飞机座舱空气调节分系统测试仪设计

应朝龙，杨 凡，宋伟健

（海军航空工程学院a.基础实验部；b.研究生管理大队；c.科研部，山东烟台264001）

飞机座舱空气调节分系统在为飞行员提供舒适和安全的工作环境的同时，也要保障机载电子设备的正常工作。飞机座舱空调分系统的电源、电阻和时间参数能否达到规定的要求，是衡量空气调节系统性能优劣和工作是否正常的重要指标。因此，对飞机座舱空调分系统工作性能进行测试显得尤为重要[1]。目前，虽然以自动测试系统（ATS）[2-3]为典型代表的维护保障设备已装备部队，但对座舱空气调节分系统的测试还没有纳入ATS的保障范围。本文基于单片机和总线技术[4-5]，设计了某型飞机座舱空气调节分系统测试仪。该仪器能够很好地完成对分系统多个被测设备工作性能的检测，满足飞机维护工作的需求。

1 测试需求分析与硬件电路总体设计

某型飞机座舱空气调节分系统测试仪（以下简称测试仪）主要完成对机上座舱调节分系统及其部附件（以下简称被测对象）电源、电阻和时间测试项目的检测。

主要测试项目包括：完成对被测对象交流供电电源电压、电流和频率的检测；完成对被测对象直流供电电源电压和电流的检测；完成对某型涡轮限速控制器在不同高度时的增压和减压信号的检测，主要测试增压电阻和减压电阻；完成对2种型号的调压阀门电动机构从全开到全关和从全关到全开的时间。

针对测试需求，确定测试仪的总体框图见图1。图1中，CPU为本测试仪的控制核心，主要完成人机接口、总线信号采集、信号反馈与测量控制等功能，它采用带WTD（看门狗）电路的AT89C55WD[6]型单片机。这样，既可保证其允许可靠性，又因其有20k字节的程序存储器而方便中文提示信息的显示。图1中的程控电阻模块也隐含着另一个CPU，它也是采用单片机实现的，其型号为AT89C2051。

图1 测试仪硬件设计总体框图Fig.1 Block diagram of the tester hardware

采用带RS485总线的交直流电压和电流的测量[7]的工业测量仪表来实现，以便提高系统的可靠性和测量精度。为了减少测试仪体积，～115 V/400 Hz的电压、电流和频率采用三合一的仪表来测量。

对被测设备增压和减压电阻的检测，主要是要提供一路精密电阻输出，同时要检测在不同输出电阻时的反馈信号，然后确定其状态转换点的电阻阻值。为了实现这一功能，在测试仪中配置了带RS232总线的程控电阻模块[8]。

对于电动机构的测试，主要是要测量其从全开到全关和从全关到全开的时间，这些项目的测试主要由控制信号输出电路和反馈信号输入电路来实现。首先，按照要求给被测对象提供所需的控制信号；然后，检测反馈回来的信号，通过判别其状态变化的时间值来完成测试。

整个测试仪的信息提示和结果显示都用19264型点阵LCD（液晶显示器）[9]来实现。其测试控制过程和信息输入则通过4´4键盘来实现。

2 测试仪硬件电路设计

除了测量交流电源和直流电源参数以及压力的工业测量仪表（带RS485总线）外，测试仪的硬件电路主要包括主控板、程控电阻模块、反馈信号输入电路、控制信号输出电路、RS232/RS485转换电路、直流稳压电源、显示器和键盘。其中，后4种电路是电子系统最常用的部件，在许多文献中都有介绍[10-11]；而由单片机、继电器和精密电阻构成的程控电阻模块，也已在机载电子设备的测试中得到了广泛应用，对这些内容，本文不作赘述。

2.1 主控板设计

主控板是本测试仪的核心部件，主要完成对各个测量和控制电路的控制，其电路原理框图如图2所示。

图2 主控板电路原理框图Fig.2 Block diagram of the main board

主控板采用AT89C55WD型单片机作为CPU 芯片。为了实现RS232总线通信，采用MAX232芯片实现TTL电平和RS232电平之间的转换[12]。主控板的外形设计成与19264型LCD显示器相同大小，并且其固定孔和连接器位置也与LCD直接对应，这样便于将其与LCD直接固定为一体，从而既可以缩小测试仪的体积，也便于设备维护。

主控板设计的核心问题是CPU的I/O端口的分配问题。

综合考虑I/O端口特性、管脚位置以及软件编程方便等因素，设计CPU的I/O资源分配如表1所示。

表1 单片机I/O口资源分配表Tab.1 Microcontroller I/O resource allocation table

从表1可见，测试仪所需的信号数量正好为32个，因而一个单片机即可满足需要。

2.2 反馈信号输入电路

被测设备输入到本测试仪的反馈信号均为“+28 V/悬空”类开关信号，如果将这些信号直接经分压送给本测试仪的主控板，就会带来大量的干扰信号，甚至会导致系统出现意外复位等故障现象，尤其是在测试过程中当外部有气泵运行或停止等动作时，对系统的干扰更大。

为了消除外部信号对本测试仪的影响，本测试仪的所有对外控制信号和输入进来的反馈信号都要进行光电隔离。

反馈信号输入电路如图3所示。图3中共有4路输入信号，输入信号类型为“28 V/悬空”开关信号，经光电隔离和波形整形后，输出为TTL电平信号。当输入为+28 V时，输出为“1”；当输入为悬空时，输出为“0”。

图3 反馈信号输入电路原理图Fig.3 Circuit of feedback signal

2.3 控制信号输出电路

对被测设备的测试需要4路开关量控制信号，其中2路为“+28 V/悬空”类信号，一路为“+12 V/悬空”信号，一路为“通/断”信号。这些信号通过继电器隔离和驱动来输出，以保证电路的可靠运行。控制信号输出电路——继电器输出板电路原理如图4所示。

图4 继电器输出板（JDQ）电路原理图Fig.4 Circuit of relay output（JDQ）

一个继电器输出板（JDQ）共有4路，如图4所示。在继电器板上，将+5 V 电源、数字地（GND）和4个控制信号连接到一个插头，作为输入信号。信号的输出分成3个部分，分别用3个插头连接。首先，将2个继电器的COM11连接到一起再接到+28 V；再将它们的第1路常开点（NO11）作为信号输出端，共同连接到一个3 芯的输出插头上；然后，将第3 和第4个继电器的公共端COM11 和第1路常开点（NO11）分别用一个2芯的输出插头座连接，2个插头座型号相同，但方向相反，这样以免插错。其中，第3 通道用于控制反馈开关，第4 通道用于通过机箱中的输出继电器来控制泵的运行，输出继电器采用+12 V 电源来驱动。

3 测试仪软件设计

测试仪要实现预定的功能，必须要有完善的软件系统支持。测试仪中的人机接口、项目管理、数据处理等程序的设计与其他单片机应用系统的设计非常相似[12]，而其中的测试控制模块则具有非常鲜明的特色。

3.1 全开和全关时间测试程序设计

有2个被测对象需要测试调压阀门电动机构从全开到全关和从全关到全开的时间，简称为全开时间和全关时间，这2个时间的测试程序框图如图5所示。

图5 全开和全关时间测试程序框图Fig.5 Flow chart of the open and close time test

图5中，全开和全关信号的检测在主程序中进行，而0.1 s时间的延时则由定时器中断产生，因而能保证很高的延时精度。在测试过程中，时间显示以0.1 s为递进单位，显示屏上可以动态地显示时间测试过程。

3.2 供电电压和电流测试程序

各个被测对象都需要测试其直流供电电压和消耗的电流。其中，2个调压阀门的电压测量和电流测量需要进行较复杂的处理，其测试程序框图如图6所示。测试电压和电流原只要直接读取总线式电压表和电流表的数据就可以了，但在测试2个调压阀门时，由于其消耗电流值需要测试其在阀门动作过程中的值而非静态时的值，因而本程序的关键就是要让阀门动起来再测电压和电流。因为阀门的原始状态不明，所以程序上就要通过检查全开信号和全关信号的状态来控制阀门的运动。

图6 调压阀门的电压和电流测量程序框图Fig.5 Flow chart of the voltage and current test of the valve

4 结束语

本测试仪以解决部队实际使用需要为出发点，着力提高设备的实用性和可靠性。实际使用表明，本测试仪能够完成对被测对象的各项指标的精确测试，并且具有电缆连接快捷、人机界面友好、操作使用方便、性能稳定可靠等优点，完全可以满足对某型飞机空气调节分系统多个被测对象的工作性能检测的要求。目前，测试仪样机已通过验收并交付某部使用。

[1]张磊，赛庆毅.空气阀门动态性能自动测试系统[J].流体机械，2006，12（10）61-63.

ZHANG LEI，SAI QINGYI.Air valve dynamic performance automatic testing system[J].Fluid Machinery，2006，12（10）61-63.（in Chinese）

[2]孙宝江，秦红磊，李洁，等.机载设备自动测试系统通用开发平台[J].北京航空航天大学学报，2007，32（3）：327-331.

SUN BAOJIANG，QIN HONGLEI，LIN JIE，et al.Development platform of airborne equipment general automatic test system[J].Journal of Beijing Aeronautics and Astronagtics University，2007，32（3）：327-331.（in Chinese）

[3]刘世军，杨瑞青.机载电子设备通用自动测试系统研究与实现[J].现代电子技术，2009（6）：178-182.

LIU SHIJUN，YANG RUIQING.The research and implementation of airborne electronic equipment general automatic test system[J].Modern Electronics Technique，2009（6）：178-182.（in Chinese）

[4]王洪君.单片机原理与应用[M].济南：山东大学出版社，2009：191-257.

WANG HONGJUN.The principle and application of single chip microcomputer[M].Jinan：Shandong University Press，2009：191-257.（in Chinese）

[5]周航慈，朱兆优，李跃忠.智能仪器原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：72-78.

ZHOU HANGCI，ZHU ZHAOYOU，LI YUEZHONG.The principle and design of intelligent instrument[M].Beijing：Beihang University Press，2005：72-78.（in Chinese）

[6]范诚亮.基于AT89C55WD单片机的网络通信设计[J].现代电子技术，2006（9）：56-58.

FAN CHENGLIANG.Design of network correspondence based on the AT89C55WD[J].Modern Electronics Technique，2006（9）：56-58.（in Chinese）

[7]陈池，陈峦，任金忠.基于MODBUS协议的RS-485工业现场总线系统[J].装备制造技术，2009（5）：93-96.

CHEN CHI，CHEN LUAN，REN JINZHONG.A RS-485 industrial field bus system based on MODBUS protocol[J].Equipment Manufacturing Technology，2009（5）：93-96.（in Chinese）

[8]应朝龙，王诚成，蔡翔.机载设备ATS 程控电阻设计[J].宇航计测技术，2010，30（5）：32-34.

YING CHAOLONG，WANG CHENGCHENG，CAI XIANG.The design of programmable resistor for ATS of the equipment on aeroplane[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2010，30（5）：32-34.（in Chinese）

[9]张家定，耿协耀，林福严.89C52单片机与液晶显示模块SG19264的接口设计[J].机电工程技术，2006，35（11）：70-72.

ZHANG JIADING，GENG XIEYAO，LIN FUYAN.Interface design of SG19264 LCD module and 89C52 MCU[J].Mechanical &Electrical Engineering Technology，2006，35（11）：70-72.（in Chinese）

[10]秦旭.RS232与RS485接口间的数据自动收发转换设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2002（9）：35-37.

QIN XU.The design of automatic data transceiver conversion between RS232 and RS485 interface[J].Microcontroller &Embedded System，2002（9）：35-37.（in Chinese）

[11]冯平，张治中.基于可调式稳压器LM317的直流稳压电源[J].电子测试，2009（5）：70-73.

FENG PING，ZHANG ZHIZHONG.Based on the LM317 adjustable voltage regulator of DC regulated power supply[J].Electronic Test，2009（5）：70-73.（in Chinese）

[12]吴志伟，丁铂.USB-CAN-RS232 总线转换电路设计及实现[J].国外电子元器件，2006（6）：31-34.

WU ZHIWEI，DING BO.Design and implement of USBCAN-RS232 bus convertion circuit[J].International Electronic Elements，2006（6）：31-34.（in Chinese）