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飛控計算機測試設備的設計與實現(xiàn)論文
為了對飛控計算機進行全面準確測試，本文提出了一種飛控計算機測試設備的軟硬件設計方案。硬件部分主要是設計工控機中的兩塊板卡，產(chǎn)生測試系統(tǒng)需要的信號。軟件部分以Windows XP為開發(fā)平臺，標準C++為開發(fā)語言，最終能夠合理調(diào)度硬件完成測試任務。經(jīng)實際應用表明，該測試設備性能穩(wěn)定，操作簡單，結(jié)果準確，具有一定的實用性和推廣價值。
0 引言
隨著航空技術(shù)、控制理論、容錯技術(shù)以及仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行控制技術(shù)有了很大的提高，并已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)和軍事研究的各個方面。飛控計算機是整個飛行控制系統(tǒng)的核心，主要完成控制率計算、余度管理、BIT(機內(nèi)自檢測)、系統(tǒng)調(diào)度、故障檢測、空置率重構(gòu)等關鍵特殊的任務[1]，因此對其各項功能測試有著極其重要的意義。測試設備能對飛控系統(tǒng)的實時性、可用性、穩(wěn)定性和可靠性進行完備測試。
飛控計算機應用具有對軟硬件可靠性要求高、信號種類繁多等特點，而且對實時性要求高，導致其測試流程非常復雜。傳統(tǒng)的飛控測試設備大多體積龐大，實現(xiàn)成本高，軟件可移植性低[2]。本論文以某飛控計算機的測試需求為基礎，研究并實現(xiàn)了一種基于PCI總線，以CPU模擬板和接口分組件模擬板為核心板的測試設備。經(jīng)試驗驗證，該設備穩(wěn)定性高，維護方便，能夠?qū)︼w控計算機進行精確測試。
1 測試設備需求分析
測試設備硬件部分應滿足：能夠模擬并接管被測設備的CPU、模擬產(chǎn)生TMS320C25 CPU總線信號;為了對被測飛控計算機進行數(shù)據(jù)通路測試，板卡要求能模擬被測產(chǎn)品的接口分組件資源。
對于軟件部分，要開發(fā)自己的設備驅(qū)動程序和應用程序。應用程序要易于操作和修改。此外，測試設備要能夠進行自檢，確保設備工作正常。
2 總體設計
該測試設備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。測控單元為產(chǎn)品提供電源信號、控制信號、產(chǎn)生各種數(shù)字信號實現(xiàn)產(chǎn)品測試。測控單元包括以下部分：
①工控機：整個測試設備的控制管理中心，通過其測試軟件能合理調(diào)度硬件對飛控計算機進行各項測試，并生成數(shù)據(jù)報表。
②數(shù)字測試模塊：用于產(chǎn)生飛控計算機的控制信號，同時具有I/O端口，用于模擬產(chǎn)生TMS320C25總線信號，并測試飛控計算機的輸出信號。
③I/O模塊：用于模擬產(chǎn)生TMS320C25總線控制信號，并測試飛控計算機的相應信號。
④程控電源：由控制程序控制輸出，提供被測件的工作電壓。
⑤通訊模塊：實現(xiàn)工控機與程控電源及示波器之間的通訊。
此外，適配器用來實現(xiàn)測控單元與飛控計算機之間的信號調(diào)理及轉(zhuǎn)接。通用示波器用于測試飛控計算機接口信號的波形。
3 測試設備硬件設計
整個測試設備的硬件系統(tǒng)由工控機及工控機中的兩塊板卡、程控電源及自用電源、示波器及示波器通道切換裝置、程控電源過流保護裝置及各個自檢裝置組成[4] ，如圖2所示。
工控機作為系統(tǒng)的平臺，安裝和控制各板卡，運行各種自檢和產(chǎn)品測試軟件。CPU模擬板作為工控機中的PCI總線接口板[3]，通過向被測產(chǎn)品發(fā)送“hold”信號，將被測產(chǎn)品中的CPU置于“hold”狀態(tài)，并模擬產(chǎn)生TMS320C25 CPU總線信號，代替產(chǎn)品中的CPU對被測飛控計算機板上的各種資源進行訪問測試。接口分組件模擬板同樣是工控機中的PCI總線接口板[5]，用來模擬接口分組件資源，如存儲器單元、I/O資源等，以便對被測飛控計算機進行數(shù)據(jù)通路測試。示波器用于在動態(tài)測試中對規(guī)定的接口定時時序信號及接口控制信號進行測量，測量的結(jié)果通過USB接口送至工控機進行顯示和判定。
程控電源為被測產(chǎn)品提供供電，程控電源通過RS-232接口連至工控機，加電、斷電在計算機控制下實現(xiàn)，電源本身具有過壓保護功能，但無過流保護功能，其過流保護功能由過流保護裝置實現(xiàn)。設備自用電源為機柜中除被測產(chǎn)品及通用儀器之外的所有其它裝置供電。示波器通道切換裝置將需要連接至示波器進行測量的多個信號進行程控多路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為兩路信號連接至示波器的兩個輸入通道。過流保護裝置用于對產(chǎn)品供電電源進行過流保護，當供電電流超過預先設定值時，切斷電源供電，并發(fā)出過流保護中斷請求信號至工控機。
CPU模擬板及接口分組件模擬板自檢裝置代替被測飛控計算機產(chǎn)品，建立CPU模擬板及接口分組件模擬板之間的連接，以實現(xiàn)兩個板卡之間的閉環(huán)聯(lián)合自檢。示波器通道切換自檢裝置產(chǎn)生多路可區(qū)分的信號連接至示波器通道切換裝置。設備自用電源為示波器通道切換裝置、過流保護裝置、CPU模擬板及接口分組件模擬板自檢裝置及示波器通道切換自檢裝置供電。
4 測試設備軟件設計
軟件設計主要是在Windows XP 系統(tǒng)下，編譯環(huán)境選擇Visual C++6.0。軟件采用分層設計的思想，最底層為驅(qū)動軟件，即板卡的驅(qū)動程序，上層為設備的應用層軟件。
4.1 應用層軟件設計
應用層軟件的組成如圖3所示。
自檢程序?qū)崿F(xiàn)測試設備自身正確性檢測，分為板卡自檢及示波器通道切換自檢。板卡自檢實現(xiàn)CPU模擬板及接口分組件模擬板的自檢，示波器通道切換自檢則完成示波器通道切換裝置的正確性檢測。
芯片擦除測試是對作為程序存儲器的E2PROM按規(guī)定步驟進行擦除操作，并測試擦除的正確性。芯片寫入測試是將制定應用程序?qū)懭胱鳛槌绦虼鎯ζ鞯腅2PROM中，并進行校驗，以確定寫入的正確性。RAM測試是指對RAM進行存儲訪問的功能性測試。E2PROM測試是指對E2PROM進行存儲訪問的功能性測試。數(shù)據(jù)通路測試是測試產(chǎn)品96芯接插件至兩個37接插件信號的連通性。示波器觀察測試是將需要觀察的信號引至示波器，并觀察、記錄和分析信號特性是否滿足要求。中斷信號測試是由接口分組件模擬板產(chǎn)生一個中斷請求信號，通過96芯XF信號連接至CPU模擬板，以測試中斷響應的正確性。自動測試是一鍵完成用戶規(guī)定的所有測試項目。
所有測試項完成后生成數(shù)據(jù)報表，方便用戶觀察測試結(jié)果。
4.2 驅(qū)動程序設計
開發(fā)PCI設備驅(qū)動程序，就是取得PCI板卡所占用的各種資源(內(nèi)存、端口、中斷和直接存儲器存取(DMA)等)，并提供給應用程序一條訪問這些資源的途徑。這里采用WDM模式進行驅(qū)動程序的開發(fā)。在驅(qū)動程序的設計過程中主要解決三個方面的問題：硬件訪問、中斷處理、驅(qū)動程序與應用程序之間的通信。
4.3 測試設備總流程
飛控計算機測試，分為靜態(tài)測試及動態(tài)測試兩個過程。測試設備總流程如圖4所示。先進行靜態(tài)測試，然后進行動態(tài)測試。只有兩種測試的結(jié)果都正確時，才能判定飛控計算機的正確性。
靜態(tài)測試具體方法是由測試設備中的CPU模擬板模擬CPU的工作時序，利用靜態(tài)檢測軟件，在產(chǎn)品板上CPU(TMS320C25)非工作狀態(tài)下，對產(chǎn)品的硬件資源(除CPU外)進行邏輯功能的檢測。靜態(tài)測試主要測試除CPU以外的板上資源邏輯實現(xiàn)的正確性，主要包括程序存儲器測試、數(shù)據(jù)存儲器測試、內(nèi)部控制邏輯測試、調(diào)試接口及接口分組件接口連通性測試。
動態(tài)測試具體方法是由產(chǎn)品上的CPU運行專用的動態(tài)測試程序，對產(chǎn)品全系統(tǒng)進行實時工作條件下全面、細致的自我檢測。動態(tài)測試檢測的內(nèi)容包括CPU、EPROM、SRAM、接口分組件接口等。在系統(tǒng)完成檢測后，通過讀取相應單元的測試代碼，可對檢測結(jié)果進行準確的判讀，并對產(chǎn)品存在問題進行故障定位。
5 實驗應用
設備軟硬件系統(tǒng)設計完成之后，即可進行連接產(chǎn)品調(diào)試。調(diào)試過程為：首先運行測試軟件[7]，給目標設備上電，然后通過點擊主程序界面的相應模塊測試按鈕進行相應的測試。程序面板的部分界面如圖5所示。
6 結(jié)論
該測試系統(tǒng)采用裝有PCI接口卡的工控計算機為硬件平臺，軟件設計采用分層設計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。該測試系統(tǒng)已被某研究所投入使用，實際應用表明，經(jīng)過測試的飛控計算機系統(tǒng)(針對某無人機測試)其主要技術(shù)參數(shù)有一定的提升，如下所示：
①姿態(tài)(俯仰、橫滾)保持精度：±2度;
②航向保持精度：±3度;
③氣壓高度保持精度：±40米(飛行高度>300米);
④懸停無線電高度保持精度：±3米;
⑤空速保持精度：±10千米/小時;
⑥自動導航精度：圓概率誤差(CEP)50 米;
⑦發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制精度：±1%。
該測試系統(tǒng)采用流行、實用、可靠的軟硬件測試技術(shù)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。從硬件設計上實現(xiàn)了模塊化、系列化、通用化，以滿足已知的測試分析需求、并兼顧未知測試分析需求的實現(xiàn)，結(jié)果準確、穩(wěn)定可靠、易于操作，達到了設計要求。
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