模块,选用高性能的器件、阻容元件等,满足其要求。
对输入信号采用多路级联方式整合,实现电路参数通用化调节,各通道均采用多路并联输出,实现多种输出组合。
转接组合的设计主要考虑机械结构的通用性;插拔等使用维护的方便性;机械结构的标准化;电气结构调节、调试、转接的方便性和通用性;信号转换连接的容错性、冗余性等。
通过对信号调理电路和转接组合结构的通用化设计,实现了用于不同传感器种类的信号调理模块备件的通用性,以及插槽座的互换性,使得系统硬件配置更加灵活,使用性、维护性也得到了提高。
5测试分析软件技术分析为实现测试系统的通用性、高可靠性,首先要建立一个开放式的、兼容性和稳定性强的应用系统运行和应用系统开发环境。
对于操作系统平台,Windows 2000实现了抢先式多任务管理,软硬件资源丰富,在安全性上由于采用Win-dows NT架构要大大优于Windows 95/98,而在扩展性和对硬件的支持能力上又强于Windows NT。
基于数据库技术构建通用自动测试分析系统,不仅能有效地管理大量的测试配置、测试结果数据,更能使各个独立的系统配置、测试、分析功能模块通过数据库有机地联系在一起,协同工作。
系统选用Microsoft SQLServer,网络协议采用TCP/IP Sockets,数据库接口选用ODBC和COM/DCOM接口。
系统采用的IEEE-1394总线是目前比较先进的高速数据串行传输总线,易于使用并支持多设备集成,它当前公布的速率标准已经达到800Mb/S,是采用较多的控制器。
然而,基于1394总线的系统结构也形成了主控制计算机与VXI设备之间的瓶颈,在实时性要求较高的场合尤为突出。
多线程技术早在Win9X, WinNT平台即被广泛应用在工控软件设计中。
32位的Win2000,实现了强先式多任务机制,不但允许多个进程同时运行,而且同一进程中的多个线程可独立运行。
合理采用多线程技术,将在一定程度上避免采用1394总线的负面影响。
COM/DCOM技术为软件的通用化、模块化设计提供了较为理想的解决方案,对于大的网络应用系统较为适合。
对于网络规模相对较小的测试分析系统,则可以结合网络数据库技术、多进程技术,来实现软件系统的通用化、模块化,其特点为:简单方便、易于实现、使用、维护。
以网络数据库技术为核心,结合多进程技术,各个功能模块可以运行在网络的不同节点。
将测试系统配置、试验过程配置、激励驱动配置、试验数据分析、试验数据管理、试验结果输出等工作与实时试验过程控制软件模块分散,将大大提高系统的工作效率和使用方便性。
虚拟仪器技术利用高效的上位机资源,实现各种仪器功能。
结合VXI丰富的VISA库, GPIB设备的SCPI控制运算命令, CVI的分析处理库、图形处理库,在VC++集成开发环境把它们有机结合起来,并利用VC++方便的开发扩展能力进一步开发,真正实现方便的数据采集、分析和处理一体化的虚拟仪器。
开发工具的选择上, VC++是目前综合性最高、最复杂、最流行的开发工具之一。
为用户提供了强劲的Windows环境编程能力和便利,能实现各种特色的软件需求。
但VC++内涵庞大、实现高级编程难度大,特别是一些绘图和数学计算功能实现起来很复杂。
作者曾用VC++开发工具,通过其灵活的消息机制,图形支持能力,多文档和多视的支持,实现了模块化、高效的图形化DCS组态软件[4]。
后续的开发人员继承了该组态软件设计的图形处理、消息处理方法,实现了类似的功能。
由于LabWindows/CVI提供了ActiveX控件的支持,使得在VC++集成开发环境调用其开放的功能成为可能。
利用VC++与LabWindows/CVI的混合编程,取长补短,发挥两种开发工具的优势,对于开发通用的测试分析系统,具有很高的实用价值。
6通用测试分析软件实现为贯彻系统功能“通用化”的设计思想,软件采用“模块化”的设计方法,充分利用Windows2000的实时抢先式多任务管理的优势,合理利用多进程、多线程技术,既保证实时激励、采集任务运行所需的资源,又兼顾监测、数据存储功能的实现。
各个模块可独立运行于网络各节点。
各个子系统通过后台数据库,有机地联系起来,独立工作或协同工作。
图3为系统软件组织结构示意。
为方便用户使用各个功能,系统的各个功能模块既可以在各个操作站独立运行,也可由应用系统的控制台程序统一调度。
系统主要包括如下模块:框架程序模块;系统/硬件配置模块;通道配置/标定模块;测试任务配置模块;数学运算处理模块;硬件驱动程序模块; GPIB扩展模块;实时数据采集、监测、存储处理模块;虚拟仪器模块;信号处理分析模块;试验报告处理模块;数据库管理模块;通用接口管理模块等。
系统实现的功能概述:数据采集,数字多用表,示波器,自动频率响应控制仪,动态信号分析仪,任意波形发生器,实时数据图形显示,任意图形显示分析功能,图形动静态取点功能,图形数据任意组合计算功能,公式处理功能,图形标注功能,试验曲线、试验报告组合输出功能。
图4给出了本测试分析系统典型的运行流程,通过组态配置功能,支持了试验流程、测试流程、分析流程的通用化。
公式处理上,对于特定的测试分析要求,采用公式列表选择,动态扩充公式支持能力的方式,能在一定程度上满足测试分析需求,较易实现,但不能完全满足未知的测试分析需求,原有某型号测试系统采用了本方式。
本系统中,对VC++的公式处理功能进行二次开发,实现公式的动态编译处理,通过即时公式定义方式,完全实现了测试分析功能中公式即时定义和处理。
任意公式处理功能已经直接应用在图形曲线变换处理、测量结果计算方法定义处理、曲线取点计算处理、被测物理量计算方法定义处理等功能模块。
对GPIB设备虚拟仪器的开发中,增加了试验项目和试验结果数据管理功能,仪器的配置在主控制机上通过直观的界面定义设置,试验过程在主控制机上控制,仪器屏幕曲线显示在主控制机上实时显示。