基于某航空電子設(shè)備的自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1、引言
　　
　　航空電子設(shè)備的測試要求利用有限的資源，構(gòu)建功能多樣化的自動測試系統(tǒng)。機(jī)載電子設(shè)備的信號多且復(fù)雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續(xù)和離散信號，同時還包括一些非電信號。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測量自動化程度低，擴(kuò)展性差，因此要尋求一種實(shí)現(xiàn)高集成化應(yīng)用廣泛的解決方案。本測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以兼容兩種航空電子機(jī)載設(shè)備的測試，兩個機(jī)載組件是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)瞄準(zhǔn)顯示、夜視穩(wěn)定性和操縱性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。被測設(shè)備組件收發(fā)的信號包括數(shù)字發(fā)控信號，固定頻率模擬信號，電機(jī)驅(qū)動脈沖信號，RS232／RS422串口信號等。組件的功能就是響應(yīng)計(jì)算機(jī)的命令從而發(fā)出其他類型信號來操作相關(guān)的機(jī)載硬件設(shè)備。原有的測試環(huán)境是依照操作人員手動搭建的測試平臺，包括示波器、開關(guān)量開關(guān)、萬用表等，只能對設(shè)備一小部分功能進(jìn)行檢驗(yàn)，效率和準(zhǔn)確性都有待提高。針對原有系統(tǒng)自動化程度低的缺點(diǎn)，本研究從軟件和硬件兩方面討論了一種基于航空電子機(jī)載電子設(shè)備自動測試及調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。
　　
　　2、測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)描述
　　
　　2.1測試系統(tǒng)的功能和硬件組成
　　
　　該自動測試系統(tǒng)覆蓋了原有手動測試平臺的所有功能，為方便和完善測試還增加了新的特性，具體包括以下幾方面：
　　
　　（1）測試系統(tǒng)的自檢測功能，包括軟件、硬件完整性自檢；
　　
　　（2）測試的可選擇性，包括自動測試和手動調(diào)試測試，自動測試獨(dú)立模擬被測試電子設(shè)備工作狀況，按照設(shè)備正常工作流程進(jìn)行一遍或多遍測試；手動調(diào)試測試時可以根據(jù)測試項(xiàng)目單步驟重復(fù)測試，方便錯誤定位；
　　
　　（3）檢測到產(chǎn)品故障時暫停檢測并報故障，人工干預(yù)后可選擇結(jié)束檢測或繼續(xù)檢測其他項(xiàng)目，同時有例行測試功能可以保證被測設(shè)備在某一狀態(tài)下進(jìn)行長時間的狀態(tài)監(jiān)測；
　　
　　（4）每次自動測試結(jié)果保存為一個單獨(dú)文件，并提供打印輸出功能；
　　
　　（5）詳盡的在線實(shí)時幫助輔助操作人員完成測試；
　　
　　（6）測試系統(tǒng)可以同時測試4塊機(jī)載電子設(shè)備組件，有效地提高測試效率。
　　
　　整個測試系統(tǒng)（包括被測機(jī)載設(shè)備）由3個部分組成，如圖1所示。　　
　　2.2測試系統(tǒng)主機(jī)和內(nèi)部數(shù)據(jù)采集卡
　　
　　測試系統(tǒng)主機(jī)是整個系統(tǒng)zui重要的硬件平臺。這里選用了ACME-EMP350便攜式工控機(jī)作為測試系統(tǒng)主機(jī)。該型號性能穩(wěn)定可靠，符合國軍標(biāo)，且主板有足夠的擴(kuò)展槽以備功能擴(kuò)展。屏幕15.1寸，采用奔4主板，其他性能參數(shù)均超過主流工控機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，完達(dá)到測試系統(tǒng)要求的穩(wěn)定性和易操作性。
　　
　　在分析被測設(shè)備信號形式和數(shù)量之后，并考慮同時測試4個設(shè)備，選擇數(shù)據(jù)采集卡的類型如下：開關(guān)量輸入輸出卡2塊，A／D，D／A卡各1塊。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高可靠性，數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司和研華公司的成熟產(chǎn)品。
　　
　　2.3轉(zhuǎn)接機(jī)箱和信號調(diào)理控制卡
　　
　　測試主機(jī)與被測設(shè)備之間由轉(zhuǎn)接機(jī)箱相連，主要起到信號調(diào)理和控制的作用。轉(zhuǎn)接機(jī)箱內(nèi)部包括調(diào)理控制卡、開關(guān)電源、采集卡的適配器等，它們都通過D型連接器及電纜與主機(jī)采集卡互連。調(diào)理控制卡所需的+5V和+28V電源由轉(zhuǎn)接機(jī)箱中的開關(guān)電源提供，其也為被測設(shè)備的正常工作供電。
　　
　　信號調(diào)理控制卡負(fù)責(zé)系統(tǒng)的自檢和測試狀態(tài)的切換。測試系統(tǒng)采用軟件控制的方式對信號調(diào)理控制卡進(jìn)行信號調(diào)控，這樣能夠在不同狀況下達(dá)到測試的目的。由于數(shù)據(jù)采集卡的輸出信號特性和被測航電設(shè)備的要求不*相同，需要加入信號調(diào)理控制卡使采集卡輸出信號特性與被測航電設(shè)備匹配，比如模擬信號的幅度，數(shù)字量信號的電平值等。信號調(diào)理控制卡主要采用運(yùn)放放大模擬信號以及繼電器實(shí)現(xiàn)信號切換，功能實(shí)現(xiàn)簡單，不再贅述。
　　
　　3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)描述
　　
　　3.1軟件設(shè)計(jì)思想
　　
　　在測試軟件的開發(fā)中，對應(yīng)的開發(fā)平臺有專門為虛擬儀器設(shè)計(jì)的軟件LabView和Labwindows／CVI，VEE等，也有通用的軟件開發(fā)工具VC++，VB等。的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)周期短，缺點(diǎn)在于圖形化的編程語言給的自主性比較小，底層支持不夠。而VC++開發(fā)比較通用，對底層的支持比較好，技術(shù)較為成熟，對于上層各種模塊的實(shí)現(xiàn)方案也較多，因此采用VC++編程。
　　
　　測試系統(tǒng)上層軟件要求有簡單易用的圖形化測試界面，還要具備自動測試、手動調(diào)試測試、例行測試，以及測試結(jié)果打印、錯誤報告提示、系統(tǒng)自檢測等功能。對應(yīng)于不同的功能建立不同的功能模塊，這樣有助于測試通用性和移植性，對于將來擴(kuò)展應(yīng)用也非常有利。另外，將具體測試對象及代碼功能進(jìn)行封裝，也有利于測試系統(tǒng)的維護(hù)。當(dāng)然，應(yīng)用程序必須對錯誤操作有良好的錯誤提示處理，這樣能夠有效地增加軟件的容錯性和可靠性。
　　
　　3.2軟件整體構(gòu)架
　　
　　測試軟件設(shè)計(jì)采用分層結(jié)構(gòu)，下層為上層提供服務(wù)，上層通過函數(shù)的形式接口使用下層來完成本身的功能，每一層的變更不影響其他層的正常工作。針對測試的要求以及設(shè)計(jì)理念，測試系統(tǒng)軟件分成以下幾個部分：硬件層，物理接口層，硬件驅(qū)動層，軟件支持層，用戶應(yīng)用層。同時，每一層次當(dāng)中有其對應(yīng)的模塊化處理，從而保證軟件系統(tǒng)的健壯性和易用性。整個軟件設(shè)計(jì)的層次關(guān)系如圖2所示。　　
　　各層實(shí)現(xiàn)功能如下：
　　
　　硬件層安裝有實(shí)現(xiàn)具體測試功能的適配卡、數(shù)據(jù)采集卡和串口，這些硬件設(shè)備是測試實(shí)現(xiàn)的核心，其通過J18C型電連接器，D型接口等與被測設(shè)備相連。
　　
　　物理接口層主要是指主機(jī)內(nèi)采集卡提供的資源接口，另一方面它們主要通過ISA或PCI總線訪問測試主機(jī)的板卡。同時物理接口層還包含相關(guān)接口卡I／O操作的“軟性驅(qū)動”。
　　
　　硬件驅(qū)動層提供上層軟件訪問板卡硬件的方法，是軟硬件通訊的橋梁。測試系統(tǒng)中，所有驅(qū)動都采用WDM編程技術(shù)。
　　
　　軟件支持層它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的核心，涉及到對硬件訪問功能封裝的API函數(shù)，對測試系統(tǒng)界面支持的導(dǎo)出類，對數(shù)據(jù)處理的算法、對硬件功能的封裝（初始化，中斷句柄傳遞，重置等），對動態(tài)連接庫的設(shè)計(jì)布置等。各個功能模塊負(fù)責(zé)各功能的實(shí)現(xiàn)并zui終交給主線程綜合控制模塊來處理，其模塊化設(shè)計(jì)為軟件增添了靈活性和可靠性等諸多的優(yōu)勢。
　　
　　用戶應(yīng)用層為用戶提供簡捷易用的可視化圖形界面操作流程，并減少了誤操作的可能。應(yīng)用層當(dāng)中值得注意的幾點(diǎn)分別是：自動測試報表的生成、保存和打印需要用到CView類提供相關(guān)的成員虛函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，文字與表格線條輸出采用CDC類實(shí)現(xiàn)，測試數(shù)據(jù)的保存需要用到CDocument類提供的服務(wù)對存儲串行化成員函數(shù)Serialize（CArchive&ar）的重載來實(shí)現(xiàn)，而幫助文檔視圖則是通過HtmlView基類來實(shí)現(xiàn)的。整個軟件視圖設(shè)計(jì)采用多視圖構(gòu)架，特點(diǎn)是清晰且易操作。
　　
　　3.3軟件設(shè)計(jì)流程
　　
　　這里介紹了測試系統(tǒng)手動調(diào)試測試的一般流程。測試的一般步驟包括軟件初始化，測試系統(tǒng)自身軟硬件自檢，被測設(shè)備狀態(tài)切換的測試，觀測返回數(shù)字信號和模擬信號波形，模擬電機(jī)驅(qū)動信號控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，zui后保存結(jié)果。其簡要的軟件流程如圖3所示。而對于自動測試來講，實(shí)質(zhì)上就是按照一定的工作流程和被測設(shè)備的工作狀態(tài)切換來進(jìn)行自主自動化的測試，總體的過程與手動調(diào)試測試相似，并生成測試報表進(jìn)行記錄保存。
　　
　　3.4軟件設(shè)計(jì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)
　　
　　3.4.1面向?qū)ο笈c文檔視圖技術(shù)
　　
　　文檔和視圖分離是MFC編程推薦的一種程序結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，視圖類處理跟界面有關(guān)的內(nèi)容，而文檔類處理跟存儲有關(guān)的內(nèi)容，兩者通過GetDocument函數(shù)相關(guān)聯(lián)。這樣處理給編程帶來了很多好處，首先這種方法強(qiáng)調(diào)了模塊化的思想，兩個類中分別處理不同的任務(wù)，而需要數(shù)據(jù)交換時再相關(guān)，因此提高了程序的模塊化；其次兩個類中都有很多各自的支持類和函數(shù)，特別是視圖類，這樣就不互相影響，zui大方便地實(shí)現(xiàn)每個類的功能。
　　
　　3.4.2多線程相關(guān)技術(shù)
　　
　　測試軟件實(shí)現(xiàn)中采用多線程處理技術(shù)來調(diào)度多達(dá)4個組件共同測試的流程，同時數(shù)據(jù)采集與波形顯示的同步也采用了多線程間的同步來進(jìn)行協(xié)調(diào)。當(dāng)然這些線程具體調(diào)度由操作系統(tǒng)完成，但從用戶角度來看是同時并行運(yùn)行的。Windows環(huán)境中系統(tǒng)通過時間片輪流的方式實(shí)現(xiàn)多線程，CPU為每個線程分配一個時間片，每個線程從被激活起，運(yùn)行到時間片被耗盡為止，此時另一個線程運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)時只需要將用戶界面消息循環(huán)和數(shù)據(jù)采集、處理分配在不同線程上，就可以避免計(jì)算機(jī)長時間不響應(yīng)操作的問題。在軟件具體設(shè)計(jì)過程中，使用了測試線程和界面線程。界面線程為主控線程，控制測試線程的開啟、掛起和結(jié)束，提供消息循環(huán)并負(fù)責(zé)界面的生成和程序與用戶的交互。測試線程為工作者線程，實(shí)現(xiàn)具體的測試功能，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)入庫等。另外，系統(tǒng)自檢測和自動測試模塊也單獨(dú)各占有一個線程從而大大提高了測試系統(tǒng)的運(yùn)行效率。　　
　　3.4.3模擬信號狀態(tài)切換
　　
　　在對控制性能要求較高的實(shí)時控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，就更需要定時操作。此系統(tǒng)在自動測試當(dāng)中，需要對被測設(shè)備的各個工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，其工作狀態(tài)的變換是依靠四路開關(guān)量和兩路串口命令的改變而切換的。而狀態(tài)的切換需要在800ms內(nèi)完成四個不同的狀態(tài)變換，這就需要在狀態(tài)變換線程中采取的定時來完成。在Windows中已經(jīng)封裝了計(jì)算機(jī)底層硬件的訪問，因此在實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)針對具體定時精度的要求，采取相適應(yīng)的定時方法。在精度要求較高的情況下，VC中可以利用GetTickCount（）函數(shù)。該函數(shù)的返回值是DWORD型，表示以ms為單位的計(jì)算機(jī)啟動后經(jīng)歷的時間間隔。在較短的定時中其計(jì)時誤差為15ms，經(jīng)過調(diào)研該精度*該設(shè)備百微秒級的要求。
　　
　　3.4.4容錯處理
　　
　　本測試系統(tǒng)采取了很多容錯的處理手段。這里的容錯不僅包括對用戶非法操作的承受能力，還包括編寫正確的、優(yōu)化的測試代碼。具體包括：C++語言本身容錯的處理，VC++環(huán)境下容錯的處理，強(qiáng)調(diào)Release版本的生成，模塊設(shè)計(jì)的容錯處理，用戶界面的容錯處理，測試軟件自檢測等。
　　
　　4、測試結(jié)果
　　
　　如圖4所示可以看到測試系統(tǒng)手動調(diào)試測試的主界面。測試人員通過點(diǎn)擊測試的各個按鈕對被測組件進(jìn)行操作，從而判斷返回信號波形及參數(shù)，模擬電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和返回?zé)舻娘@示來判定測試結(jié)果。關(guān)于自動測試、例行測試、自檢和報表的保存生成界面這里就不再羅列了。　　
　　5、結(jié)語
　　
　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，功能上可以*代替原有手動測試系統(tǒng)，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，容易維護(hù)。無論是自動測試、手動調(diào)試測試還是例行測試都極大地提高了效率和可靠性。整個測試系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖5所示。