通航音频控制器测试设备的设计与实现

引言

音频控制器是通航综合航电系统中的一个重要组件,是航电系统中用于机组人员内外部沟通的中间部件,因此在交付前需进行音频相关特性测试。传统测试方式存在诸多问题,需研发新型测试设备以满足测试验证要求。本文将基于音频控制器自身特性,进行测试设备的需求分析,进而进行整体架构及软硬件设计,设计并实现测试用例,提升测试性能及覆盖率。

1通航音频控制器概述

音频控制器由机箱和按键面板组成,其上驻留有应用软件,与飞行显示器、机组麦克风及耳机、乘客/乘务员耳机、客舱扬声器、电台和电源等互联,具有通话模式切换、语音信号处理、信号采集及输出、语音告警、数据通信、健康管理等功能。当安装在机舱托架时,驾驶员可通过飞行显示器操作对其通信频道进行设置,根据需要按压不同按键和开关对音频通路进行切换操作,实现驾驶员舱内通话、电台语音通话、乘客语音广播等语音功能;在通过高速总线收到故障数据后,可按优先级顺序向飞行员播放对应告警语音,提醒其做出相应处理。其软件亦具有维护功能,在启动后可自动进行设备自检并上报结果,在运行过程中周期自检[1]。

因音频控制器主要输入、输出为模拟音频信号,其传统测试方式为外接麦克风、耳机,通过人工对讲及耳听方式进行手动测试。该产品的传统测试过程主要由以下步骤组成,大都需要人工进行操作:

步骤1,被测设备上电,进入工作状态。

步骤2,进行手动测试操作(按键切换通话模式、离散量,一人对麦克风说话,一人戴耳机听取)。

步骤3,结果记录及分析。

对以上测试过程进行分析,存在如下缺点:1)测试覆盖率方面:仅有定性测试结果,无法测试产品性能指标,不能验证产品音频信号质量[2]。2)测试成本方面:需测试人员全程参与,在进行诸如环境试验、鉴定试验等试验时人员成本较高。3)测试效率方面:人工进行完整测试时间较长,短时间测试(如振动测试)时不能对所有通路进行测试。

为解决以上问题,结合产品设计及测试技术的发展和应用,对测试过程进行分析,其可优化部分如下:

步骤1测试设备准备和步骤2按键切换通话模式需要人工操作,其他步骤可通过以下手段实现自动化:1)使用程控测试设备模拟音频及离散量输入、采集输出。2)电源设备的远程控制。3)测试操作的自动运行、分析及记录。

2测试设备需求分析

为解决音频控制器传统测试中存在的种种问题,需要根据其功能、接口等特性进行测试设备需求分析,并进行相应功能及架构设计,以优化对音频控制器的测试验证过程。

2.1测试设备使用场景分析

测试设备应能支持音频控制器在包括调试、环境试验、验证验收等多种场景下的测试验证使用,为此需结合使用场景和音频控制器技术特性进行测试设备需求分析。

2.2测试设备功能需求分析

测试设备应具有以下功能:1)音频信号输入模拟功能及输出采集功能;2)音频信号性能分析功能(如失真度、信噪比、响度等)[3];3)高速总线通信功能;4)离散量模拟功能;5)配电功能;6)测试控制及管理功能。

2.3测试设备接口需求分析

经分析,测试设备需要具备以下接口:1)程控接口:测试设备需要通过程控接口进行配电操作,控制激励板卡等测试资源,获取各环境试验设备状态信息;2)多路音频信号输出采集接口:用于采集音频控制器对驾驶员耳机、机场塔台、客舱等的音频输出信号;3)多路音频信号模拟接口:用于模拟驾驶员麦克风、机场塔台对音频控制器的音频输入信号;4)多路高速总线接口:此例中为RS422;5)多路离散量信号采集接口;6)供电接口;7)以太网接口:测试设备需要通过以太网接口接入试验室控制网络,接收测试控制指令,上传测试结果及数据。

3测试设备架构设计

基于上述需求分析,本文设计了可与试验室控制系统联合使用的通航音频控制器测试设备。该平台由主控机、程控电源、激励板卡、音频分析仪、接口适配器、测试线缆等设备组成,可满足对音频控制器的测试需要。

3.1平台整体结构

结合音频控制器的产品需求、设计文档等技术资料,并参考借鉴相关类似产品的测试设计方法,综合考虑被测设备的实际使用场景,设计研发并实现了音频控制器测试设备。该平台能够实现对被测设备—音频控制器的总线通信、接口自动测试和不同语音模式下的半自动测试。测试设备整体设计如图1所示。测试设备整体设计主要分为硬件设计和软件设计两部分。硬件部分设计以主控计算机为中心,通过数据总线方式与测试资源相连,执行控制操作。测试相关资源主要包括:测试仪器(如数字示波器、电压仪等)、音频分析仪[4]、多功能串口卡等。测试设备接口适配器通过测试线缆与被测设备相连,从而实现对其的性能、功能测试[1]。此平台上搭载测试软件,实现测试控制、日志记录、调试支持等功能。

3.2硬件设计

测试设备硬件设计思路是将测试资源尽量集成化,以减少测试连接,简化测试操作,提高测试效率。最终设计方案是采用以主控计算机为人机交互平台的主体,采用PXI机箱,音频分析仪、多功能串口卡、离散量板卡、程控电源等测试资源均与主控计算机集成,最终通过接口适配器与被测件相连。

硬件架构图如图2所示。

主控计算机对内实现对测试资源(如程控电源、音频分析仪等)的控制,提供音频控制器所需的总线信号、离散量信号'实现对音频控制器输出的离散量信号的采集。对外则通过接口适配器与被测设备相连,并设计信号断连面板,引出离散量、音频模拟信号等信号接口,供调试时接入万用表、示波器等测试仪器和验收计量时接入计量仪器使用。

3.3软件设计

设计过程主要包括软件界面设计、测试控制逻辑设计、测试数据记录设计、测试设备自检功能等步骤。测试设备软件使用PYQt进行界面设计和功能实现。软件界面主要包括初始化界面、自检界面、测试执行界面和结果查看界面等。软件功能采用模块化的设计方法,使整个软件结构清晰,便于后续维护和升级。功能模块主要包括启动模块、自检模块、测试控制模块、测试数据记录模块等。

软件架构如图3所示。

各功能模块详细描述如下:1)启动模块:对软件进行初始化检测,检测内容包括数据库、配置文件、用户权限等。2)自检模块:对测试设备的测试资源进行自检,确认其可用状态。3)测试控制模块:可分别读取两被测件的测试配置文件,加载对应自动测试流程,依序输出控制信息,按配置循环调用测试程序,并监控其运行过程中可能发出的告警信息'获取测试结果并显示。4)测试数据记录模块:与测试控制模块交互'持续获取测试相关数据并记录在日志中'在测试结束后生成指定格式测试报告(如word),可支持产品排故等。

3.4测试设计及实现

为实现对音频控制器的功能性能需求测试覆盖'开发了一套测试用例及程序'其中典型测试设计及实现方式如下。

3.4.1音频通信功能测试

3.4.1.1测试设计

此用例主要测试的是音频控制器的音频信号输出功能,因此在全部模式下测试,即向主驾麦克风输入音频信号后,此信号会通过所有音频输出接口(主副驾、客舱、扬声器等)输出。通过采集各路音频输出与输入信号对比,计算各通路音频信号质量(失真度、信噪比等)是否满足要求。

3.4.1.2测试实现

在实现对音频信号质量的定性测试时'测试程序调用音频分析仪发送接口'在被测设备音频响应范围内生成多个不同频率的正弦波信号输出给UUT指定输入接口(如主、副驾)'并调用音频分析仪采集接口采集UUT所有音频输出接口的输出。进行结果判定时'测试程序需要将每个通路的输出音频信号与输入进行比较'计算其一致性指标及信号质量指标是否符合要求(如信号失真度、信噪比等性能参数)。在失真度和信噪比测试中'测试开始前需通过程控接口固定音频分析仪的通道放大倍数。在此失真度测试中'主要测试的是谐波失真率THD。在信噪比测试中'考虑音频控制器主要用于语音通话'故在信噪比计算方式中采用“A计权”方式[5]。

3.4.2信号通路切换测试

3.4.2.1测试设计

此功能用于测试音频控制器的音频输出通路切换功能,即在不同模式下,设备会将同一接口的输入音频信号输出到不同输出接口,例如在“全部模式”下,客舱耳机可收到主驾麦克风音频信号,而在“主驾模式”下则不能。在传统测试中,此项测试是通过一测试人员对不同麦克风说话,另一测试人员佩戴不同输出耳机倾听是否有声音的方式测试的,但使用此种测试方法覆盖四种模式下三种输入源、四种输出接口所有通路切换方式非常费时费力,导致实际测试时一般只选取部分通路进行测试。

3.4.2.2测试实现

采用半自动测试方式,除少量手动操作(即模式切换)以外,其余音频生成、采集、结果判定等部分均由程序自动完成。测试程序首先采集各音频接口空闲状态下的环境噪声,随后向被测设备输入模拟音频信号,并再次采集各音频接口输出。判定时,首先判定各应有输出的接口是否按模式配置输出(与噪声水平进行对比,判定输出信号响度是否正常)、信噪比是否满足要求,其次判定各理应无输出的接口输出是否正确、是否受到串音干扰[6]。

3.5实现结果

利用通航音频控制器测试设备针对两部音频控制器全部功能性能进行了半自动测试,实现了需求百分百覆盖,并显著提高了测试效率[7],降低了测试操作数量及难度,实现了对音频控制器的快速、全面、便捷测试。

4结束语

音频控制器是通航航电系统中的重要交互组件,是驾驶舱内外进行沟通的桥梁,基于对此类部件的检测需求,本文分析、设计、研发了通航音频控制器测试设备,实现了测试平台的整体架构及软硬件设计,并集成封装了各类测试资源的驱动接口,实现了测试程序对测试资源的自动调用、测试,并在测试界面显示结果。经实践,该设备可在少量人工操作下实现对被测设备功能和性能的半自动测试,并将故障信息显示到测试界面,显著提高了测试效率。