面向電氣執(zhí)行裝置測試的便攜式平臺

Author(s):
Alan Barlow，資深軟件與儀器系統(tǒng)工程師 - Conekt (英國)

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Software, Data Acquisition

The Challenge:
開發(fā)一個完全可移植的航空電氣執(zhí)行裝置測試系統(tǒng)——該系統(tǒng)不僅可以在不同場所之間移植，而且還支持廣泛的具有不同控制策略的執(zhí)行裝置變異體。我們的航空客戶需要在其工程開發(fā)部門、客戶場所和Conekt 公司的UKAS 認(rèn)證測試實(shí)驗(yàn)室使用該系統(tǒng)。

The Solution:
設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個組合了商業(yè)現(xiàn)成可用的硬件和專用電路的、緊湊而堅(jiān)固的測試設(shè)備， 這些硬件和電路均可以通過一個利用NI LabVIEW軟件編寫的定制軟件包進(jìn)行控制。該設(shè)備能夠處理所需執(zhí)行裝置的各種現(xiàn)有變異體，而且具備支持其他變異體的潛力。與所有的Conekt 公司的解決方案相似，該測試設(shè)備具有用戶界面直觀且易于使用的特性，而且該設(shè)備也經(jīng)過形式化驗(yàn)證過程的充分測試來確保滿意的操作。

作為一個UKAS 認(rèn)可的專長于航空驗(yàn)證測試的機(jī)構(gòu)，Conekt 應(yīng)要求為一個面向一系列電氣執(zhí)行裝置的測試項(xiàng)目提供支持。這項(xiàng)支持的一部分便是，我們提供一組能夠在設(shè)計(jì)過程的不同階段執(zhí)行并監(jiān)測電氣執(zhí)行裝置的測試設(shè)備，從工程開發(fā)到驗(yàn)證測試和客戶驗(yàn)收測試。為應(yīng)對功能需求和開發(fā)進(jìn)度的挑戰(zhàn)，Conekt 公司設(shè)計(jì)了一項(xiàng)基于NI 技術(shù)的解決方案。

航空客戶需要一個完全可移植的最終系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅要能夠工作于英國和美國的常用電壓，而且要足夠堅(jiān)固以承受運(yùn)輸過程中可能發(fā)生的難免的沖擊和刮擦。

測試設(shè)備設(shè)計(jì)
除向一臺具有直觀用戶界面和有效單元控制的測試設(shè)備提供其隱含的所有標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)之外，該測試設(shè)備還應(yīng)當(dāng)能夠兼容種類繁多的旋轉(zhuǎn)單元和線性單元，每一種單元類型都具有不同的復(fù)雜度。有些執(zhí)行裝置需要直接控制馬達(dá)繞組，而其他的執(zhí)行裝置僅需發(fā)出打開與關(guān)閉指令便可工作于更高的層次。利用該測試設(shè)備，用戶可以指定各種類型的操作，并測量包括位置、電流和速度等各種性能參數(shù)。該設(shè)備以有效且用戶友好的方式處理執(zhí)行裝置的所需各種變異體，監(jiān)測并顯示各種單元類型的相應(yīng)信息，并可以選擇將數(shù)據(jù)錄入到文件以供后續(xù)離線分析。所提供的系統(tǒng)還支持用戶選擇多種外部溫度和電壓，以供顯示和錄入使用，進(jìn)而支持在錄入文件中維護(hù)測試環(huán)境的詳細(xì)記錄。還可以給每個測量參數(shù)設(shè)定一個用戶定義的失敗范圍，以提供單元的快速性能評估。

硬件配置
考慮到系統(tǒng)需要測量與產(chǎn)生的信號種類繁多，NI產(chǎn)品憑借其精度與靈活性，成為必然的選擇。我們選擇NI USB-6216 設(shè)備處理大量的信號接口。該設(shè)備利用其模擬和數(shù)字輸入與輸出的組合，以及兩個計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器，為系統(tǒng)提供了完美的基礎(chǔ)。作為一臺M系列設(shè)備，USB-6216提供了綽綽有余的精度水平，而USB外形尺寸與集成的端子模塊相結(jié)合，確保了設(shè)備的尺寸最小化。內(nèi)置的隔離功能也確保了系統(tǒng)受保護(hù)，以免除意外的瞬間電流或施加到產(chǎn)品連接端子的不正確電壓。

我們利用NI USB-9211A 監(jiān)測外部熱電偶的輸入信號。再次強(qiáng)調(diào)，該M系列設(shè)備實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備外形條件下的功能最大化。利用所需的最小空間，M系列設(shè)備提供了四個溫度值的測量，而且均通過同一個USB 端口進(jìn)行控制。與所有的NI 硬件相似，NI 軟件開發(fā)環(huán)境的集成確保了對客戶需求的關(guān)注，而非不同系統(tǒng)組件間接口的管理。

除了上述硬件之外，我們還需要其他商業(yè)可用的PCI板卡形式的接口模塊，以監(jiān)測執(zhí)行裝置。隨板卡提供的LabVIEW 驅(qū)動程序，可以確保我們方便地將PCI 板卡集成到系統(tǒng)中。

考慮到PCI 板卡的需求，我們不得不尋找合適的PC。由于我們的最初需求是一個便攜式系統(tǒng)，所以我們選擇了一個堅(jiān)固的、不帶有風(fēng)扇的工業(yè)PC，它所占用的空間少于一臺標(biāo)準(zhǔn)臺式PC 空間的25%。同時(shí)為了滿足緊湊測試系統(tǒng)的需要，它提供了一個可以使用LabVIEW 開發(fā)環(huán)境的強(qiáng)健平臺。

為使系統(tǒng)完整自包含，該封裝還包含了一個電源，它為受測單元、一些用于單元控制與監(jiān)測的定制電路和一個系統(tǒng)降溫風(fēng)扇提供能量。

最終解決方案如圖1 所示。前面板提供外部溫度輸入，而且可以方便地訪問工業(yè)PC 的狀態(tài)指示燈和USB 連接（詳見圖2）。

圖1.執(zhí)行裝置測試設(shè)備系統(tǒng)布局

圖2.執(zhí)行裝置測試設(shè)備前面板

軟件配置
我們以軟件的方式實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)一部分的系統(tǒng)功能特性。考慮到混合信號的性質(zhì)和采用讓所有接口硬件都易于使用的驅(qū)動程序，LabVIEW 是該類型測試設(shè)備的自然選擇。

我們通過Conekt 公司內(nèi)部NI 認(rèn)證的開發(fā)人員，利用結(jié)構(gòu)化方式設(shè)計(jì)該軟件，以確保最終結(jié)果有力可靠而且可以有效生成。

我們能夠利用我們的測試設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及LabVIEW 環(huán)境的靈活性與易于使用性，生成不僅易于使用而且功能豐富的用戶界面。在用戶界面背后，我們實(shí)現(xiàn)了一個生產(chǎn)者/ 消費(fèi)者模式，以確保接口的響應(yīng)能力不受任何階段的快速數(shù)據(jù)采集和錄入工作的影響。

我們利用ini 文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)配置的靈活特性，確?？蛻裟軌蚋鶕?jù)需要在未來某個時(shí)刻利用ini 文件的基于文本的直觀布局，增加或編輯執(zhí)行裝置的配置。為使系統(tǒng)性能的優(yōu)勢最大化，我們實(shí)現(xiàn)了兩種不同的數(shù)據(jù)錄入方式，而且這兩種方式可以同時(shí)采用。一種錄入文件格式記錄了測試數(shù)據(jù)的摘要，從而提供了單元性能在整個測試運(yùn)行周期（這可能要持續(xù)數(shù)日）的概覽；而另一種記錄文件格式記錄了完整的運(yùn)動描述文件，包含位置、電壓、電流和以200 赫茲頻率錄入的外部輸入數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)交付
我們按照嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及客戶指定的質(zhì)量規(guī)程交付該系統(tǒng)。一組廣泛的驗(yàn)收測試的定義和執(zhí)行，使我們的客戶相信所交付的每一個測試設(shè)備都滿足了特定的需求并符合其工作目的。