摘要：利用虛擬儀器軟件平臺LabVIEW 8.6開發(fā)一種飛機電氣綜合試驗自動管理系統(tǒng)操作平臺，用于測試飛機電氣各項性能指標的重要試驗環(huán)境。在詳細介紹該系統(tǒng)各組成部分的基礎上，重點分析了試驗自動管理系統(tǒng)的組成與功能。試驗自動管理系統(tǒng)通過高速以太網實現(xiàn)與各試驗子設備之間的數(shù)據(jù)通信，以達到對各子系統(tǒng)遠程控制和試驗結果的上傳。所設計的操作系統(tǒng)可針對不同的子系統(tǒng)來配置相應的控制操作命令，并實現(xiàn)對操作命令的保存、發(fā)送至各子系統(tǒng)；子系統(tǒng)接收操作系統(tǒng)的命令并執(zhí)行和完成相應的動作。經實際運行測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，人機交互界面良好，操作簡便，自動化程度較高。
飛機供電系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機的一個重要組成部分，指的是電能的生產、變換和輸配的一整套裝置所組成的一個完整系統(tǒng)，它的作用是向飛機上所有用電設備提供電能，以保證飛機的安全飛行和完成運輸或作戰(zhàn)任務。針對于飛機供電系統(tǒng)的地面測試試驗對研究其性能和功能有著重要意義，傳統(tǒng)的飛機測試試驗主要采取試驗人員手動逐項操作完成或者測試系統(tǒng)軟件按照既定的測試步驟進行特定項目的測試試驗，試驗項目有限，試驗周期長，比較適合飛機定型后的檢測、維護試驗。針對這一情況，為了縮短設計階段的試驗周期，使試驗過程標準嚴格統(tǒng)一，試驗項目盡可能完備，提高試驗效率和精度，提出為飛機供電控制管理系統(tǒng)的綜合試驗，設計、開發(fā)一套試驗自動化管理系統(tǒng)，用以測試電網的協(xié)調能力和轉換時間。
針對試驗測試領域的特殊測試要求，采用LabVIEW 8.6集成開發(fā)環(huán)境。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，又稱為“G”語言，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。它結合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言，提供一個直覺性環(huán)境，并通過與測量硬件的密切結合，讓用戶迅速開發(fā)出有關系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組成原理
1.1 整個系統(tǒng)組成
整個綜合試驗管理系統(tǒng)組成如圖1所示。圖中所示的試驗系統(tǒng)主要由綜合試驗自動管理系統(tǒng)、各個子系統(tǒng)、交流電源和試驗負載組成。其中，子系統(tǒng)包括故障注入系統(tǒng)、試驗模型、試驗信號分析系統(tǒng)、終端1、終端2、終端3以及終端4。綜合試驗管理系統(tǒng)將按照各個子系統(tǒng)所配置的操作命令通過以太網發(fā)送至各子系統(tǒng)，子系統(tǒng)接收到命令后，執(zhí)行與自己相關的動作，并將執(zhí)行后的結果通過以太網反饋至綜合試驗自動管理系統(tǒng)，用以對各子系統(tǒng)的試驗結果進行綜合處理與分析。
1.2 綜合試驗管理系統(tǒng)組成
實現(xiàn)系統(tǒng)中各終端、試驗項目/流程的配置管理、試驗任務的生成、實施和控制，根據(jù)試驗任務向各終端發(fā)送遠程控制指令，采集試驗結果數(shù)據(jù)，控制試驗流程，提供人機交互界面。此外，定義系統(tǒng)中各終端之間交互信息的格式與響應規(guī)程，完成對試驗網絡各終端設備的試驗項目配置管理，并完成系統(tǒng)典型試驗流程的配置管理；按照配置好的試驗流程，通過試驗現(xiàn)場總線分別向各終端設備發(fā)送控制指令，使系統(tǒng)按照要求完成試驗；完成試驗結果的記錄和一致性比對，形成試驗報告；提供手動和自動兩種工作模式，完成對試驗的控制；試驗前完成試驗系統(tǒng)的自檢測。
2 綜合試驗管理系統(tǒng)設計
該系統(tǒng)軟件采用NI公司的LabVIEW 8.6作為開發(fā)平臺。LabVIEW具有內置的圖形用戶界面，操作直觀，使用簡便，特別是包含豐富的數(shù)據(jù)分析處理庫函數(shù)，提供了編程巨大的靈活性和很高的可靠性，能夠充分實現(xiàn)操作靈活，功能強大和用戶界面友好的設計要求。綜合試驗自動管理系統(tǒng)計算機采用研華ACP-4320工控機，主要完成對試驗的監(jiān)控、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)記錄和顯示、試驗數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞莸裙δ�，并將用戶下達的命令和配置參數(shù)傳送到各終端設備。工控機選用數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)級數(shù)字I/O卡和用于進行信號調理的各種功能模塊，負責系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集，人性化顯示、管理和控制，并將試驗數(shù)據(jù)和當前試驗狀態(tài)返回到主控機。各終端設備對相應設備進行實時管理，并根據(jù)主控計算機下達的命令，完成數(shù)據(jù)采集和控制等特定功能，并將試驗數(shù)據(jù)和當前試驗狀態(tài)返回到上位機。
2.1 操作系統(tǒng)設計
對于每一個不同的試驗，都需要針對性地確定一個獨立的測控試驗流程，每個流程都可以分為若干不同的步驟，每個步驟都用來進行產品的某個特定性能指標的個步驟所模擬的試驗環(huán)境可能有所不同，因此需要具有用戶自定義流程功能的試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合試驗的自動化，見圖2。
系統(tǒng)程序可實現(xiàn)終端配置、指令配置、試驗項目配置和試驗流程配置，用戶可方便地將整個試驗劃分為若干步驟，自定義每個步驟的動作；也可將若干步驟合成試驗流程，參與循環(huán)，實現(xiàn)復雜的試驗流程配置和數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)具有很好的兼容性、擴展性和通用性，更好地滿足用戶對試驗流程變化的實際需求和越來越復雜的試驗。根據(jù)綜合試驗自動管理系統(tǒng)的特點和設計目標，該系統(tǒng)的軟件核心為配置功能，軟件結構如圖3所示，它完成終端設備、指令配置、試驗項目和試驗流程的配置，隨之形成的配置信息文件分別存入配置數(shù)據(jù)庫，其中各個配置環(huán)節(jié)的信息必須保存，以便下一個配置環(huán)節(jié)使用，其文件保存形式用戶可以根據(jù)需要自行設置。
綜合實驗自動管理系統(tǒng)硬件設計以工業(yè)控制計算機為控制核心，系統(tǒng)硬件組成如圖4所示。完成對試驗的配置和操作，并通過網卡實現(xiàn)以太網的傳輸，發(fā)送相應指令和配置參數(shù)到各個子系統(tǒng)的終端設備，各終端設備接收命令后進行相應操作，并通過交換機將其實時狀態(tài)經以太網傳輸給工控機，并通過虛擬儀器軟件可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理、實時顯示、試驗報告的保存和數(shù)據(jù)的打印，達到在試驗過程中由工控機對各終端進行實時管理的目的。
2.2 終端配置設計
終端配置中，選擇在一次試驗中所要發(fā)送命令的涉及到的所有終端，并將相關信息保存起來，便于下一步配置，提供試驗系統(tǒng)各遠程終端的配置與管理功能。其中，遠程終端的配置內容包括終端ID、終端名稱、終端類型、終端描述、終端地址及端口號等屬性；運程終端管理則包括各終端的新建、刪除、重命名等，用戶添加或刪除某個終端后，終端列表即進行更新。試驗系統(tǒng)終端配置完成之后，提供系統(tǒng)配置的保存、載入和新建等功能。
綜合試驗自動管理系統(tǒng)中所配置的信息都需要保存起來，進行下一步配置時又需要讀取上一步配置過的信息，這就要裝載信息所在的文件。根據(jù)需要，配置信息所保存的位置由用戶自己選擇，文件名也由用戶自定。在裝載的功能中都需要讀取文件這個模塊，其功能由用戶點選路徑，選擇文件保存的位置，一般存在D盤或者C盤。其中指令配置、項目配置、流程配置、運行界面的設計與終端配置界面類似，在此不贅述。
2.3 系統(tǒng)自檢
試驗前，綜合試驗自動管理系統(tǒng)應能完成試驗系統(tǒng)的自檢測，包括通信檢測和協(xié)議檢測。前者，當系統(tǒng)有終端未開機運行或通信異常時，給出提示，且與之相關的試驗項目應給出顯示區(qū)分；后者，綜合試驗系統(tǒng)中各激勵器、仿真器、測試系統(tǒng)及故障注入系統(tǒng)等終端設備由不同單位設計開發(fā)而成，需要逐項檢測這些終端設備是否嚴格遵循協(xié)議標準，是否能夠正確響應綜合試驗自動管理系統(tǒng)定義的控制指令。
3 以太網通信
3.1 系統(tǒng)通信拓撲結構
系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸通過以太網實現(xiàn)，以太網通信采用TCP/IP通信協(xié)議實現(xiàn)。TCP/IP協(xié)議簇是最為著名、應用最為廣泛且至今仍在普遍使用一個協(xié)議體系。TCP(Transmission Control Protocol，TCP)和IP(Internet Protocol)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇的核心。TCP/IP的體系結構分為4個層次，即應用層、傳輸層、網際層和網絡接口層。
系統(tǒng)應用LabVIEW進行網絡化管理時采用Client/Server模式，它適用于生產部門進行的大量數(shù)據(jù)傳輸，這種模式對客戶端的要求較之前一種要高一些，需要編寫進行數(shù)據(jù)交互的程序。
3.2 通信協(xié)議
試驗環(huán)境中綜合試驗自動管理系統(tǒng)與其他設備之間采用以太網的主從式通信方式(即請求-應答方式)來完成發(fā)送指的為綜合試驗自動管理系統(tǒng)向各個終端設備傳輸指令，接收指各個終端設備向綜合試驗自動管理系統(tǒng)回傳信息。具體通信協(xié)議如下所示(以太網接受數(shù)據(jù)包格式與發(fā)送數(shù)據(jù)包格式類似)：
其中，校驗采用CRC-8校驗方法實現(xiàn)。
3.3 以太網通信實現(xiàn)
在綜合自動管理系統(tǒng)的配置的最后一步是運行，其中包括通過網絡向頂孔板等各終端發(fā)送命令。首先將所有要發(fā)送的指令信息按照規(guī)定的數(shù)據(jù)包格式組成能通過網絡發(fā)送的發(fā)送包send packet vi，其中將指令信息和版本號、請求類型和請求包ID經過校驗和轉變組成TCP/IP協(xié)議可用的發(fā)送包命令，通過TCP sendpacket.vi定義要發(fā)送的遠程IP地址和端口號，向指定終端依次發(fā)送命令。
對于CRCn校驗，事先在數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端共同約定一個最高次冪為n次的生成多項式g(x)作為除數(shù)，用待校驗字段左移n位后除以g(x)所對應的n+1位數(shù)字代碼，會產生一個n位的余數(shù)，這個余數(shù)就是產生的CRC-n代碼。在發(fā)送的時候，將生成的代碼附加在要發(fā)送的數(shù)據(jù)后面一塊發(fā)出去，這樣待發(fā)送的數(shù)據(jù)就可分為信息字段和n位的校驗字段。在接收端接收到數(shù)據(jù)以后，用收到的數(shù)據(jù)(包括校驗字段)除以約定多項式g(x)的數(shù)字代碼，如果余數(shù)為零，證明傳輸無誤，接收。若余數(shù)不為零，則傳輸錯誤，丟棄。
4 結語
本文設計的飛機綜合試驗管理系統(tǒng)，基于LabVIEW 8.6集成開發(fā)環(huán)境，采用數(shù)據(jù)/業(yè)務抽象與建模技術、數(shù)據(jù)/業(yè)務描述與解析技術、數(shù)據(jù)庫技術、網絡技術、智能化分析技術，構建了一個網絡環(huán)境下的分布式試驗自動控制系統(tǒng)。完成對試驗中各激勵器、仿真器、測試系統(tǒng)及故障注入系統(tǒng)等終端和對試驗網絡各終端設備的試驗項目以及系統(tǒng)典型試驗流程的配置管理。按照配置好的試驗流程，通過試驗現(xiàn)場總線分別向各終端設備發(fā)送控制指令，使系統(tǒng)按照要求完成試驗；試驗結果的記錄和一致性比對，形成試驗報告，并提供手動和自動兩種工作模式，有效地實現(xiàn)了對試驗的控制。所設計的系統(tǒng)人機界面友好、操作方便安全，測試效率較高，在實際應用中取得了良好的效果。該系統(tǒng)已交付使用，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。
