摘要：低空測試儀試驗需要把整個測試儀作為吊艙掛在直升機下工作，能適應各種惡劣的自然條件，用于某飛行部件地海雜波環(huán)境下的測試。以PC104嵌入式計算機為硬件平臺，標準C++為開發(fā)工具，針對低空測試儀數(shù)據(jù)采集需求開發(fā)了測控程序。通過電平I＼O控制電源板給各信號加電時序，A＼D卡實時采集信號，高度表通過串口回傳高度數(shù)據(jù)。著重介紹了低空測試儀的軟硬系統(tǒng)設計方案，給出了一組測試數(shù)據(jù)，驗證了測控程序的有效性。現(xiàn)場應用表明，該系統(tǒng)具有設計合理，操作簡便，測試準確的特點，達到了設計要求。
關鍵詞：低空測試儀；直升機；PC104總線；數(shù)據(jù)采集
低空測試儀需要作為一個整體吊掛在直升機下，這就要求測試儀體積小、實時性好、工作溫度范圍寬、可靠性高、能適應各種惡劣自然條件，并有持續(xù)的高速數(shù)據(jù)采集能力。而嵌入計算機PC104，憑借其體積小、功耗低、集成度高及模塊化等一系列優(yōu)良品質，滿足此要求。而且，PC104在嵌入式應用設計中，除了有顯示要求的情況外，通常作為一種“黑匣子”的工作模式，即沒有顯示。而低空測試儀就是后者的應
用。數(shù)據(jù)的下載是通過插入U盤自動下載的，不需要拆卸拆卸硬盤下載數(shù)據(jù)，方便多次測試。
1 測控系統(tǒng)需求分析
通過對測試儀測試原理的分析及操作流程的分解細化，在系統(tǒng)設計時主要考慮一下幾點：
1)測試儀不僅要能夠在有地海雜波的情況下對某產品的相關輸出信號進行持續(xù)的采集，而且采集信號的同時記錄產品距離地面或海面的高度；
2)在硬件上采用成熟的平臺，使系統(tǒng)集成度高、可靠性高和維修性強；
3)采用定時數(shù)據(jù)采集控制方式，因直升機上不讓使用無線遙控裝置，可在起飛前設置好延遲時間，起飛后當預定的延遲時間到時，自動開始數(shù)據(jù)采集，也可設置采集停止時間；
4)采集的數(shù)據(jù)可通過U盤自動下載，然后導入地面計算機中進行分析和處理；
5)地面計算機能確定哪些數(shù)據(jù)超過規(guī)定的門限值及對應的高度，并對數(shù)據(jù)進行分段FFT處理分析；
根據(jù)低空測試儀試驗測控需求的特點可以歸納出對測控系統(tǒng)的性能需求，主要包括：
1)數(shù)據(jù)記錄時長≤1 h；
2)采集速率≥100 ks／s；
3)測高范圍1～1 200 m。
2 測控系統(tǒng)總體設計
該測控系統(tǒng)結構如圖1所示，在對被測產品的測試過程中，通過控制系統(tǒng)控制供電系統(tǒng)，給被測產品、嵌入式計算機和無線電測試儀供電；嵌入式計算機控制給被測產品各信號加電時序，何時開始采集數(shù)據(jù)和何時停止采集；一次試驗結束后，通過U盤導入地面計算機進行分析。
圖1中除了地面計算機外，其他的設備都需要密封在玻璃鋼下。這就要求玻璃鋼能裝下被測設備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、蓄電池等，具有一定氣動力形狀，具有兩個水平翼和一個垂直尾翼，減少飛行中的阻力，被測設備的天線位于吊艙的底部和高度表天線位于吊艙的水平翼上。
3 測控系統(tǒng)硬件設計
如圖2所示，測控系統(tǒng)硬件主要PC104電源板，PC104CPU板，PC104數(shù)據(jù)采集卡，PC104繼電器開關板和無線電測高儀組成。
PC104電源板用于為PC104 CPU板提供高效、穩(wěn)定的12 V電源。PC104 CPU板控制A＼D采集卡實時采集每通道的數(shù)據(jù)，速率為200 kS／s；通過串口采集無線測高儀的數(shù)據(jù)，速度為25 Hz；繼電器開關板用于按時序給產品加-18 V，+18 V和+27V。
無線電高度表是測量飛行器相對地面(海面)垂直高度的距離測量系統(tǒng)。主要有主機、收發(fā)天線和連接電纜組成，如圖3所示。
4 測控系統(tǒng)軟件設計
該測控系統(tǒng)的軟件采用VC++6．0編程，運行在Windows XP系統(tǒng)下，可以在PC機上編譯后通過U盤拷貝到PC104主機，也可以直接在PC104主機上開發(fā)。測試系統(tǒng)的軟件分為上位機軟件即低空測試儀中軟件和下位機軟件即地面分析計算機中軟件。
1)上位機軟件
由于只有4G SSD板上硬盤，2G用來存采集的數(shù)據(jù)，而高速AD卡采集速率多大1．0 MHz／s，所以采集數(shù)據(jù)時間有限，硬盤空間剩余不足100 M時，系統(tǒng)就自動關閉，防止系統(tǒng)崩潰。2 G用來裝Window系統(tǒng)，需要對window進行適當?shù)牟眉?，以便為采集?shù)據(jù)預留更多的空間。
由于測試儀最終被玻璃鋼密封艙，對外只留下開關和一個USB接口下載數(shù)據(jù)，何時下載數(shù)據(jù)就依靠檢測U盤的插入，具體的動作時序如圖4所示。
首先需要按下電源開關，指示燈1亮，說明系統(tǒng)正常啟動，此時開始檢查是否插入U盤，如果沒有插入U盤，就采集采集數(shù)據(jù)，一個采集周期結束就需要插入U盤把數(shù)據(jù)下載下來，或者直接關機，等下次開機上下載；
插入U盤后，響應函數(shù)的源碼如下：
2)下位機軟件
下位機軟件是用來分析從U盤拷貝過來的數(shù)據(jù)，本軟件用也是用C++語言實現(xiàn)，主要有以下幾個模塊組成：數(shù)據(jù)處理模塊、文件模塊、工具模塊等。對測試儀一次運行得到的數(shù)據(jù)文件進行解析分離、分析運算和作圖顯示。結構框圖如圖5所示。
①數(shù)據(jù)處理模塊：測試儀一次運行得到的A＼D采樣數(shù)據(jù)被整體保存成一個巨大的原始數(shù)據(jù)文件，多路采樣通道數(shù)據(jù)混雜其中，需要對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析預處理和作圖顯示；還有就是工作環(huán)境的限制，可能造成高度表采樣數(shù)據(jù)遠遠偏離預期值，這些數(shù)據(jù)都需要經過處理，才能更加適合于繪圖顯示。綜合預覽前需要數(shù)據(jù)同步，因為四個通道的采樣頻率(250 kHz)遠遠高于高度表采樣頻率(50 Hz)，需要按照一定的算法對采樣點進行數(shù)據(jù)壓縮。
②圖形顯示模塊：把前面A／D采樣數(shù)據(jù)和高度表數(shù)據(jù)通過兩種方式顯示出來。
③工具模塊：用來對觀測的數(shù)據(jù)圖像進行的各種操作。
5 模擬實驗
該測試系統(tǒng)用于某飛行部件的相關信號測試。在進行測試時，首先打開前面板上的開關按鈕，然后自動運行測試應用軟件，初始化相關板卡后，等待一定的時間開始數(shù)據(jù)的采集。下載數(shù)據(jù)到地面計算機座談分析，如圖6所示，通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，該測試系統(tǒng)測試結果準確、穩(wěn)定可靠。
如圖7所示，已經調用了綜合預覽功能繪制了5條曲線，并進入游標模式讀取了55．8秒處的采樣數(shù)據(jù)顯示在狀態(tài)欄上(本圖形已經過3次放大)。
數(shù)據(jù)作圖的FFT結果如圖8所示。
圖8中FFT窗口已經打開一份FFT結果文件，并進行了圖形放大，使用游標讀取了第三采樣點處電壓值和192 Hz處的分貝值。
6 結論
該測試系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)采集卡的PC104嵌入式計算機為硬件平臺，軟件設計采用模塊化設計思想，對外只有USB接口下載數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可操作性。該測試系統(tǒng)已用于某飛行部件的相關信號的測試，并在實際應用和在仿真實驗應用下都表明該測試系統(tǒng)具有測試準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。
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