CN105913754B - 一种航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台 - Google Patents
一种航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台 Download PDFInfo
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Abstract
一种航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台。其主控设备、单机操作终端、以太局域网络和多个远程操作终端；单机操作终端为一个手持遥控器，通过红外无线信号实现与主控设备的连接；远程操作终端为一个计算机终端，通过以太局域网络实现与主控设备的连接。本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台可以为培训人员提供可靠的技术支持，有效地锻炼培训人员的操作熟练性，从而降低航空机载电子设备真实航材件的损耗率，降低实践教学设备成本。同时，为机务工程维修培训领域提供了一种新的技术方法，具有二次开发性强、可移植性高等特点。
Description
技术领域
本发明属于航空机载电子设备虚拟维修技术、虚拟现实技术、虚拟仿真技术、虚拟仪器技术、航空机务维修实践教学和培训领域，特别是涉及一种航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台。
背景技术
航空机载电子装置主要包括飞机通信系统、飞机导航系统、航空仪表系统、自动飞行控制系统，作用是为飞行员提供重要的飞行参数和信息，以确保航空飞机的安全性和可靠性。因此，航空机载电子设备的深度维修(主要涉及电子设备内部电路板的测试、排故和修理)，是使航空飞机达到可持续适航的必要保障。而对航空机载电子设备维修专业的机务人员、本专科学生和学员的实践教学和培训就显得尤为重要，同时，也为相关的实践教学和培训提出了新的挑战。
目前，航空机载电子设备深度维修的实践教学和培训方式都是以真实的航材件作为操作对象，实现航空机载电子设备内部电路板的测试、排故和修理。该实践教学和培训方式能够使学习者接触真实的深度维修环境，有效地提高其操作的规范性与熟练性。但是，由于真实的航材件价格昂贵、数量较少，学习者的重复性使用、不规范操作等客观因素，对该实践教学和培训方式带来了不可忽视的局限性。
随着计算机技术的不断成熟和虚拟仿真技术的快速发展，也为航空机载电子设备深度维修的实践教学和培训方式带来了一种全新的方法。新型的实践教学和培训方式是利用各种强大的虚拟仿真软件建立航空机载电子设备的虚拟仿真模型，通过人机交互界面，使学习者实现航空机载电子设备内部电路板的虚拟测试、虚拟排故和虚拟修理。该实践教学和培训方式不需要依靠真实的航材件，从而能大大降低实践教学和培训成本，减少真实航材件的损耗。但是，电路测试信号只局限于在计算机显示器界面的波形显示，且没有电路信号测量设备的操作和调节环节，不具备电路级深度维修的真实感。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台。
为了达到上述目的，本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台包括：主控设备、单机操作终端、以太局域网络和多个远程操作终端；单机操作终端为一个手持遥控器，通过红外无线信号实现与主控设备的连接；远程操作终端为一个计算机终端，通过以太局域网络实现与主控设备的连接。
所述的主控设备包括机箱、总电源开关、总电源急停开关、总电源暂停开关、工控机、以太网交换机、输入设备、显示器、控制器、多个测试端口、多个测试通道指示灯、数字示波器；其中总电源开关、总电源急停开关和总电源暂停开关安装在机箱前端上部；工控机安装在机箱的下部，为运行航空机载电子设备电路级虚拟维修教学程序的平台；以太网交换机设置在机箱的内部，利用以太局域网络实现远程操作终端和工控机之间的网络连接；输入设备供教学人员进行界面操作，显示器用于人机交互界面的显示；控制器由母板和六个电路板卡组成；其中母板具有六个拔插式卡槽、四个设备接口以及卡槽之间的信号交联和电源线路，其中六个电路板卡包括：电源转换电路板、红外线接收电路板、数据采集电路板、FPGA控制电路板、继电器矩阵电路板和继电器驱动电路板；电源转换电路板将220V/50Hz工作电源进行变压、整流，为其它五个电路板卡提供工作电源；红外线接收电路板用于接收和处理单机操作终端发送的红外控制信号，经编码生成八位二进制的输入控制信号，并发送至数据采集电路板；数据采集电路板具有一路八位数字信号输入、一路八位数字信号输出、两路模拟信号输出的功能，用于接收红外线接收电路板的输入控制信号，并发送至工控机；同时接收工控机生成的单机操作终端和远程操作终端的操作指令，生成八位二进制的输出控制信号，并发送至FPGA控制电路板；生成对应的电压信号，并发送至继电器矩阵电路板；FPGA控制电路板将数据采集电路板的输出控制信号进行解码，从而为继电器矩阵电路板提供控制信号；继电器矩阵电路板根据FPGA控制电路板的控制信号，实现相应继电器的通断，从而将数据采集电路板输出的电压信号发送至对应的测试端口，同时点亮对应的测试通道指示灯；继电器驱动电路板用于为继电器矩阵电路板中的继电器、测试通道指示灯中的指示灯提供驱动电源；测试端口和测试通道指示灯设置在机箱的中部；数字示波器安装在机箱的下部，通过外置的增益式探针与测试端口连接。
所述的母板上的四个设备接口包括：工控机接口、测试端口接口、测试通道指示灯接口和以太网接口，实现控制器与工控机、测试端口、测试通道指示灯和以太网交换机间的连接。
本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台可以为培训人员提供可靠的技术支持，有效地锻炼培训人员的操作熟练性，从而降低航空机载电子设备真实航材件的损耗率，降低实践教学设备成本。同时，为机务工程维修培训领域提供了一种新的技术方法，具有二次开发性强、可移植性高等特点。
附图说明
图1为本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台的总体结构立体图。
图2为本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台的设计框图。
图3为本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台主控设备的结构立体图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台进行详细说明。
如图1—图3所示，本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台包括：主控设备1、单机操作终端2、以太局域网络3和多个远程操作终端4。
所述的主控设备1包括机箱5、总电源开关6、总电源急停开关7、总电源暂停开关8、工控机9、以太网交换机10、输入设备11、显示器12、控制器13、多个测试端口14、多个测试通道指示灯15、数字示波器16。
所述的总电源开关6、总电源急停开关7和总电源暂停开关8安装在机箱5前端上部，其中总电源开关6是工作电源接通和断开的控制部件，用于为工控机9、以太网交换机10、输入设备11、显示器12和控制器13接通220V/50Hz工作电源，总电源暂停开关7是在临时情况下，需要短时间断开工作电源的控制部件，总电源急停开关8是在出现故障、市电不稳定以及其它紧急情况下，需要紧急断开工作电源的控制部件，以避免系统故障继续蔓延和供有关人员进行应急安全处理。所述的工控机9安装在机箱5的下部，为运行航空机载电子设备电路级虚拟维修教学程序的平台，使显示器12显示人机交互界面，使输入设备11实现界面操作；同时，接收单机操作终端2和远程操作终端4的控制信号，生成相应的操作指令，使控制器13执行相应的结果。所述的输入设备11供教学人员进行界面操作。所述的以太网交换机10设置在机箱5的内部，利用以太局域网络3实现远程操作终端4和工控机9之间的网络连接，传输远程操作终端4的控制信号。所述的显示器12用于人机交互界面的显示，该界面包括：航空机载电子设备电路板的选择窗口(包含飞机通信系统、飞机导航系统、航空仪表系统、自动飞行控制系统相关设备内部的电路板名称)、三维电路板模型的显示窗口(显示与所选电路板名称一致的三维模型)、电路板上测试点的选择窗口(与所述的测试端口14编号一致)、所述的数据采集电路板20模拟信号输出通道的选择窗口(选择单通道或两通道)、电路级虚拟维修模式的选择窗口(包含测试模式和修理模式。测试模式实现对所选三维电路板上测试点的电压信号测量，修理模式实现对所选三维电路板上元器件、线路等的替换)。
所述的控制器13由母板17和六个电路板卡组成；其中母板17具有六个拔插式卡槽、四个设备接口以及卡槽之间的信号交联和电源线路。所述的六个电路板卡包括：电源转换电路板18、红外线接收电路板19、数据采集电路板20、FPGA控制电路板21、继电器矩阵电路板22和继电器驱动电路板23。其中：
所述的电源转换电路板18将220V/50Hz工作电源进行变压、整流，为其它五个电路板卡提供工作电源：为红外线接收电路板19提供5V直流电源，为数据采集电路板20提供±10V直流电源，为FPGA控制电路板21提供3V直流电源，为继电器驱动电路板23提供24V直流电源。
所述的红外线接收电路板19用于接收和处理单机操作终端2发送的红外控制信号，经编码生成八位二进制的输入控制信号，并发送至数据采集电路板20。
所述的数据采集电路板20具有一路八位数字信号输入、一路八位数字信号输出、两路模拟信号输出的功能，用于接收红外线接收电路板19的输入控制信号，并发送至工控机9；同时接收工控机9生成的单机操作终端2和远程操作终端4的操作指令，生成八位二进制的输出控制信号，并发送至FPGA控制电路板21；生成对应的电压信号，并发送至继电器矩阵电路板22。
所述的FPGA控制电路板21将数据采集电路板23的输出控制信号进行解码，从而为继电器矩阵电路板20提供控制信号。
所述的继电器矩阵电路板22根据FPGA控制电路板21的控制信号，实现相应继电器的通断，从而将数据采集电路板20输出的电压信号发送至对应的测试端口14，同时点亮对应的测试通道指示灯15。
所述的继电器驱动电路板23用于为继电器矩阵电路板22中的继电器、测试通道指示灯15中的指示灯提供驱动电源。
所述的母板17上的四个设备接口包括：工控机接口、测试端口接口、测试通道指示灯接口和以太网接口，实现控制器13与工控机9、测试端口14、测试通道指示灯15和以太网交换机10间的连接。
所述的测试端口14和测试通道指示灯15设置在机箱5的中部。
所述的数字示波器16安装在机箱5的下部，通过外置的增益式探针24与测试端口14连接，实现教学和培训人员对电路板测试点电压信号的观察和判断，对数字示波器16的操作和调节。
所述的单机操作终端2为一个手持遥控器，通过红外无线信号实现与主控设备1的连接，用于教学人员选择航空机载电子设备电路板(包含飞机通信系统、飞机导航系统、航空仪表系统、自动飞行控制系统相关设备内部的电路板名称)、电路板上测试点编号(与所述的测试端口14编号一致)、数据采集电路板20模拟信号输出通道(选择单通道或两通道)、电路级虚拟维修模式(包含测试模式和修理模式。测试模式实现对所选三维电路板上测试点的电压信号测量，修理模式实现对所选三维电路板上元器件、线路等的替换)，并转换为红外信号，发送至主控设备1。
所述的远程操作终端4为一个计算机终端，通过以太局域网络3实现与主控设备1的连接，对显示器12上人机交互界面的各个选择窗口实现远程控制和操作。
本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台具有两种工作模式，分别如下：
(1)单机工作模式：主要用于教学人员的学习，学习者通过对单机操作终端2的操作，实现航空机载电子设备电路级虚拟测试、虚拟排故和虚拟修理。同时，禁止远程操作终端4的操作权限。
(2)远程工作模式：主要用于培训人员的学习，学习者通过对远程操作终端4的操作，实现航空机载电子设备电路级虚拟测试、虚拟排故和虚拟修理。若多个远程操作终端4同时操作时，采用排队和限时方式，实现对应的航空机载电子设备内部电路板的虚拟操作。
本发明提供的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台利用虚拟现实技术，显示航空机载电子设备内部电路板的三维模型以及电路板上的测试点；利用电路仿真技术，实现三维电路板功能的仿真和模拟；利用虚拟仪器技术，实时输出电路板上测试点的电压信号；利用单机操作终端2实现电路板、测试点、电压信号输出通道、电路级虚拟维修模式的选择和操作；利用远程操作终端4实现电路板、测试点、电压信号输出通道、电路级虚拟维修模式的远程操控；利用数字示波器16实现电路板上测试点电压信号的测量和判断。
Claims (2)
1.一种航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台，所述的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台包括：主控设备(1)、单机操作终端(2)、以太局域网络(3)和多个远程操作终端(4)；单机操作终端(2)为一个手持遥控器，通过红外无线信号实现与主控设备(1)的连接；远程操作终端(4)为一个计算机终端，通过以太局域网络(3)实现与主控设备(1)的连接；
其特征在于：所述的主控设备(1)包括机箱(5)、总电源开关(6)、总电源急停开关(7)、总电源暂停开关(8)、工控机(9)、以太网交换机(10)、输入设备(11)、显示器(12)、控制器(13)、多个测试端口(14)、多个测试通道指示灯(15)、数字示波器(16)；其中总电源开关(6)、总电源急停开关(7)和总电源暂停开关(8)安装在机箱(5)前端上部；工控机(9)安装在机箱(5)的下部，为运行航空机载电子设备电路级虚拟维修教学程序的平台；以太网交换机(10)设置在机箱(5)的内部，利用以太局域网络(3)实现远程操作终端(4)和工控机(9)之间的网络连接；输入设备(11)供教学人员进行界面操作，显示器(12)用于人机交互界面的显示；控制器(13)由母板(17)和六个电路板卡组成；其中母板(17)具有六个拔插式卡槽、四个设备接口以及卡槽之间的信号交联和电源线路，其中六个电路板卡包括：电源转换电路板(18)、红外线接收电路板(19)、数据采集电路板(20)、FPGA控制电路板(21)、继电器矩阵电路板(22)和继电器驱动电路板(23)；电源转换电路板(18)将220V/50Hz工作电源进行变压、整流，为其它五个电路板卡提供工作电源；红外线接收电路板(19)用于接收和处理单机操作终端(2)发送的红外控制信号，经编码生成八位二进制的输入控制信号，并发送至数据采集电路板(20)；数据采集电路板(20)具有一路八位数字信号输入、一路八位数字信号输出、两路模拟信号输出的功能，用于接收红外线接收电路板(19)的输入控制信号，并发送至工控机(9)；同时接收工控机(9)生成的单机操作终端(2)和远程操作终端(4)的操作指令，生成八位二进制的输出控制信号，并发送至FPGA控制电路板(21)；生成对应的电压信号，并发送至继电器矩阵电路板(22)；FPGA控制电路板(21)将数据采集电路板(23)的输出控制信号进行解码，从而为继电器矩阵电路板(20)提供控制信号；继电器矩阵电路板(22)根据FPGA控制电路板(21)的控制信号，实现相应继电器的通断，从而将数据采集电路板(20)输出的电压信号发送至对应的测试端口(14)，同时点亮对应的测试通道指示灯(15)；继电器驱动电路板(23)用于为继电器矩阵电路板(22)中的继电器、测试通道指示灯(15)中的指示灯提供驱动电源；测试端口(14)和测试通道指示灯(15)设置在机箱(5)的中部；数字示波器(16)安装在机箱(5)的下部，通过外置的增益式探针(24)与测试端口(14)连接。
2.根据权利要求1所述的航空机载电子设备电路级虚拟维修教学平台，其特征在于：所述的母板(17)上的四个设备接口包括：工控机接口、测试端口接口、测试通道指示灯接口和以太网接口，实现控制器(13)与工控机(9)、测试端口(14)、测试通道指示灯(15)和以太网交换机(10)间的连接。
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