CN104215847A - 机载电气设备力学环境下在线测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型机载电气设备力学环境下在线测试系统，具体来说，是一种能够检测机载电气设备在力学环境中潜在的可逆性失效的在线测试方法,其包括主控计算机、光纤通讯模块、开关网络模块、数据采集模块、信号调理模块、测试接口模块和测试供电模块；对被测对象可逆性失效的检测，满足新的机载电气设备力学环境下的测试要求；可覆盖多种型号的被测机载电气设备，具有高通用性和标准化程度；测试全程自动化大幅度降低了测试工作量，极大提高了测试效率。其是一款稳定性高、通用性强、可拓展性强、功能丰富、操作便捷、测试精度高、测试结果稳定可靠、性价比高的新型在线测试系统。

Description

机载电气设备力学环境下在线测试系统

技术领域

本发明涉及一种新型机载电气设备力学环境下在线测试系统，具体来说，是一种能够检测机载电气设备在力学环境中潜在的可逆性失效的在线测试方法。

背景技术

机载电气设备是飞机电子、电气仪表系统、武器火控系统、自动化系统及机械系统的供电及线路转换的执行组件。随着飞机动力系统功能的提高，其力学环境严酷性加大，对电气成品的力学环境的适应性考核更加严格。在《机载电器盒例行试验技术要求》中明确提出，力学环境功能试验中电气成品要处于工作状态，不允许输出信号有间断等可逆性失效。

目前国内的机载电气设备力学环境下的测试方法多为静态测试，仅属于功能测试范畴，无法检测出被测对象在测试全程过程中的可逆性失效，即被测设备元件在测试过程中可能出现的能够自行恢复的瞬态故障。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是要提出一种机载电气设备力学环境下在线测试系统，其以仪器仪表技术、计算机技术和自动化测试技术为基础，采用积木式结构和PXI总线通信协议，根据机载电器设备力学环境下测试方法和规范，研制出的能够检测机载设备潜在可逆性失效的，高度开放性、自动化和实用性的系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为一种机载电气设备力学环境下在线测试系统，其包括主控计算机、光纤通讯模块、开关网络模块、数据采集模块、信号调理模块、测试接口模块和测试供电模块；所述光纤通讯模块、开关网络模块及数据采集模块位于PXI机箱中，信号调理模块、测试接口模块及测试供电模块位于测试箱中；主控计算机通过光纤通讯模块将控制信号传输到开关网络模块及数据采集模块构建相应的激励通道与采集通道，激励信号依次通过开关网络模块及测试接口模块被施加到被测对象，被测对象的响应信号经过测试接口模块进入信号调理模块，调理后的响应信号被数据采集模块转换生成的数据资源经过光纤通讯模块传输到主控计算机进行处理；测试供电模块提供系统激励信号及信号调理模块需要的电源。

所述的主控计算机为工业环境下采用的工控机，其内运行有测试软件，所述主控计算机通过光纤通讯模块控制PXI机箱中的测试资源，发送控制命令和接收采集数据，并将采集到的资源进行分发、处理与故障诊断，所述主控计算机设有人机界面，其为整个测试系统的核心。

所述的光纤通讯模块为具有PXI总线-PCI总线桥路的光纤通讯组件，其实现PXI机箱中的各种仪器资源与主控计算机之间的高速数据传送，实现主控计算机对PXI机箱内的PXI总线仪器资源的远程访问与控制。

所述的开关网络模块为具有高集成度的PXI矩阵开关卡，其集成了高密度的固态继电器矩阵，通过控制矩阵中继电器节点的通断，实现测试通道的组织与切换，进而实现单台测试系统对多种型号被测对象的测试。

所述的数据采集模块包含具有模拟量输入输出、数字量输入输出的多功能DAQ板卡；DAQ板卡中的数字量输出信号控制信号调理模块中调理电路的启用与关闭；DAQ板卡中的模拟量采集中的AD转换器将被测对象产生的响应信号转换成大量数据，经采集后由PXI-PCI光纤桥路传输至主控计算机中进行处理与诊断。

所述的信号调理模块为信号调理电路，其将被测对象产生的响应信号转换为数据采集模块可以正确识别的有效信号，同时实现数据采集模块与被测对象之间的光电隔离。

所述的测试接口模块为电连接器以及接线端子板卡，其连接被测对象与测试系统。

所述的测试供电模块由集成电源模组组成，为被测对象提供测试激励以及为信号调理模块供电。

所述系统还包括光纤旋转连接器，所述光纤旋转连接器是利用解旋转棱镜原理解决相对的旋转部件间光信号的传输问题，保证光信号的传输不因为旋转而中断，其作用是在离心机力学环境下连接离心机外的工控机与离心机上的测试设备，完成主控计算机与PXI总线仪器的数据通信。同时旋转连接器中还包含电源通道，为离心机上的设备供电。

一种所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下主要步骤：

1)系统的初始化与自检；

2)测试配置：根据测试任务和被测对象的不同，进行测试方式、测试时长等设置，并加载被测对象描述文件；

3)开展静态测试，解析加载的被测对象描述文件，对系统测试资源进行调度与分配后，对被测对象进行短时功能测试；

4)开展动态测试，解析加载的被测对象描述文件，对系统测试资源进行调度与分配后，对被测设备进行长时在线测试；

5)数据采集处理和分析，显示测试过程中，被测对象多个通道上的动态电压波形，实时进行故障诊断并显示诊断结果，智能过滤并存储采集数据；

6)测试报表生成：在测试结束后，可利用保存的测试数据和结果数据，生成直观的测试报表，内容涵盖该次测试任务的概要描述、被测对象各通道的测试结果、诊断结果、测试全程的电压曲线、被测对象所有通道的测试结果一览表，以及对被测对象的测试结论；

7)事后数据回放：测试结束后，数据将被存储至硬盘，一方面可以用于生成测试报表，另一方面，也可用于事后的数据回放，供事后分析用。数据回放时，操作人员可用不同回放速度观察全部数据曲线和当前回放时刻瞬态值。

本发明实现了对被测对象可逆性失效的检测，满足新的机载电气设备力学环境下的测试要求；可覆盖多种型号的被测机载电气设备，具有高通用性和标准化程度；测试全程自动化大幅度降低了测试工作量，极大提高了测试效率。其是一款稳定性高、通用性强、可拓展性强、功能丰富、操作便捷、测试精度高、测试结果稳定可靠、性价比高的新型在线测试系统。

附图说明

图1在线测试系统模块化示意图；

图2在线测试系统整体架构示意图；

图3通道切换开关网络示意图；

图4离心机力学环境中光纤通讯结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述。

一种新型机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于，所述系统主要组成部分包括主控计算机、光纤通讯模块、开关网络模块、数据采集模块、信号调理模块、测试接口模块和测试供电模块。

主控计算机采用工控机，测试软件运行于其中，是测试系统的调度中心、控制中心，也是整个系统的核心。其采用高速多核CPU作为处理器，提高测试软件的多线程处理效率；采用大内存及高速固态硬盘，提高数据处理与存储速度；内置的板载PCI总线插槽用于安插PXI-PCI光纤通讯卡。

光纤通讯模块包含一块PXI通讯卡、一块PCI通讯卡以及光纤一根，其中，PCI通讯卡安插在工控机的主板PCI插槽中，PXI通讯卡安插于数据采集机箱中，构建起工控机与数据采集模块以及开关网络模块之间的高速大容量通讯桥梁；

开关网络模块由开关系统及接线板构成，主控计算机通过光纤通讯模块控制矩阵中继电器节点的通断，这样，虽硬件连线固定，仍可实现开关网络中测试通道的组织与切换，进而实现单台测试系统对多种型号的被测对象的测试。具体而言，开关网络中的激励通道与采集通道是通过工控机控制命令实现的分时复用结构，如图3所示，当作为激励通道时，工控机控制开关网络将激励源与相关列接通，测试供电模块提供的27V电压经由此通路加载至被测对象，此时采集通道虽也硬连接至此位置，但输入阻抗很大，可以忽略其影响，且测试软件不对该采集通道进行采集；当作为采集通道时，矩阵开关卡将激励源与相关列断开，此列对应的测试通道即作为采集通道完成信号采集。本实施方式中，开关网络模块采用美国NI公司的高密度固态继电器构成的矩阵开关卡PXI-2533。

数据采集模块包含多功能DAQ设备，通过模拟电压采集端口对所有测试通道的模拟电压进行高速采集，采集到的数据由测试软件通过PXI总线读取至工控计算机；同时，还接收工控计算机的控制指令，通过数字量输出端口控制信号调理板中的特殊调理电路的启用与关闭，这是针对被测对象中的带有电流敏感元件通道而加入的。多功能DAQ设备采用美国NI公司的PXI-6255多功能采集卡，其模拟量采集通道达到80路，每通道采集速率可达15kS/s.在测试中，通过工控计算机发出指令，多功能DAQ设备接收指令开始高速采集各通道的电压信号并输出特殊调理控制信号，把采集的信号数据顺序传输至工控计算机。

信号调理模块连接在数据采集模块与被测对象之间。调理电路中的信号匹配部分将被测对象产生的信号电压转换成DAQ设备可以采集的合适电压，电路整体转换精度0.5％。调理电路中的信号隔离模块采用高线性度的模拟光电耦合器HCNR201，降低了信号在传输过程中会遇到各种各样的干扰，保证调理精度。调理电路中的信号滤波模块降低了系统的高频噪声干扰，保证信号稳定。调理模块的供电由测试供电模块提供。

测试接口模块有两个55针航空插头和自制的接线端子板组成，完成被测对象各通道至测试系统中的数据采集模块和开关网络模块的硬件连线。

测试供电模块包括四块集成电源模组，分别是航空专用27V稳压电源模组和、32V稳压电源模组、12V稳压电源模组和15V稳压电源模组。其中，27V稳压电源为被测对象提供激励源，其余三块模组为信号调理模块中的精密运放供电。集成电源模组焊接在一块集成电路板上，便于安装和连线。

光纤旋转连接器用于离心机力学环境下连接离心机外的工控计算机与离心机上的PXI测试设备。如图4所示，PXI测试设备跟随被测机载电气设备在离心机上旋转运动，多功能DAQ设备采集的数据经过光纤通信卡、光纤旋转连接器传输至工控计算机。随着被测电气设备元件的复杂性、多样性的增加，传统的电旋转连接器在接入容量、信号传输稳定性等方便已经很难满足新的信号传递需求，光纤旋转连接器符合目前高速大数据传输的趋势，应用光纤旋转连接器取代电旋转连接器可充分满足测试系统在离心机环境下的光纤转接需求。

同时本发明也公开了一种机载电气设备力学环境下在线测试系统的测试方法，该测试方法基于硬件系统的高度可配置性，根据被测对象和测试任务的不同，通过运行于工控机中的测试软件，可完成系统的初始化与自检。测试时，经系统中的光纤通讯模块控制开关网络进行测试通道的激励切换，同时在多功能DAQ中分配匹配的采集通道对电气盒上的响应通道进行数据采集，在需要进行特殊调理的通道上，通过采集模块的数字量输出闭合特殊调理电路；采集到的数据经由光纤通讯模块传输至工控机内存缓冲队列中，经数据处理和分析模块对采集到的数据进行故障分析、故障定位、数据存储和分发至界面显示；测试作业完成后，可利用存储在硬盘的数据输出测试结果报表，还可以通过数据回放功能对已有测试数据进行回放显示，供进一步分析。该方法的步骤为：

1)系统初始化与自检：系统启动后，首先对各个模块进行初始化，包括加载默认电气盒配置、复位数据采集模块(清除采集任务)、复位开关网络(断开所有继电器节点)、清空内部各个缓存以及初始化界面资源，此过程如出现异常，系统将在界面的系统消息框中显示异常状态与原因；若无异常，则进入待命状态。用户可根据需要进行系统的功能完好性自检，自检有两种形式，一种为快速自检，仅仅检查系统中各个核心硬件的完整性，主要是数据采集模块硬件和开关网络模块硬件；另一种为完整自检，启动该自检方式后，系统将加载自检配置文件，根据图3通道切换网络示意图所示，控制开关网络(即PXI矩阵开关卡)接通所有复用信号通道至激励源(测试供电模块提供)，同时在数据采集模块中开启对所有通道的数据采集，直观的，此时采集通道是直接采集激励源(为恒定值)，并将采集结果与预设值比较，若与预设值相差在允许范围内，则认为系统各个模块均工作正常，否则，系统工作不正常，完整自检结果将持续10秒，结束后，自检结果将显示在界面上。

2)测试配置：在本系统中，根据不同的测试任务和被测对象，系统将对硬件资源进行不同的分配，所以在开展测试前，需要进行测试配置。测试配置涉及内容包括：填写关于本次测试的任务信息，如测试人员和概要描述等；设定动态测试的定时测试时长；以及给定本次测试被测对象的描述文件供系统分配测试资源用。配置后，系统将加载给定的被测对象配置文件，缓存任务信息等配置数据。

3)开展静态测试：静态测试是指对被测设备进行功能测试，即完成一次激励施加和通道电压数据采集过程，属短时瞬态测试。开展静态测试时，系统将根据被测对象配置文件，通过控制开关网络、多功能DAQ卡来配置形成相应的激励通道与采集通道，即在被测对象的激励输入通道上施加激励，并采集响应通道上的数据。测试时，系统根据配置文件给予用户操作提示，测试将根据被测对象内的回路数量，分步进行，操作人员可选择跳过某步。操作人员根据系统给出的操作提示完成被测对象上可操作元件(如开关)的操作后，系统通过对比采集到的信号与被测对象处于当前状态下的理论响应值进行对比，以此判断该回路的工作情况，如果判断结果为正确的则输出合格结果，如果判断结果为错误，则输出不合格结果，同时根据系统设定的诊断分析原则进行故障分析与故障定位，给出具体是回路中的哪些元件或线路导致的故障。所有步数完成后，系统将对各步测试结果进行统一统计，在界面上给出静态测试的最终结果。操作人员可通过报表生成得到本次静态测试的测试报表，其中有更为详细的测试数据和表格；

4)开展动态测试：动态测试是长时间在线测试，重点测试电气盒在力学环境下(震动环境和离心环境)的可逆性失效等动态性能。类似于静态测试，开展动态测试时，系统解析配置文件，控制开关网络中的相应固态继电器节点接通，此时所有相关的激励信号通过激励通道被施加到被测对象相应的元器件上，同时用户根据系统提示将被测设备各元件状态切换至指定状态，确认后，系统开始执行定时动态在线监测。监测过程中，系统将各通道采集的响应电压信号绘制成曲线显示在界面上，同时记录各通道的响应数据、判断响应信号的正确性。如果响应信号超出了设定的故障诊断阈值，则认为此信号通道对应的元件出现了故障，此时界面中的虚拟故障指示灯由绿色变为红色，同时信息提示区域中显示故障的具体信息。系统继续显示响应曲线，记录故障信息，如果此故障在监测过程中自行恢复，则认为是可逆性失效；如果故障没有恢复，则判定为永久性失效。在定时监测结束后系统给出动态测试结果，输出故障通道的故障波形及数据，给出必要的失效模式分析及定位等故障信息。

5)数据采集处理和分析：在静态测试和动态测试过程中，数据采集模块采集以10KHz频率采集响应通道上的数据并实时传输至主控计算机，计算机完成对采集数据进行处理、分析、显示及记录存储等工作。被测设备施加激励后形成的响应信号被数据采集模块的AD转换器转换成数字信号，经采集后形成大量数据上传到主控计算机，作为系统故障诊断算法的输入参数。故障诊断算法输入响应信号数据，开始进行对比分析、阈值分析等智能诊断，然后输出诊断结果。如果出现故障，系统启动故障机制，进行故障报警，包括故障指示灯显示、故障提示音及故障明细显示等，同时记录故障信息至硬盘，定位存储故障波形，提供故障波形回放等。在数据显示与记录过程中，若出现异常，及时进行存储与界面显示；若无异常，则为了节省硬盘空间与提高界面响应能力，每隔指定时间(如1秒)，系统将进行一次数据存储和界面显示。

6)报表生成：测试结束后，还可通过系统的报表生成功能对存储的测试数据进行报表生成与打印，供测试总结用。系统提供了内容精简版和完整版，精简版报表只包含各通道测试结果统计表格和结论性描述，完整版则在精简版的基础上补充提供各通道的测试结果描述和数据曲线图；报表格式则包含PDF与Word文档两种，满足用户不同需求。

7)数据回放：测试结束后，可通过数据回放将存储在硬盘上的测试数据重新加载至系统，进行数据的回放。回放形式包括曲线显示和即时数据显示，还提供多种回放速率选择，包括1倍速、2倍速、5倍速等。

Claims (9)

1.机载电气设备力学环境下在线测试系统，其包括主控计算机、光纤通讯模块、开关网络模块、数据采集模块、信号调理模块、测试接口模块和测试供电模块；所述光纤通讯模块、开关网络模块及数据采集模块位于PXI机箱中，信号调理模块、测试接口模块及测试供电模块位于测试箱中；主控计算机通过光纤通讯模块将控制信号传输到开关网络模块及数据采集模块构建相应的激励通道与采集通道，激励信号依次通过开关网络模块及测试接口模块被施加到被测对象，被测对象的响应信号经过测试接口模块进入信号调理模块，调理后的响应信号被数据采集模块转换生成的数据资源经过光纤通讯模块传输到主控计算机进行处理；测试供电模块提供系统激励信号及信号调理模块需要的电源。

2.根据权利要求1所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于：所述的主控计算机为工业环境下采用的工控机，其内运行有测试软件，所述主控计算机通过光纤通讯模块控制PXI机箱中的测试资源，发送控制命令和接收采集数据，并将采集到的资源进行分发、处理与故障诊断，所述主控计算机设有人机界面，其为整个测试系统的核心。

3.根据权利要求1所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于：所述的光纤通讯模块为具有PXI总线-PCI总线桥路的光纤通讯组件，其实现PXI机箱中的各种仪器资源与主控计算机之间的高速数据传送，实现主控计算机对PXI机箱内的PXI总线仪器资源的远程访问与控制。

4.根据权利要求1所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于：所述的开关网络模块为具有高集成度的PXI矩阵开关卡，其集成了高密度的固态继电器矩阵，通过控制矩阵中继电器节点的通断，实现测试通道的组织与切换，进而实现单台测试系统对多种型号被测对象的测试。

5.根据权利要求1所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于：所述的数据采集模块包含具有模拟量输入输出、数字量输入输出的多功能DAQ板卡；DAQ板卡中的数字量输出信号控制信号调理模块中调理电路的启用与关闭；DAQ板卡中的模拟量采集中的AD转换器将被测对象产生的响应信号转换成大量数据，经采集后由PXI-PCI光纤桥路传输至主控计算机中进行处理与诊断。

6.根据权利要求1所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于：所述的信号调理模块为信号调理电路，其将被测对象产生的响应信号转换为数据采集模块可以正确识别的有效信号，同时实现数据采集模块与被测对象之间的光电隔离。

7.根据权利要求1所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于：所述的测试接口模块为电连接器以及接线端子板卡，其连接被测对象与测试系统。

8.根据权利要求1所述的机载电气设备力学环境下在线测试系统，其特征在于：所述的测试供电模块由集成电源模组组成，为被测对象提供测试激励以及为信号调理模块供电。

9.一种机载电气设备力学环境下在线测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下主要步骤：

1)系统的初始化与自检；

2)测试配置：根据测试任务和被测对象的不同，进行测试方式、测试时长等设置，并加载被测对象描述文件；

3)开展静态测试，解析加载的被测对象描述文件，对系统测试资源进行调度与分配后，对被测对象进行短时功能测试；

4)开展动态测试，解析加载的被测对象描述文件，对系统测试资源进行调度与分配后，对被测设备进行长时在线测试；

5)数据采集处理和分析，显示测试过程中，被测对象多个通道上的动态电压波形，实时进行故障诊断并显示诊断结果，智能过滤并存储采集数据；

6)测试报表生成：在测试结束后，可利用保存的测试数据和结果数据，生成直观的测试报表，内容涵盖该次测试任务的概要描述、被测对象各通道的测试结果、诊断结果、测试全程的电压曲线、被测对象所有通道的测试结果一览表，以及对被测对象的测试结论；

7)事后数据回放：测试结束后，数据将被存储至硬盘，一方面可以用于生成测试报表，另一方面，也可用于事后的数据回放，供事后分析用；数据回放时，操作人员可用不同回放速度观察全部数据曲线和当前回放时刻瞬态值。