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飛控計(jì)算機(jī)測試設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
為了對飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行全面準(zhǔn)確測試，本文提出了一種飛控計(jì)算機(jī)測試設(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)生測試系統(tǒng)需要的信號。軟件部分以Windows XP為開發(fā)平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)C++為開發(fā)語言，最終能夠合理調(diào)度硬件完成測試任務(wù)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，該測試設(shè)備性能穩(wěn)定，操作簡單，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)、系統(tǒng)調(diào)度、故障檢測、空置率重構(gòu)等關(guān)鍵特殊的任務(wù)[1]，因此對其各項(xiàng)功能測試有著極其重要的意義。測試設(shè)備能對飛控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可用性、穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行完備測試。
飛控計(jì)算機(jī)應(yīng)用具有對軟硬件可靠性要求高、信號種類繁多等特點(diǎn)，而且對實(shí)時(shí)性要求高，導(dǎo)致其測試流程非常復(fù)雜。傳統(tǒng)的飛控測試設(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)行精確測試。
1 測試設(shè)備需求分析
測試設(shè)備硬件部分應(yīng)滿足：能夠模擬并接管被測設(shè)備的CPU、模擬產(chǎn)生TMS320C25 CPU總線信號;為了對被測飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)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(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)
該測試設(shè)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品測試。測控單元包括以下部分：
�、俟た貦C(jī)：整個(gè)測試設(shè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)測試，并生成數(shù)據(jù)報(bào)表。
②數(shù)字測試模塊：用于產(chǎn)生飛控計(jì)算機(jī)的控制信號，同時(shí)具有I/O端口，用于模擬產(chǎn)生TMS320C25總線信號，并測試飛控計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的相應(yīng)信號。
�、艹炭仉娫矗河煽刂瞥绦蚩刂戚敵觯峁┍粶y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，適配器用來實(shí)現(xiàn)測控單元與飛控計(jì)算機(jī)之間的信號調(diào)理及轉(zhuǎn)接。通用示波器用于測試飛控計(jì)算機(jī)接口信號的波形。
3 測試設(shè)備硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)測試設(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)品測試軟件。CPU模擬板作為工控機(jī)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(jì)算機(jī)板上的各種資源進(jìn)行訪問測試。接口分組件模擬板同樣是工控機(jī)中的PCI總線接口板[5]，用來模擬接口分組件資源，如存儲(chǔ)器單元、I/O資源等，以便對被測飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通路測試。示波器用于在動(dòng)態(tài)測試中對規(guī)定的接口定時(shí)時(shí)序信號及接口控制信號進(jìn)行測量，測量的結(jié)果通過USB接口送至工控機(jī)進(jìn)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(jī)，加電、斷電在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)，電源本身具有過壓保護(hù)功能，但無過流保護(hù)功能，其過流保護(hù)功能由過流保護(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)行測量的多個(gè)信號進(jìn)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(gè)輸入通道。過流保護(hù)裝置用于對產(chǎn)品供電電源進(jìn)行過流保護(hù)，當(dāng)供電電流超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)，切斷電源供電，并發(fā)出過流保護(hù)中斷請求信號至工控機(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)測試設(shè)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(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。
芯片擦除測試是對作為程序存儲(chǔ)器的E2PROM按規(guī)定步驟進(jìn)行擦除操作，并測試擦除的正確性。芯片寫入測試是將制定應(yīng)用程序?qū)懭胱鳛槌绦虼鎯?chǔ)器的E2PROM中，并進(jìn)行校驗(yàn)，以確定寫入的正確性。RAM測試是指對RAM進(jìn)行存儲(chǔ)訪問的功能性測試。E2PROM測試是指對E2PROM進(jìn)行存儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(yīng)的正確性。自動(dòng)測試是一鍵完成用戶規(guī)定的所有測試項(xiàng)目。
所有測試項(xiàng)完成后生成數(shù)據(jù)報(bào)表，方便用戶觀察測試結(jié)果。
4.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
開發(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)程序的開發(fā)。在驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)過程中主要解決三個(gè)方面的問題：硬件訪問、中斷處理、驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的通信。
4.3 測試設(shè)備總流程
飛控計(jì)算機(jī)測試，分為靜態(tài)測試及動(dòng)態(tài)測試兩個(gè)過程。測試設(shè)備總流程如圖4所示。先進(jìn)行靜態(tài)測試，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試。只有兩種測試的結(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)測試具體方法是由測試設(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(jìn)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(shí)現(xiàn)的正確性，主要包括程序存儲(chǔ)器測試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)測試具體方法是由產(chǎn)品上的CPU運(yùn)行專用的動(dòng)態(tài)測試程序，對產(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。動(dòng)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(yīng)單元的測試代碼，可對檢測結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的判讀，并對產(chǎn)品存在問題進(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)試過程為：首先運(yùn)行測試軟件[7]，給目標(biāo)設(shè)備上電，然后通過點(diǎn)擊主程序界面的相應(yīng)模塊測試按鈕進(jìn)行相應(yīng)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(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)過測試的飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(針對某無人機(jī)測試)其主要技術(shù)參數(shù)有一定的提升，如下所示：
�、僮藨B(tài)(俯仰、橫滾)保持精度：±2度;
�、诤较虮３志龋骸�3度;
③氣壓高度保持精度：±40米(飛行高度>300米);
�、軕彝o線電高度保持精度：±3米;
�、菘账俦３志龋骸�10千米/小時(shí);
⑥自動(dòng)導(dǎo)航精度：圓概率誤差(CEP)50 米;
�、甙l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度：±1%。
該測試系統(tǒng)采用流行、實(shí)用、可靠的軟硬件測試技術(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，以滿足已知的測試分析需求、并兼顧未知測試分析需求的實(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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