鄧向俊，田裕鵬

（1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210000；2.成都國營錦江機(jī)器廠，四川 成都 610041）

無線電高度表通過測量無線電波從飛機(jī)發(fā)射到地面，再由地面返回飛機(jī)所經(jīng)歷的時間，經(jīng)一系列計算，實(shí)時測算飛機(jī)對地高度，并將測算的高度信息傳送至綜合任務(wù)系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備作為重要參數(shù)使用，在飛機(jī)處于低高度時作用格外明顯。在直升機(jī)整機(jī)定期檢測維修時，重要機(jī)載設(shè)備的常規(guī)性能檢測有助于提高整機(jī)安全系數(shù)，因此，設(shè)計研制對應(yīng)型號無線電高度表試驗(yàn)器，有利于及時有效診斷該型產(chǎn)品性能，及時排除故障，提高產(chǎn)品可靠性[1]，保障飛行安全。

當(dāng)前直升機(jī)維修工廠常用的無線電高度表檢測設(shè)備分為手動測試設(shè)備和自動測試設(shè)備兩種，手動測試設(shè)備存在接線、操作復(fù)雜，接口損耗大等缺陷；自動測試設(shè)備存在模擬高度準(zhǔn)確度不高、測試靈活性低等缺陷；兩者都存在測試數(shù)據(jù)分散、難以系統(tǒng)分析的問題。本文以某型連續(xù)波調(diào)頻體制無線電高度表為測試目標(biāo)，運(yùn)用自動測控和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計研究一種測試精度高、效率高，具備在線測量及數(shù)據(jù)分析功能的無線電高度表試驗(yàn)器。

1 系統(tǒng)功能及工作原理

某型無線電高度表系統(tǒng)（含無線電高度表收發(fā)機(jī)、接收天線、發(fā)射天線、電纜）裝配于某新型直升機(jī)，采用連續(xù)波調(diào)頻恒定差拍頻率體制，該型無線電高度表收發(fā)機(jī)由射頻組件、轉(zhuǎn)接板、低頻放大器板和低頻處理器板組成，以微處理器為中心，完成射頻電路和低頻伺服環(huán)路的監(jiān)控、校準(zhǔn)、高度參數(shù)的測量和輸出，是無線電高度表系統(tǒng)的核心。

1.1 系統(tǒng)功能

設(shè)計該型無線電高度表試驗(yàn)器，能模擬地面及飛行狀態(tài)給定無線電高度表相關(guān)信號，測試無線電高度表消耗電流、高度有效與靈敏度、模擬高度輸出信號、測高精度、自檢功能、中心頻率、發(fā)射功率、零高度校準(zhǔn)功能等各項(xiàng)性能參數(shù)[2]，將測試數(shù)據(jù)保存，建立數(shù)據(jù)庫并對歷次數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷產(chǎn)品故障點(diǎn)，輔助排除故障。

1.2 工作原理

根據(jù)測試項(xiàng)目及實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計試驗(yàn)器由電源箱、工控機(jī)、接口適配器、射頻同軸開關(guān)、衰減器和頻譜儀、微波功率計等組成。系統(tǒng)上電后，測試高度值及靈敏度等性能時，無線電高度表通過發(fā)射接口向外部發(fā)射射頻信號，由工控機(jī)[3]控制射頻同軸開關(guān)選擇指定高度的延遲線，模擬某一飛行高度，信號經(jīng)衰減器衰減后傳輸回?zé)o線電高度表收發(fā)機(jī)接收端；測試頻率及發(fā)射功率時則由工控機(jī)控制射頻同軸開關(guān)接通頻譜儀或微波功率計，并控制這兩臺儀器。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

測試系統(tǒng)采用模塊化、綜合化的設(shè)計思想，最大限度模擬高空環(huán)境，降低信號損耗，提高測試精度和測試效率，同時對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輔助完成故障定位和故障隔離。

試驗(yàn)器內(nèi)部集成由ARINC429板卡、數(shù)字電壓模塊、頻譜儀、微波功率計、衰減器、延遲線和電源系統(tǒng)，以及對所有資源信號進(jìn)行適配的接口適配器構(gòu)成。電源系統(tǒng)用于為整個設(shè)備及被測件供電；以工控機(jī)、ARINC429板卡、頻譜儀、功率計、衰減器等為主要部件的控制系統(tǒng)是試驗(yàn)器測試的核心硬件，控制系統(tǒng)為整個試驗(yàn)器測試平臺提供測試資源，并且對測試資源進(jìn)行控制；接口適配器是測試資源與收發(fā)機(jī)之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)對測試資源的引入、切換、分配和轉(zhuǎn)接等功能。

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、ARINC429板卡、頻譜儀、微波功率計、數(shù)字電壓模塊、同軸射頻開關(guān)、顯示器、鍵鼠等部分組成。

系統(tǒng)通過連接器與接口適配器連接，實(shí)現(xiàn)與被測件的數(shù)據(jù)交互；通過ARINC429板卡讀取被測件429總線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與被測件之間總線交互。射頻模塊采用微波延遲線，模擬直升機(jī)產(chǎn)生四個固定高度。同軸射頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)頻率測試、功率測試、高度測試、靈敏度測試的自由切換。數(shù)字電壓模塊監(jiān)控系統(tǒng)工作電壓，超壓告警。微波功率計通過USB與工控機(jī)進(jìn)行通信，測試發(fā)射功率；頻譜儀通過RS232接口與工控機(jī)進(jìn)行通信，測試工作頻率和帶寬。交聯(lián)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)交聯(lián)圖

2.2 接口適配設(shè)計

接口適配器主要實(shí)現(xiàn)信號的分配以及和被測部件的連接，由繼電器矩陣進(jìn)行信號的切換和轉(zhuǎn)接不同的通道，還可以實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號的采集和控制電源的功能，設(shè)計測試接口用于設(shè)備計量和調(diào)試。

接口適配器主要由繼電器矩陣板以及測試連接器等組成，繼電器矩陣板為所有信號通道、電源、采集進(jìn)行切換，適配器與無線電高度表收發(fā)機(jī)連接，在所需通道數(shù)的基礎(chǔ)上作出一定預(yù)留，各個通道數(shù)量如表1。

表1 測試通道數(shù)量表

2.3 電源模塊設(shè)計

電源模塊主要是為試驗(yàn)器提供交流220 V、直流28 V電源，以及提供過流保護(hù)、短路保護(hù)、電壓電流指示等功能。電源系統(tǒng)主要由開關(guān)電源模塊、數(shù)顯電壓表、數(shù)顯電流表、空氣開關(guān)、自鎖連接器等部件組成，總開關(guān)控制整個測試系統(tǒng)的電源通斷，數(shù)顯電壓表、數(shù)顯電流表實(shí)時顯示當(dāng)前系統(tǒng)的電壓和電流，保險管在過流、短路時實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)。

設(shè)備各種電源都是由220 V交流電源轉(zhuǎn)換而來，28 V直流供電由開關(guān)電源轉(zhuǎn)換得到，輸出電流為5 A。220 V市電接入后首先利用保險管與空氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)過流、短路的保護(hù)，再通過濾波器減少EMI干擾，通過電源開關(guān)提供整個測試系統(tǒng)的電源，28 V控制電源模塊將交流220 V轉(zhuǎn)換成直流28 V，連接到接口適配器，220 V也供給各個儀器、工控機(jī)、顯示屏等設(shè)備。如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

3 軟件設(shè)計

軟件是無線電高度表收發(fā)機(jī)試驗(yàn)器的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)控制試驗(yàn)設(shè)備信號激勵器采集測試信號、監(jiān)控總線信號、仿真總線信號和測試數(shù)據(jù)后期處理等功能。軟件設(shè)計上采用框架式的測試軟件結(jié)構(gòu)、模塊化的獨(dú)立功能封裝，通過執(zhí)行測試軟件進(jìn)行測試流程控制、參數(shù)測試、信號監(jiān)控與仿真、數(shù)據(jù)分析和處理。

3.1 設(shè)計思想

功能上，測試軟件分為四個層次，分別是應(yīng)用管理層、應(yīng)用執(zhí)行層、應(yīng)用服務(wù)層、設(shè)備驅(qū)動程序?qū)?。設(shè)備驅(qū)動程序?qū)邮且话阋饬x下的應(yīng)用程序編程接口API，各測試平臺根據(jù)配置硬件不同，對本層進(jìn)行設(shè)計。應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)的按類綜合，如硬件資源管理器服務(wù)、綜合數(shù)據(jù)庫操作、故障診斷、人工引導(dǎo)探針驅(qū)動、公用數(shù)據(jù)處理算法等，形成即插即用的軟構(gòu)件。應(yīng)用執(zhí)行層由一系列的可執(zhí)行的應(yīng)用程序組成，實(shí)現(xiàn)軟件框架的各項(xiàng)功能。應(yīng)用管理層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的管理與任務(wù)調(diào)度。

3.2 數(shù)據(jù)庫部分

數(shù)據(jù)庫包含四類：用戶相關(guān)表、系統(tǒng)配置相關(guān)表、系統(tǒng)維護(hù)相關(guān)表、數(shù)據(jù)存儲相關(guān)表，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

（1）用戶相關(guān)表包括測試系統(tǒng)軟件所有的用戶信息及分配的權(quán)限；

（2）系統(tǒng)配置相關(guān)表包含硬件參數(shù)配置表、測試參數(shù)配置表和系統(tǒng)參數(shù)配置表，這些表對應(yīng)配置系統(tǒng)所驅(qū)動的硬件的相關(guān)參數(shù)、配置系統(tǒng)測試流程的相關(guān)參數(shù)和測試系統(tǒng)軟件運(yùn)行的基本參數(shù)；

（3）系統(tǒng)維護(hù)相關(guān)表涵蓋系統(tǒng)維護(hù)的相關(guān)配置參數(shù)，保障了設(shè)備的穩(wěn)定和測試精度；

（4）數(shù)據(jù)存儲相關(guān)表分為歷史測試報告數(shù)據(jù)表、詳細(xì)測試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表和系統(tǒng)日志表。歷史測試報告數(shù)據(jù)表記錄所有的測試報告數(shù)據(jù)；詳細(xì)測試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表對應(yīng)歷史測試報告數(shù)據(jù)表，記錄所有的歷史測試數(shù)據(jù)；系統(tǒng)日志表以天為單位記錄軟件的使用信息。

3.3 應(yīng)用軟件部分

應(yīng)用軟件分成測試運(yùn)行、數(shù)據(jù)管理、用戶管理、系統(tǒng)維護(hù)、幫助5個部分，結(jié)構(gòu)如圖5所示。數(shù)據(jù)管理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫操作組件和數(shù)據(jù)導(dǎo)出組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等功能，向用戶提供文檔形式的幫助信息。

圖5 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

其中數(shù)據(jù)分析部分具備自動學(xué)習(xí)能力，初始狀態(tài)對實(shí)測值與理想值進(jìn)行對比，對超出理想值范圍的數(shù)據(jù)，根據(jù)無線電高度表收發(fā)機(jī)工作原理給出可能的故障部位（多定位到模塊級），在后期無線電高度表維護(hù)修理過程中不斷錄入實(shí)際故障部位，定位到元器件級，數(shù)據(jù)分析時向用戶提供歷史故障信息，便于提高故障排除效率。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用一套機(jī)上性能良好的某型無線電高度表與該試驗(yàn)器連接，按測試軟件操作界面提示進(jìn)行操作，開展試驗(yàn)驗(yàn)證，測試結(jié)果顯示各項(xiàng)性能合格。測試記錄見表2。

表2 某件無線電高度表測試記錄

另將一套機(jī)上無高度輸出的無線電高度表與該試驗(yàn)器連接，試驗(yàn)顯示無線電高度表故障，提示可能為低頻放大器板故障。經(jīng)驗(yàn)證，實(shí)際確實(shí)為低頻放大器板故障，試驗(yàn)器為排除故障較好地縮小了排查范圍。

5 結(jié)論

通過上位機(jī)控制同軸開關(guān)選擇不同高度的模擬延遲線、控制頻譜儀測試射頻頻率及帶寬、控制功率計測試發(fā)射功率、與429總線通信讀取總線信號，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能實(shí)現(xiàn)對無線電高度表各項(xiàng)性能的檢測，并能提高測試效率。定期校準(zhǔn)延遲線，可提高測試精度。通過數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，輔助故障定位，提高修理效率和修理深度，對航空維修企業(yè)具有重要意義。