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飛機(jī)顯示器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2011-09-07 10:16:56李開(kāi)宇
關(guān)鍵詞:視頻信號(hào)顯示器串口

董 殷, 李開(kāi)宇

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,江蘇南京210016)

0 引 言

飛機(jī)顯示器在飛機(jī)這一特殊人機(jī)系統(tǒng)中占有重要地位,既是完成飛行任務(wù)的必要設(shè)備,也是保證飛行安全的關(guān)鍵設(shè)備[1]。隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展,需要顯示的信息量不斷加大,因此對(duì)顯示器提出了更高的要求,使得飛機(jī)顯示系統(tǒng)從最初的飛機(jī)儀表發(fā)展到現(xiàn)在的電子顯示器,而電子顯示器又經(jīng)歷了陰極射線管(CRT)顯示器和平板顯示器兩個(gè)發(fā)展階段。飛機(jī)顯示器主要是把顯示系統(tǒng)所測(cè)試的參數(shù)顯示出來(lái),尤其是在某些緊張的飛行狀態(tài)中,顯示器還必須保證飛行員在極短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地獲取所需要的信息,進(jìn)行及時(shí)、安全的操作。因此顯示器的顯示信息必須具有準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)、清晰、形象、直觀和容易判讀等特點(diǎn),符合人機(jī)工效學(xué)的要求[2]。

目前一般采用的測(cè)試方法是運(yùn)用各種儀表以手動(dòng)方式對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,因此測(cè)試過(guò)程不連續(xù),故障通常難以發(fā)現(xiàn)和定位,測(cè)試讀數(shù)由人工判斷,大量數(shù)據(jù)難于準(zhǔn)確記錄。為了解決上述問(wèn)題,開(kāi)發(fā)研制一套針對(duì)飛機(jī)顯示器的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備是很有必要的。本文即針對(duì)某型飛機(jī)上安裝的飛機(jī)下視顯示器開(kāi)發(fā)一套地面測(cè)試設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器的性能、功能檢測(cè)及故障的診斷隔離。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試設(shè)備功能需求分析

被測(cè)飛機(jī)顯示器系某型飛機(jī)下視液晶顯示器,其顯示內(nèi)容為主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的符合STANAG3350B標(biāo)準(zhǔn)的PAL制式差分視頻信號(hào),且同步信號(hào)在綠色通道。測(cè)試設(shè)備除了提供視頻信號(hào)外,還須與顯示器通過(guò)RS-485端口進(jìn)行串行通信,接受顯示器輸出的工作狀態(tài)信息,然后依據(jù)工作狀態(tài)信息進(jìn)行管理和測(cè)試,故障分析,并生成用戶要求的測(cè)試報(bào)告。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)除功能上滿足測(cè)試要求外,還應(yīng)具有以下特性:①可測(cè)性、可維修性、可靠性,自檢測(cè)性和可計(jì)量性;②軟硬件結(jié)構(gòu)??旎?,具有很強(qiáng)的通用性;③具有良好的可擴(kuò)展性;④檢測(cè)設(shè)備采用成熟元器件、技術(shù)和工藝,提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平,滿足電磁兼容性要求。

根據(jù)以上要求,本測(cè)試系統(tǒng)在檢測(cè)臺(tái)的結(jié)構(gòu)上,采用以工控機(jī)為主體的“機(jī)柜式”形式。系統(tǒng)主要由適配器模塊、電源模塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)及測(cè)試電纜等硬件組成。其中工控機(jī)是系統(tǒng)的控制核心,主要完成功能為接受操作員的測(cè)控指令、執(zhí)行測(cè)試控制。適配器主要完成激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)、切換、隔離,和被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行電氣連接,并提供被測(cè)產(chǎn)品所需的直流工作電源接口和接收被測(cè)產(chǎn)品輸出的狀態(tài)信號(hào)。電源模塊為工業(yè)級(jí)電源,給顯示器提供工作電源和照明電源[3]。

直流電源、視頻信號(hào)源、適配器等均采用模塊化結(jié)構(gòu),考慮到被測(cè)產(chǎn)品檢測(cè)需求,這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布線合理,盡可能避免信號(hào)之間的耦合與干擾,具有靈活、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、通用性強(qiáng)、擴(kuò)展容易、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),非常適合于專用產(chǎn)品的檢測(cè)。同時(shí)考慮到該檢測(cè)系統(tǒng)的特殊性,即部分測(cè)試結(jié)果僅在顯示屏上顯示,需要人工比對(duì)進(jìn)行判讀,另外需要給被測(cè)產(chǎn)品提供部分微弱電壓信號(hào),為了保證測(cè)試的精度和判讀的方便,在測(cè)試設(shè)備的信號(hào)源機(jī)箱面板上,采用了高精度的電壓測(cè)試儀表,并為被測(cè)產(chǎn)品留有專門的檢測(cè)位置,以方便操作人員在實(shí)際工作中的操作[4]。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

1.3 測(cè)試流程

檢測(cè)設(shè)備的基本測(cè)試流程為:被測(cè)產(chǎn)品通過(guò)測(cè)試電纜同檢測(cè)設(shè)備的接口與信號(hào)轉(zhuǎn)換組件(適配器)相連;工控計(jì)算機(jī)控制其內(nèi)插的視頻轉(zhuǎn)換卡產(chǎn)生產(chǎn)品測(cè)試所需的視頻信號(hào),在測(cè)試軟件的控制下,按照一定的通訊協(xié)議及相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試設(shè)備提供給測(cè)試產(chǎn)品相應(yīng)的測(cè)試信號(hào)和控制命令,產(chǎn)品則根據(jù)設(shè)備提供的信息和指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。檢測(cè)人員根據(jù)產(chǎn)品的狀態(tài)和顯示器顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)判斷被測(cè)產(chǎn)品的功能和性能指標(biāo)是否合格,并對(duì)故障進(jìn)行定位。

2 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于顯示器要求的485通信,我們可以采用成熟的產(chǎn)品,在此我們選用ADDI公司的RS-485載板、子板及附件,它提供多路485通信接口,我們?nèi)芜x其中2路即可。除通信要求外,顯示器還需要輸入PAL制式的差分視頻信號(hào),并且同步信號(hào)在綠色這一路,在此我們選擇雙頭顯卡加視頻轉(zhuǎn)換卡的設(shè)計(jì)方案。從顯卡輸出的信號(hào)有五路,分別為紅、綠、藍(lán)顏色信號(hào),和2路同步信號(hào),需要將這五路信號(hào)復(fù)合成要求的三路差分信號(hào)。我們可以購(gòu)買視頻轉(zhuǎn)換卡將顯卡信號(hào)轉(zhuǎn)化為我們需要的視頻信號(hào),但價(jià)格昂貴,在此我們選擇自己設(shè)計(jì)視頻轉(zhuǎn)換電路來(lái)滿足檢測(cè)要求,并做成PCI板卡形式,通過(guò)工控機(jī)主板供電。視頻轉(zhuǎn)換流程圖如圖2所示。

2.1 同步信號(hào)復(fù)合

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框架

圖2 視頻轉(zhuǎn)換流程

圖3 同步信號(hào)極性轉(zhuǎn)換電路

圖4 行場(chǎng)同步轉(zhuǎn)復(fù)合同步信號(hào)電路

在這里,因?yàn)橐蟮囊曨l信號(hào)要滿足PAL制式,所以首先要求我們用的VGA卡要能發(fā)送與PAL標(biāo)準(zhǔn)視頻時(shí)序兼容的RGB格式視頻信號(hào)。從顯卡出來(lái)的同步信號(hào)有2路,行同步和場(chǎng)同步。我們需要對(duì)這2路同步信號(hào)做以下處理:極性轉(zhuǎn)換、生成復(fù)合同步信號(hào)。

從顯卡出來(lái)的同步信號(hào)會(huì)存在不同的極性,我們需要將其轉(zhuǎn)化為單一的極性。極性轉(zhuǎn)換電路如圖3所示,圖中采用帶有4個(gè)2輸入異或門芯片74LS86。

同步信號(hào)轉(zhuǎn)換后變?yōu)榻y(tǒng)一極性,然后通過(guò)與非門芯片74HC00和NE555定時(shí)器對(duì)脈沖進(jìn)行延拓,就可以復(fù)合成復(fù)合同步信號(hào)[5]。復(fù)合電路如圖4所示。

復(fù)合后的同步信號(hào)如圖5所示。

圖5 場(chǎng)同步和復(fù)合同步信號(hào)

2.2 差分信號(hào)產(chǎn)生

復(fù)合同步信號(hào)產(chǎn)生以后,通過(guò)與視頻轉(zhuǎn)換芯片EL5373的INN2端相連,被加入到綠色顏色信號(hào)這一路。被疊加的綠色信號(hào)和其它兩路顏色信號(hào)一起經(jīng)過(guò) EL5373芯片轉(zhuǎn)換后變?yōu)椴罘忠曨l信號(hào)[6]。轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在確保檢測(cè)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)正確、可靠的前提下,測(cè)試軟件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有各項(xiàng)檢查功能的重要保證。

3.1 虛擬儀器概述

虛擬儀器主要有兩方面的意義:第一,在計(jì)算機(jī)上虛擬出具體存在的實(shí)際儀器,即虛擬面板。它可以在計(jì)算機(jī)上虛擬出和實(shí)際儀器無(wú)差別的操作面板,測(cè)試人員只需要在計(jì)算機(jī)上操作相關(guān)按鈕就可以完成對(duì)儀器的控制,和手工操作儀器沒(méi)有差別。第二,在計(jì)算機(jī)上虛擬出實(shí)際不存在的儀器,也就是測(cè)量功能的虛擬實(shí)現(xiàn)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程中,應(yīng)用不同的數(shù)據(jù)處理算法獲得不同的特征并將其以儀器的方式顯示出來(lái),從而產(chǎn)生一種新的實(shí)際中不存在的儀器[7-8]。

VC++是一種功能強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),Measurement studio是美國(guó)NI公司的虛擬儀器設(shè)計(jì)工具,VC++環(huán)境下向用戶提供一組Measurement Studio控件,采用VC++和Measurement Studio聯(lián)合編程可以充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)[9]。

因此,在這里我們?cè)赪indowXp操作系統(tǒng)下,用戶界面采用C語(yǔ)言和VC6.0混合編寫,充分發(fā)揮了C語(yǔ)言面向底層硬件編程的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí),基于虛擬儀器的特點(diǎn),為了使檢測(cè)界面更加美觀、真實(shí),我們?cè)赩C++的基礎(chǔ)上,利用NI公司的MEASUREMENTSTDIO中的按鈕控件,讓檢測(cè)界面更加接近真實(shí)的儀器界面。

3.2 軟件功能分析

飛機(jī)顯示器檢測(cè)設(shè)備所要達(dá)到的主要目標(biāo),是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備的全部性能檢測(cè)和故障定位。

測(cè)試應(yīng)用軟件用于檢測(cè)被測(cè)產(chǎn)品各種顯示狀態(tài)及參數(shù),主要包括:顯示器按鍵檢測(cè),顯示器通訊檢測(cè),顯示器狀態(tài)檢測(cè),視頻信號(hào)發(fā)生控制,測(cè)試結(jié)果分析等。軟件流程圖如圖7所示。

3.3 通信端口自檢

顯示器與主控計(jì)算機(jī)通信是通過(guò)兩路 RS-485串行接口通信方式實(shí)現(xiàn)的。在開(kāi)始檢測(cè)之前,我們需要對(duì)用到的2路485端口進(jìn)行檢測(cè),確保端口可以進(jìn)行正確的發(fā)送和接收操作。在Windows操作系統(tǒng)中,多線程是提高系統(tǒng)利用率,實(shí)現(xiàn)并行處理的重要手段。為此,我們利用Windows自帶的API函數(shù)和多線程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。

設(shè)2路485端口分別為1、2。自檢時(shí),將二者連接,進(jìn)行如下操作:①異步方式打開(kāi)串口句柄:CreateFile函數(shù);②建立串口通信事件:CreateEvent函數(shù);③初始化串口,設(shè)置串口參數(shù):SetCommState函數(shù);

圖6 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

圖7 軟件系統(tǒng)框架

串口初始化完成后,當(dāng)對(duì)端口1的發(fā)送,端口2的接收進(jìn)行檢測(cè)時(shí),在主線程里,端口1利用定時(shí)器每隔50ms發(fā)送一次數(shù)據(jù),在副線程里,端口2在while循環(huán)里用Wait-CommEvent函數(shù)等待串口接收事件,當(dāng)檢測(cè)到EV_RXCHA事件發(fā)生時(shí),ReadFile函數(shù)讀取數(shù)據(jù),并發(fā)送消息到主線程與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,若發(fā)送和接收數(shù)據(jù)完全相同,則檢測(cè)成功,反之,失敗,查找失敗原因。當(dāng)對(duì)端口2的發(fā)送,端口1的接收進(jìn)行檢測(cè)時(shí),只需將主從線程的發(fā)送和接收端口對(duì)換即可。檢測(cè)完畢后,關(guān)閉定時(shí)器,退出副線程,關(guān)閉串口[10]。

3.4 下視顯示器與測(cè)試設(shè)備通信

3.4.1 MSComm控件串行通信

雖然在Windows下Win32API提供了使用文件操作方式的函數(shù)進(jìn)行串口操作的方法,但是在編程實(shí)現(xiàn)上還是比較復(fù)雜。針對(duì)本檢測(cè)設(shè)備的通訊特點(diǎn),利用已有的AxtiveX控件,只需要編寫少量的代碼,就可以輕松高效地完成任務(wù)[11]。

3.4.2 串口事件處理

首先將2個(gè)端口各關(guān)聯(lián)一個(gè)控件,并設(shè)置相應(yīng)通信參數(shù),然后按照顯示器通信要求,主控計(jì)算機(jī)發(fā)送相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)。顯示器接受數(shù)據(jù)后會(huì)返回相應(yīng)的狀態(tài)信息,為了及時(shí)無(wú)誤的讀取顯示器狀態(tài)參數(shù),有2個(gè)屬性設(shè)置需要注意,一是SetRThreshold函數(shù)參數(shù)設(shè)為1,即接受緩沖區(qū)一有字符馬上觸發(fā)接受事件;另一個(gè)利用SetlnputLen函數(shù)將接收區(qū)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)為0,即讀取緩沖區(qū)的全部數(shù)據(jù)[12]。除了屬性設(shè)置外,在OnComm對(duì)數(shù)據(jù)的接收時(shí),我們也要在查詢事件觸發(fā)后,數(shù)據(jù)讀取之前加上Sleep函數(shù),讓CPU有個(gè)短暫的停頓,這樣才能保證正確無(wú)誤的讀取顯示器返回的數(shù)據(jù)。

由于顯示器返回狀態(tài)信息種類繁多,參數(shù)大小各不相同,因此,我們必須保證既要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)接收,又要對(duì)接受數(shù)據(jù)進(jìn)行正確處理。在此,我們利用Windows消息機(jī)制中的異步消息模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,即在OnComm對(duì)接受事件進(jìn)行響應(yīng)后,用Postmessage函數(shù)發(fā)送消息,然后在消息中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[13]。

3.5 下視顯示器測(cè)試畫(huà)面產(chǎn)生

除了通過(guò)各種命令對(duì)顯示器的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)外,我們還須對(duì)顯示屏的顯示質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試,主要包括壞點(diǎn)、對(duì)比度、清晰度等。為此,我們需要為顯示器提供不同的測(cè)試畫(huà)面。

3.5.1 顯卡設(shè)置

在這里我們用的是單顯卡上驅(qū)動(dòng)雙顯示器技術(shù),因此,在提供測(cè)試畫(huà)面以前,我們需要對(duì)顯卡進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

首先將主顯示器連接到第一個(gè)D-Sub接口上,再將被測(cè)顯示器經(jīng)過(guò)視頻轉(zhuǎn)換卡連接到第二個(gè)D-Sub接口上。連接好顯示器后開(kāi)機(jī),因?yàn)閃inXP中雙屏顯示功能默認(rèn)是關(guān)掉的,所以進(jìn)入WinXP操作系統(tǒng)后,其中一個(gè)顯示器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。其中保持開(kāi)啟的顯示器是接在顯示器的主顯示接口上,關(guān)閉的顯示器是接在從顯示接口上。

此時(shí)需要安裝顯卡最新驅(qū)動(dòng)才能設(shè)置雙顯示器輸出參數(shù),這里我們用的是nVIDIA顯卡,而nVIDIA顯卡利用Force-Ware驅(qū)動(dòng)中的nView來(lái)實(shí)現(xiàn)雙顯示器功能。進(jìn)入系統(tǒng)后,在顯示屬性設(shè)置里可以看到2臺(tái)顯示器,第一次使用時(shí)2臺(tái)顯示器是灰色,表示沒(méi)有啟用。雙擊選擇“是”之后,第二臺(tái)顯示器就會(huì)正確的顯示擴(kuò)展的Windows桌面。進(jìn)入顯示屬性驅(qū)動(dòng)設(shè)置界面,點(diǎn)擊“高級(jí)_顯示”,進(jìn)入顯示設(shè)備設(shè)置窗口,單擊擴(kuò)展窗口中的“nView”,在“nView”模式下,選擇“水平跨越”?!八娇缭健笔侵竷膳_(tái)顯示器的顯示內(nèi)容是以水平方向連接在一起。至此,顯卡設(shè)置完成。

3.5.2 測(cè)試畫(huà)面產(chǎn)生

當(dāng)被檢測(cè)顯示器與主測(cè)試屏連接到同一顯卡后,設(shè)置顯卡,然后通過(guò)軟件編程,我們可以在被檢測(cè)顯示屏上全屏顯示不同的測(cè)試畫(huà)面。具體做法如下:首先我們獲取被檢測(cè)顯示器的分辨率大小X*Y,然后將顯示測(cè)試畫(huà)面的對(duì)話框平移X,最后將要顯示的畫(huà)面在對(duì)話框上進(jìn)行顯示,這樣就為顯示器提供了檢測(cè)畫(huà)面。并且,利用VC中的Onpaint函數(shù),可以不斷改變顯示器顯示的畫(huà)面。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

對(duì)于顯示器的測(cè)試主要是兩個(gè)方面,顯示器功能測(cè)試和顯示質(zhì)量測(cè)試。對(duì)于顯示質(zhì)量的測(cè)試我們無(wú)法通過(guò)軟件編程自動(dòng)進(jìn)行,只能點(diǎn)擊測(cè)試畫(huà)后,通過(guò)肉眼和亮度計(jì)等工具來(lái)對(duì)被測(cè)顯示器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試圖片如圖8右上角所示,總共12張。

對(duì)于顯示器功能的檢測(cè),為了更加直觀,準(zhǔn)確的達(dá)到測(cè)試目的,我們的測(cè)試界面仿照被測(cè)顯示器的面板來(lái)進(jìn)行布局,并將測(cè)試結(jié)果直接顯示出來(lái)。顯示器的顯示功能和顯示參數(shù)是由顯示器上20個(gè)周邊按鍵選擇控制的,當(dāng)被測(cè)顯示器有鍵按下時(shí),若按鍵工作正常,則測(cè)試面板上對(duì)應(yīng)位置的按鈕變綠,如果工作不正常,則變紅。根據(jù)顯示器檢測(cè)項(xiàng)目要求,檢測(cè)臺(tái)還要模擬機(jī)載顯示控制平臺(tái)的功能,通過(guò)檢測(cè)界面中的“單字節(jié)發(fā)送命令”欄里的14個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)模擬控制臺(tái)與顯示器成功通信時(shí),相應(yīng)按鈕變綠,否則變紅。

測(cè)試面板除以上要求測(cè)試要求外,我們還增加了握手通信測(cè)試,奇偶錯(cuò)測(cè)試等測(cè)試項(xiàng)目。通過(guò)與顯示器連接調(diào)試,測(cè)試設(shè)備完全滿足測(cè)試要求,達(dá)到測(cè)試目的。圖8為被測(cè)顯示器有鍵卡死時(shí)的得測(cè)試畫(huà)面,當(dāng)有2個(gè)鍵同時(shí)卡死時(shí),測(cè)試面板正確反應(yīng)出了健卡死的位置,并報(bào)告具體的故障,其它正常工作處通過(guò)綠色顯示。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 系統(tǒng)測(cè)試面板

隨著電子設(shè)備的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,檢測(cè)設(shè)備功能越來(lái)越強(qiáng),結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備難以滿足要求,為保證檢測(cè)設(shè)備的通用和統(tǒng)一,采用通用的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備已勢(shì)在必行。本文中,以工控機(jī)為主體,配合虛擬儀器技術(shù),運(yùn)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) VC++實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器性能參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試。把測(cè)試信息顯示出來(lái),使用戶可以直觀的觀察到測(cè)試的結(jié)果,充分利用了已有資源,達(dá)到了檢測(cè)目的[14]。不僅如此,利用工控機(jī)擴(kuò)展性強(qiáng),軟件可修改的特點(diǎn),我們?cè)诖朔桨傅幕A(chǔ)上,還成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種不同飛機(jī)顯示器的檢測(cè),做到了一機(jī)多用,大大節(jié)約了檢測(cè)成本,且取得了很好的效果。

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