飛控計(jì)算機(jī)測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
為了對(duì)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行全面準(zhǔn)確測(cè)試，本文提出了一種飛控計(jì)算機(jī)測(cè)試設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)方案。硬件部分主要是設(shè)計(jì)工控機(jī)中的兩塊板卡，產(chǎn)生測(cè)試系統(tǒng)需要的信號(hào)。軟件部分以Windows XP為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)C++為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，最終能夠合理調(diào)度硬件完成測(cè)試任務(wù)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，該測(cè)試設(shè)備性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)用性和推廣價(jià)值。
0 引言
隨著航空技術(shù)、控制理論、容錯(cuò)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(gè)方面。飛控計(jì)算機(jī)是整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的核心，主要完成控制率計(jì)算、余度管理、BIT(機(jī)內(nèi)自檢測(cè))、系統(tǒng)調(diào)度、故障檢測(cè)、空置率重構(gòu)等關(guān)鍵特殊的任務(wù)[1]，因此對(duì)其各項(xiàng)功能測(cè)試有著極其重要的意義。測(cè)試設(shè)備能對(duì)飛控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可用性、穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行完備測(cè)試。
飛控計(jì)算機(jī)應(yīng)用具有對(duì)軟硬件可靠性要求高、信號(hào)種類(lèi)繁多等特點(diǎn)，而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，導(dǎo)致其測(cè)試流程非常復(fù)雜。傳統(tǒng)的飛控測(cè)試設(shè)備大多體積龐大，實(shí)現(xiàn)成本高，軟件可移植性低[2]。本論文以某飛控計(jì)算機(jī)的測(cè)試需求為基礎(chǔ)，研究并實(shí)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(cè)試設(shè)備。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)備穩(wěn)定性高，維護(hù)方便，能夠?qū)︼w控計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確測(cè)試。
1 測(cè)試設(shè)備需求分析
測(cè)試設(shè)備硬件部分應(yīng)滿足：能夠模擬并接管被測(cè)設(shè)備的CPU、模擬產(chǎn)生TMS320C25 CPU總線信號(hào);為了對(duì)被測(cè)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通路測(cè)試，板卡要求能模擬被測(cè)產(chǎn)品的接口分組件資源。
對(duì)于軟件部分，要開(kāi)發(fā)自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。應(yīng)用程序要易于操作和修改。此外，測(cè)試設(shè)備要能夠進(jìn)行自檢，確保設(shè)備工作正常。
2 總體設(shè)計(jì)
該測(cè)試設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。測(cè)控單元為產(chǎn)品提供電源信號(hào)、控制信號(hào)、產(chǎn)生各種數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)試。測(cè)控單元包括以下部分：
①工控機(jī)：整個(gè)測(cè)試設(shè)備的控制管理中心，通過(guò)其測(cè)試軟件能合理調(diào)度硬件對(duì)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試，并生成數(shù)據(jù)報(bào)表。
②數(shù)字測(cè)試模塊：用于產(chǎn)生飛控計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，同時(shí)具有I/O端口，用于模擬產(chǎn)生TMS320C25總線信號(hào)，并測(cè)試飛控計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)。
③I/O模塊：用于模擬產(chǎn)生TMS320C25總線控制信號(hào)，并測(cè)試飛控計(jì)算機(jī)的相應(yīng)信號(hào)。
④程控電源：由控制程序控制輸出，提供被測(cè)件的工作電壓。
⑤通訊模塊：實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與程控電源及示波器之間的通訊。
此外，適配器用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)控單元與飛控計(jì)算機(jī)之間的信號(hào)調(diào)理及轉(zhuǎn)接。通用示波器用于測(cè)試飛控計(jì)算機(jī)接口信號(hào)的波形。
3 測(cè)試設(shè)備硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)測(cè)試設(shè)備的硬件系統(tǒng)由工控機(jī)及工控機(jī)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(guò)流保護(hù)裝置及各個(gè)自檢裝置組成[4] ，如圖2所示。
工控機(jī)作為系統(tǒng)的平臺(tái)，安裝和控制各板卡，運(yùn)行各種自檢和產(chǎn)品測(cè)試軟件。CPU模擬板作為工控機(jī)中的PCI總線接口板[3]，通過(guò)向被測(cè)產(chǎn)品發(fā)送“hold”信號(hào)，將被測(cè)產(chǎn)品中的CPU置于“hold”狀態(tài)，并模擬產(chǎn)生TMS320C25 CPU總線信號(hào)，代替產(chǎn)品中的CPU對(duì)被測(cè)飛控計(jì)算機(jī)板上的各種資源進(jìn)行訪問(wèn)測(cè)試。接口分組件模擬板同樣是工控機(jī)中的PCI總線接口板[5]，用來(lái)模擬接口分組件資源，如存儲(chǔ)器單元、I/O資源等，以便對(duì)被測(cè)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通路測(cè)試。示波器用于在動(dòng)態(tài)測(cè)試中對(duì)規(guī)定的接口定時(shí)時(shí)序信號(hào)及接口控制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果通過(guò)USB接口送至工控機(jī)進(jìn)行顯示和判定。
程控電源為被測(cè)產(chǎn)品提供供電，程控電源通過(guò)RS-232接口連至工控機(jī)，加電、斷電在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)，電源本身具有過(guò)壓保護(hù)功能，但無(wú)過(guò)流保護(hù)功能，其過(guò)流保護(hù)功能由過(guò)流保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。設(shè)備自用電源為機(jī)柜中除被測(cè)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(jìn)行測(cè)量的多個(gè)信號(hào)進(jìn)行程控多路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為兩路信號(hào)連接至示波器的兩個(gè)輸入通道。過(guò)流保護(hù)裝置用于對(duì)產(chǎn)品供電電源進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，當(dāng)供電電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定值時(shí)，切斷電源供電，并發(fā)出過(guò)流保護(hù)中斷請(qǐng)求信號(hào)至工控機(jī)。
CPU模擬板及接口分組件模擬板自檢裝置代替被測(cè)飛控計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(hào)連接至示波器通道切換裝置。設(shè)備自用電源為示波器通道切換裝置、過(guò)流保護(hù)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(cè)試設(shè)備軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的思想，最底層為驅(qū)動(dòng)軟件，即板卡的驅(qū)動(dòng)程序，上層為設(shè)備的應(yīng)用層軟件。
4.1 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)
應(yīng)用層軟件的組成如圖3所示。
自檢程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)試設(shè)備自身正確性檢測(cè)，分為板卡自檢及示波器通道切換自檢。板卡自檢實(shí)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(cè)。
芯片擦除測(cè)試是對(duì)作為程序存儲(chǔ)器的E2PROM按規(guī)定步驟進(jìn)行擦除操作，并測(cè)試擦除的正確性。芯片寫(xiě)入測(cè)試是將制定應(yīng)用程序?qū)懭胱鳛槌绦虼鎯?chǔ)器的E2PROM中，并進(jìn)行校驗(yàn)，以確定寫(xiě)入的正確性。RAM測(cè)試是指對(duì)RAM進(jìn)行存儲(chǔ)訪問(wèn)的功能性測(cè)試。E2PROM測(cè)試是指對(duì)E2PROM進(jìn)行存儲(chǔ)訪問(wèn)的功能性測(cè)試。數(shù)據(jù)通路測(cè)試是測(cè)試產(chǎn)品96芯接插件至兩個(gè)37接插件信號(hào)的連通性。示波器觀察測(cè)試是將需要觀察的信號(hào)引至示波器，并觀察、記錄和分析信號(hào)特性是否滿足要求。中斷信號(hào)測(cè)試是由接口分組件模擬板產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，通過(guò)96芯XF信號(hào)連接至CPU模擬板，以測(cè)試中斷響應(yīng)的正確性。自動(dòng)測(cè)試是一鍵完成用戶(hù)規(guī)定的所有測(cè)試項(xiàng)目。
所有測(cè)試項(xiàng)完成后生成數(shù)據(jù)報(bào)表，方便用戶(hù)觀察測(cè)試結(jié)果。
4.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器存取(DMA)等)，并提供給應(yīng)用程序一條訪問(wèn)這些資源的途徑。這里采用WDM模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。在驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要解決三個(gè)方面的問(wèn)題：硬件訪問(wèn)、中斷處理、驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的通信。
4.3 測(cè)試設(shè)備總流程
飛控計(jì)算機(jī)測(cè)試，分為靜態(tài)測(cè)試及動(dòng)態(tài)測(cè)試兩個(gè)過(guò)程。測(cè)試設(shè)備總流程如圖4所示。先進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。只有兩種測(cè)試的結(jié)果都正確時(shí)，才能判定飛控計(jì)算機(jī)的正確性。
靜態(tài)測(cè)試具體方法是由測(cè)試設(shè)備中的CPU模擬板模擬CPU的工作時(shí)序，利用靜態(tài)檢測(cè)軟件，在產(chǎn)品板上CPU(TMS320C25)非工作狀態(tài)下，對(duì)產(chǎn)品的硬件資源(除CPU外)進(jìn)行邏輯功能的檢測(cè)。靜態(tài)測(cè)試主要測(cè)試除CPU以外的板上資源邏輯實(shí)現(xiàn)的正確性，主要包括程序存儲(chǔ)器測(cè)試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器測(cè)試、內(nèi)部控制邏輯測(cè)試、調(diào)試接口及接口分組件接口連通性測(cè)試。
動(dòng)態(tài)測(cè)試具體方法是由產(chǎn)品上的CPU運(yùn)行專(zhuān)用的動(dòng)態(tài)測(cè)試程序，對(duì)產(chǎn)品全系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)工作條件下全面、細(xì)致的自我檢測(cè)。動(dòng)態(tài)測(cè)試檢測(cè)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(cè)后，通過(guò)讀取相應(yīng)單元的測(cè)試代碼，可對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的判讀，并對(duì)產(chǎn)品存在問(wèn)題進(jìn)行故障定位。
5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
設(shè)備軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，即可進(jìn)行連接產(chǎn)品調(diào)試。調(diào)試過(guò)程為：首先運(yùn)行測(cè)試軟件[7]，給目標(biāo)設(shè)備上電，然后通過(guò)點(diǎn)擊主程序界面的相應(yīng)模塊測(cè)試按鈕進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。程序面板的部分界面如圖5所示。
6 結(jié)論
該測(cè)試系統(tǒng)采用裝有PCI接口卡的工控計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。該測(cè)試系統(tǒng)已被某研究所投入使用，實(shí)際應(yīng)用表明，經(jīng)過(guò)測(cè)試的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(針對(duì)某無(wú)人機(jī)測(cè)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(wú)線電高度保持精度：±3米;
⑤空速保持精度：±10千米/小時(shí);
⑥自動(dòng)導(dǎo)航精度：圓概率誤差(CEP)50 米;
⑦發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度：±1%。
該測(cè)試系統(tǒng)采用流行、實(shí)用、可靠的軟硬件測(cè)試技術(shù)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。從硬件設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化、通用化，以滿足已知的測(cè)試分析需求、并兼顧未知測(cè)試分析需求的實(shí)現(xiàn)，結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、易于操作，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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