一种民用直升机的大气数据测试系统设计

一种民用直升机的大气数据测试系统设计

张文松 江峰

昌河飞机工业（集团）有限责任公司，江西景德镇 333002

摘　要：大气数据系统是民用直升机的重要子系统，为直升机的安全飞行提供不可获取的外部环境信息和飞行数据。本文介绍了一种在地面环境中，基于直升机大气数据系统接口和自动测试诊断技术，采用外部仿真激励的方法，对大气数据系统进行综合测试的系统和方法，实现了大气数据系统绝对气压高度、总真空速等大气参数的测试。

关键字：总线检测；大气数据系统；数据激励仿真

大气数据系统是航空电子系统的关键子系统，是机载平台的重要传感器，为机载其他系统提供了关键参数。基于大气数据系统，直升机航电系统能够解算出多个与大气数据有关的参数，如飞行高度、升降速度、真实空速、指示空速、马赫数、大气总温、真实静压、真实攻角、大气静温、大气密度比等。

1 大气系统测试原理

1.1大气数据系统工作原理

大气数据系统对其采集到的大气总压、静压数据进行解算，从而测算出飞机当前的飞行高度、空速等飞行信息。总压、静压作为大气数据系统传感器采集的原始数据，其物理含义也在某一方面反映了飞机当前所处大气的环境情况：一方面，静压是指在大气层中一定高度由空气内部分子本身不断进行的热运动而产生的压力，静压值随着海拔高度的升高而降低，因此可以在静压值与高度值之间建立某种函数关系；另一方面，总压是当前大气动压和静压之和，使用动压可以建立飞机当前空速的某种函数关系，因此，在机载系统中，往往将传感器直接获取到的总压数据与静压相减，从而测算当前直升机的飞行速度、飞行高度等参数。

1.2系统测试原理

为对大气数据系统进行测试，本论文阐述了一种小型的、可对多型大气数据系统进行性能测试的软硬件平台，该平台通过模拟大气数据系统在空中的各种工作状态，由激励源向被测大气数据系统提供激励信号，并对其输出的总线接口信号进行检测、调理、分析及处理，通过信息比较对其进行性能测试，整个测试过程可以通过自动或手动的方式进行，兼顾了针对大气系统故障诊断的灵活度和便捷性。

总体而言，整个测试平台通过计算机程序调用大气激励设备等相关测试资源，为大气数据系统提供全静压、总温等激励信号，通过相应的数据采集卡对大气数据系统的输出数据进行采集，完成测试结果的判断。

2 大气数据测试系统总体设计

2.1总体架构

测试系统采用如下图1所示的总体架构，整个架构基于主控机和工控机，以及一台大气系统测试设备，并采用PXI总线结构配合数据变换、收发控制、接口适配等模块构成检测系统主体，共同组成完整的大气数据系统测试平台，通过程控技术实现用计算机语言控制各设备单元，提高测试程序和测试方案的多样性及可扩展性，便于后续升级改造和维护。

图1测试系统总体架构

2.2测试流程

大气数据系统测试过程如下图2所示：

1）由主控机运行大气数据系统测试程序，将测试程序的每个步骤（空速、气压高度等）指令通过内部接口下发至工控机；

2）工控机通过解析目标气压高度、真空速等大气数据指令，并下发给大气环境激励器ADTS403，驱动其产生压力变化，模拟的大气压力通过定制管路引入大气数据系统空速管；此外，工控机将大气温度仿真信号送至大气温度传感器接口，模拟飞机空中飞行过程中外部大气环境的变化；

3）工控机通过接口适配单元采集总线接口数据，包括气压高度、真空速、温度等信息，进行ICD解析并上传至综合管理计算机进行对比判别。

4）自检测试时，工控机可以通过解析主控机发送的自检指令，通过总线接口向大气数据设备发出自检指令，并通过总线获取设备自检测结果。

5）气密性检查测试时，工控机通过解析气密性检查指令，可向大气激励器发出检查指令，并通过激励器获取设备管路的气密性检查结果。

大气数据系统测试框图如下：

图2 大气数据系统测试过程

3 大气数据测试系统硬件设计

3.1大气数据系统激励器

选用GE Druck研制生产的ADTS系统大气数据测试系统来模拟机上静压和总压大气环境，为机载大气数据系统提供外部激励。

ADTS 403型大气数据测试系统又称全静压试验器，高精度、符合RVSM规程。标准机架安装结构，提供多种标准编程接口，配套机架式外接压力/真空源PV103可以用来测试和校准高度计、空速表和马赫表、爬高指示表、飞行数据记录器、大气数据计算机、EFR指示器等机载设备。

图3 大气数据测试设备ADTS403

3.2工控机

工控计算机均选用NI PXIe工业控制计算机，机箱采用NI公司PXIe-1084，外形尺寸为446mm×177mm×435mm (长×高×深)，重量为12.6kg（公差±0.2kg），机箱背板含有1个系统插槽、17个扩展槽，系统带宽最大可达4GB/s，支持PXIe总线，并同时兼容PXI、PXIe、CPCI、CPCIe，使得用户能够灵活地插入各种仪器模，满足​各种高性能测试和测量应用的需求。

图4 工控机外形

3.3 PXIe控制器

PXIe控制器采用NI的PXIe-8840 Quad-Core RT嵌入式控制器，除了提供高CPU性能之外，还提供高I/O吞吐量以及丰富的外设I/O端口，该控制器专为满足测试、测量和控制系统的苛刻要求而设计，适用于宽温范围内操作，以及高冲击和振动环境。

该控制器支持Intel®Core™i7-5700EQ，2.6GHz，四核处理器，通过睿频加速可达3.4GHz，采用4GB DDR3L板贴内存，最大可扩展至8GB，系统总带宽高达8 GB/s，支持提供1×VGA, 1×HDMI，1×COM和2.5”SATA 接口，并同时支持LabVIEW RT操作系统。

图5 PXIe控制器

3.4 RS422、ARINC429串口通迅板卡

RS422串口通讯板卡选用NI PXIe-8431/16串口通信板卡，该板卡可配置16路RS422/RS485串行通讯接口，波特率及数据格式软件可编程； ARINC429总线通讯板卡选用北京石竹CAV-A429-PMCB总线模块，每个模块34通道独立可配置。

3.5 主控机

主控计算机选用DELL Precision T3630工作站，其采用Intel® Core™ i7-9700中央处理器，主频为3.6GHz,支持八核八线程，搭配16GB DDR4 2400MHz内存，支持P620 2G独立显卡。

4 大气数据测试系统软件设计

4.1 软件总体设计

大气数据测试系统的软件从层次上分为用户交互层，数据链接层以及功能驱动层，如下图所示。

图6 软件总体设计

1）用户交互层：软件的顶层，通过程序界面与用户交互，实现测试操作交互、测试数据和结果显示等功能。用户交互层主要由基本功能（启动、登录、设备自检）；核心功能（电源管理、接口测试、系统校准、新建试验、故障模拟、分系统测试、航电系统测试）；辅助功能（用户管理、关于和帮助、本地数据管理、参数配置）以及数据监控和数据管理软件组成。

2）数据链接层：与数据库交互，获取数据库存储的数据、更新数据库。与功能驱动层交互，下发板卡、总线通信指令，接收功能层传递的板卡采集和响应数据、总线通信数据；将用户层下发的飞行数据指令转换为激励控制信号，控制各激励器的执行；将用户层下发的故障注入指令通过硬件板卡或总线通讯响应；将测试数据传递给用户应用层，接收用户应用层传递的操作指令。

3）功能驱动层：从数据库获取板卡配置信息、总线配置信息等，调用板卡驱动函数，实现对板卡的控制，实现总线的通信功能。接受数据链接层发来的具体硬件操作指令并且执行，执行完毕后将执行结果返回给数据链接层。

4.2 软件测试流程

测试开始时，通过加载测试项目后，点击“开始测试”按钮，软件首先会初始化读取测试流程表信息，然后读取激励表和预期表与测试流程表相关的信息。

图7 测试流程

初始化完成之后，软件对每个测试项进行测试，首先输出该测试项相关的激励，然后读取相关的测试数据，再将测试数据与预期值进行比较，并判断测试结果。此时，一个测试项的测试流程完成。在测试过程中，当界面上的停止测试按钮响应时，退出自动测试流程。当完成一个测试项的测试流程后，软件再去判断是否还有其它测试项，若有则重复上面的测试项流程。若所有的测试项完成之后，判断是否为循环测试模式。若不是循环测试模式，则，将测试结果保存在文件中并结束自动测试，自动测试的数据保存文件为CSV格式的文件。若是循环测试，判断是否达到循环测试。若没有达到循环次数，则重新对所有测试项进行测试。若达到循环次数，将测试结果保存在文件中并结束自动测试。

自动测试时，每测试完一项将此项的测试信息及结果存储在专门保存自动测试结果的功能全局变量中，当保存的数据达到500条时将数据增加到CSV文件中，并将全局变量清空，重新存储自动测试数据。当结束测试时，将剩余的测试数据添加到CSV文件中。这样数据保存结构可以确保测试项过多时不会发生内存泄漏。整体的测试流程如下图所示。

5 小结

本文介绍了一种可用于对大气数据系统进行在线动态测试的测试系统，其主要是通过一个主控机用于用户加载测试任务和查看测试状态，通过一个下位机用于解析测试指令并解析总线数据，以及通过一台ADTS403测试系统来对被测对象施加总、静压外部激励，并基于自动测试理论与故障诊断技术，搭建软件的自动化测试流程，经验证后，可开展对后续更多机型的大气数据系统进行测试。

参考文献

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