基于LabVIEW的飞机电气综合试验管理系统设计[图]

摘要：利用虚拟仪器软件平台LabVIEW 8.6开发一种飞机电气综合试验自动管理系统操作平台，用于测试飞机电气各项性能指标的重要试验环境。在详细介绍该系统各组成部分的基础上，重点分析了试验自动管理系统的组成与功能。试验自动管理系统通过高速以太网实现与各试验子设备之间的数据通信，以达到对各子系统远程控制和试验结果的上传。所设计的操作系统可针对不同的子系统来配置相应的控制操作命令，并实现对操作命令的保存、发送至各子系统；子系统接收操作系统的命令并执行和完成相应的动作。经实际运行测试，该系统运行稳定，人机交互界面良好，操作简便，自动化程度较高。

飞机供电系统是现代飞机的一个重要组成部分，指的是电能的生产、变换和输配的一整套装置所组成的一个完整系统，它的作用是向飞机上所有用电设备提供电能，以保证飞机的安全飞行和完成运输或作战任务。针对于飞机供电系统的地面测试试验对研究其性能和功能有着重要意义，传统的飞机测试试验主要采取试验人员手动逐项操作完成或者测试系统软件按照既定的测试步骤进行特定项目的测试试验，试验项目有限，试验周期长，比较适合飞机定型后的检测、维护试验。针对这一情况，为了缩短设计阶段的试验周期，使试验过程标准严格统一，试验项目尽可能完备，提高试验效率和精度，提出为飞机供电控制管理系统的综合试验，设计、开发一套试验自动化管理系统，用以测试电网的协调能力和转换时间。

针对试验测试领域的特殊测试要求，采用LabVIEW 8.6集成开发环境。LabVIEW是一种图形化的编程语言，又称为“G”语言，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。它结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言，提供一个直觉性环境，并通过与测量硬件的密切结合，让用户迅速开发出有关系统。

1 系统组成原理

1.1 整个系统组成

整个综合试验管理系统组成如图1所示。图中所示的试验系统主要由综合试验自动管理系统、各个子系统、交流电源和试验负载组成。其中，子系统包括故障注入系统、试验模型、试验信号分析系统、终端1、终端2、终端3以及终端4。综合试验管理系统将按照各个子系统所配置的操作命令通过以太网发送至各子系统，子系统接收到命令后，执行与自己相关的动作，并将执行后的结果通过以太网反馈至综合试验自动管理系统，用以对各子系统的试验结果进行综合处理与分析。

1.2 综合试验管理系统组成

实现系统中各终端、试验项目/流程的配置管理、试验任务的生成、实施和控制，根据试验任务向各终端发送远程控制指令，采集试验结果数据，控制试验流程，提供人机交互界面。此外，定义系统中各终端之间交互信息的格式与响应规程，完成对试验网络各终端设备的试验项目配置管理，并完成系统典型试验流程的配置管理；按照配置好的试验流程，通过试验现场总线分别向各终端设备发送控制指令，使系统按照要求完成试验；完成试验结果的记录和一致性比对，形成试验报告；提供手动和自动两种工作模式，完成对试验的控制；试验前完成试验系统的自检测。

2 综合试验管理系统设计

该系统软件采用NI公司的LabVIEW 8.6作为开发平台。LabVIEW具有内置的图形用户界面，操作直观，使用简便，特别是包含丰富的数据分析处理库函数，提供了编程巨大的灵活性和很高的可靠性，能够充分实现操作灵活，功能强大和用户界面友好的设计要求。综合试验自动管理系统计算机采用研华ACP-4320工控机，主要完成对试验的监控、参数设置、数据记录和显示、试验数据保存备份等功能，并将用户下达的命令和配置参数传送到各终端设备。工控机选用数据采集卡、工业级数字I/O卡和用于进行信号调理的各种功能模块，负责系统实时数据采集，人性化显示、管理和控制，并将试验数据和当前试验状态返回到主控机。各终端设备对相应设备进行实时管理，并根据主控计算机下达的命令，完成数据采集和控制等特定功能，并将试验数据和当前试验状态返回到上位机。

2.1 操作系统设计

对于每一个不同的试验，都需要针对性地确定一个独立的测控试验流程，每个流程都可以分为若干不同的步骤，每个步骤都用来进行产品的某个特定性能指标的个步骤所模拟的试验环境可能有所不同，因此需要具有用户自定义流程功能的试验系统，实现综合试验的自动化，见图2。

系统程序可实现终端配置、指令配置、试验项目配置和试验流程配置，用户可方便地将整个试验划分为若干步骤，自定义每个步骤的动作；也可将若干步骤合成试验流程，参与循环，实现复杂的试验流程配置和数据管理。该系统具有很好的兼容性、扩展性和通用性，更好地满足用户对试验流程变化的实际需求和越来越复杂的试验。根据综合试验自动管理系统的特点和设计目标，该系统的软件核心为配置功能，软件结构如图3所示，它完成终端设备、指令配置、试验项目和试验流程的配置，随之形成的配置信息文件分别存入配置数据库，其中各个配置环节的信息必须保存，以便下一个配置环节使用，其文件保存形式用户可以根据需要自行设置。

综合实验自动管理系统硬件设计以工业控制计算机为控制核心，系统硬件组成如图4所示。完成对试验的配置和操作，并通过网卡实现以太网的传输，发送相应指令和配置参数到各个子系统的终端设备，各终端设备接收命令后进行相应操作，并通过交换机将其实时状态经以太网传输给工控机，并通过虚拟仪器软件可以实现数据的分析处理、实时显示、试验报告的保存和数据的打印，达到在试验过程中由工控机对各终端进行实时管理的目的。

2.2 终端配置设计

终端配置中，选择在一次试验中所要发送命令的涉及到的所有终端，并将相关信息保存起来，便于下一步配置，提供试验系统各远程终端的配置与管理功能。其中，远程终端的配置内容包括终端ID、终端名称、终端类型、终端描述、终端地址及端口号等属性；运程终端管理则包括各终端的新建、删除、重命名等，用户添加或删除某个终端后，终端列表即进行更新。试验系统终端配置完成之后，提供系统配置的保存、载入和新建等功能。

综合试验自动管理系统中所配置的信息都需要保存起来，进行下一步配置时又需要读取上一步配置过的信息，这就要装载信息所在的文件。根据需要，配置信息所保存的位置由用户自己选择，文件名也由用户自定。在装载的功能中都需要读取文件这个模块，其功能由用户点选路径，选择文件保存的位置，一般存在D盘或者C盘。其中指令配置、项目配置、流程配置、运行界面的设计与终端配置界面类似，在此不赘述。

2.3 系统自检

试验前，综合试验自动管理系统应能完成试验系统的自检测，包括通信检测和协议检测。前者，当系统有终端未开机运行或通信异常时，给出提示，且与之相关的试验项目应给出显示区分；后者，综合试验系统中各激励器、仿真器、测试系统及故障注入系统等终端设备由不同单位设计开发而成，需要逐项检测这些终端设备是否严格遵循协议标准，是否能够正确响应综合试验自动管理系统定义的控制指令。

3 以太网通信

3.1 系统通信拓扑结构

系统之间数据传输通过以太网实现，以太网通信采用TCP/IP通信协议实现。TCP/IP协议簇是最为著名、应用最为广泛且至今仍在普遍使用一个协议体系。TCP(Transmission Control Protocol，TCP)和IP(Internet Protocol)协议是TCP/IP协议簇的核心。TCP/IP的体系结构分为4个层次，即应用层、传输层、网际层和网络接口层。

系统应用LabVIEW进行网络化管理时采用Client/Server模式，它适用于生产部门进行的大量数据传输，这种模式对客户端的要求较之前一种要高一些，需要编写进行数据交互的程序。

3.2 通信协议

试验环境中综合试验自动管理系统与其他设备之间采用以太网的主从式通信方式(即请求-应答方式)来完成发送指的为综合试验自动管理系统向各个终端设备传输指令，接收指各个终端设备向综合试验自动管理系统回传信息。具体通信协议如下所示(以太网接受数据包格式与发送数据包格式类似)：

其中，校验采用CRC-8校验方法实现。

3.3 以太网通信实现

在综合自动管理系统的配置的最后一步是运行，其中包括通过网络向顶孔板等各终端发送命令。首先将所有要发送的指令信息按照规定的数据包格式组成能通过网络发送的发送包send packet vi，其中将指令信息和版本号、请求类型和请求包ID经过校验和转变组成TCP/IP协议可用的发送包命令，通过TCP sendpacket.vi定义要发送的远程IP地址和端口号，向指定终端依次发送命令。

    

对于CRCn校验，事先在数据发送端和数据接收端共同约定一个最高次幂为n次的生成多项式g(x)作为除数，用待校验字段左移n位后除以g(x)所对应的n+1位数字代码，会产生一个n位的余数，这个余数就是产生的CRC-n代码。在发送的时候，将生成的代码附加在要发送的数据后面一块发出去，这样待发送的数据就可分为信息字段和n位的校验字段。在接收端接收到数据以后，用收到的数据(包括校验字段)除以约定多项式g(x)的数字代码，如果余数为零，证明传输无误，接收。若余数不为零，则传输错误，丢弃。

4 结语

本文设计的飞机综合试验管理系统，基于LabVIEW 8.6集成开发环境，采用数据/业务抽象与建模技术、数据/业务描述与解析技术、数据库技术、网络技术、智能化分析技术，构建了一个网络环境下的分布式试验自动控制系统。完成对试验中各激励器、仿真器、测试系统及故障注入系统等终端和对试验网络各终端设备的试验项目以及系统典型试验流程的配置管理。按照配置好的试验流程，通过试验现场总线分别向各终端设备发送控制指令，使系统按照要求完成试验；试验结果的记录和一致性比对，形成试验报告，并提供手动和自动两种工作模式，有效地实现了对试验的控制。所设计的系统人机界面友好、操作方便安全，测试效率较高，在实际应用中取得了良好的效果。该系统已交付使用，系统性能稳定。