面向电气执行装置测试的便携式平台

Author(s):
Alan Barlow，资深软件与仪器系统工程师 - Conekt (英国)

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Software, Data Acquisition

The Challenge:
开发一个完全可移植的航空电气执行装置测试系统——该系统不仅可以在不同场所之间移植，而且还支持广泛的具有不同控制策略的执行装置变异体。我们的航空客户需要在其工程开发部门、客户场所和Conekt 公司的UKAS 认证测试实验室使用该系统。

The Solution:
设计和构建一个组合了商业现成可用的硬件和专用电路的、紧凑而坚固的测试设备， 这些硬件和电路均可以通过一个利用NI LabVIEW软件编写的定制软件包进行控制。该设备能够处理所需执行装置的各种现有变异体，而且具备支持其他变异体的潜力。与所有的Conekt 公司的解决方案相似，该测试设备具有用户界面直观且易于使用的特性，而且该设备也经过形式化验证过程的充分测试来确保满意的操作。

作为一个UKAS 认可的专长于航空验证测试的机构，Conekt 应要求为一个面向一系列电气执行装置的测试项目提供支持。这项支持的一部分便是，我们提供一组能够在设计过程的不同阶段执行并监测电气执行装置的测试设备，从工程开发到验证测试和客户验收测试。为应对功能需求和开发进度的挑战，Conekt 公司设计了一项基于NI 技术的解决方案。

航空客户需要一个完全可移植的最终系统，该系统不仅要能够工作于英国和美国的常用电压，而且要足够坚固以承受运输过程中可能发生的难免的冲击和刮擦。

测试设备设计
除向一台具有直观用户界面和有效单元控制的测试设备提供其隐含的所有标准挑战之外，该测试设备还应当能够兼容种类繁多的旋转单元和线性单元，每一种单元类型都具有不同的复杂度。有些执行装置需要直接控制马达绕组，而其他的执行装置仅需发出打开与关闭指令便可工作于更高的层次。利用该测试设备，用户可以指定各种类型的操作，并测量包括位置、电流和速度等各种性能参数。该设备以有效且用户友好的方式处理执行装置的所需各种变异体，监测并显示各种单元类型的相应信息，并可以选择将数据录入到文件以供后续离线分析。所提供的系统还支持用户选择多种外部温度和电压，以供显示和录入使用，进而支持在录入文件中维护测试环境的详细记录。还可以给每个测量参数设定一个用户定义的失败范围，以提供单元的快速性能评估。

硬件配置
考虑到系统需要测量与产生的信号种类繁多，NI产品凭借其精度与灵活性，成为必然的选择。我们选择NI USB-6216 设备处理大量的信号接口。该设备利用其模拟和数字输入与输出的组合，以及两个计数器/ 定时器，为系统提供了完美的基础。作为一台M系列设备，USB-6216提供了绰绰有余的精度水平，而USB外形尺寸与集成的端子模块相结合，确保了设备的尺寸最小化。内置的隔离功能也确保了系统受保护，以免除意外的瞬间电流或施加到产品连接端子的不正确电压。

我们利用NI USB-9211A 监测外部热电偶的输入信号。再次强调，该M系列设备实现了该设备外形条件下的功能最大化。利用所需的最小空间，M系列设备提供了四个温度值的测量，而且均通过同一个USB 端口进行控制。与所有的NI 硬件相似，NI 软件开发环境的集成确保了对客户需求的关注，而非不同系统组件间接口的管理。

除了上述硬件之外，我们还需要其他商业可用的PCI板卡形式的接口模块，以监测执行装置。随板卡提供的LabVIEW 驱动程序，可以确保我们方便地将PCI 板卡集成到系统中。

考虑到PCI 板卡的需求，我们不得不寻找合适的PC。由于我们的最初需求是一个便携式系统，所以我们选择了一个坚固的、不带有风扇的工业PC，它所占用的空间少于一台标准台式PC 空间的25%。同时为了满足紧凑测试系统的需要，它提供了一个可以使用LabVIEW 开发环境的强健平台。

为使系统完整自包含，该封装还包含了一个电源，它为受测单元、一些用于单元控制与监测的定制电路和一个系统降温风扇提供能量。

最终解决方案如图1 所示。前面板提供外部温度输入，而且可以方便地访问工业PC 的状态指示灯和USB 连接（详见图2）。

图1.执行装置测试设备系统布局

图2.执行装置测试设备前面板

软件配置
我们以软件的方式实现了相当一部分的系统功能特性。考虑到混合信号的性质和采用让所有接口硬件都易于使用的驱动程序，LabVIEW 是该类型测试设备的自然选择。

我们通过Conekt 公司内部NI 认证的开发人员，利用结构化方式设计该软件，以确保最终结果有力可靠而且可以有效生成。

我们能够利用我们的测试设备设计经验，以及LabVIEW 环境的灵活性与易于使用性，生成不仅易于使用而且功能丰富的用户界面。在用户界面背后，我们实现了一个生产者/ 消费者模式，以确保接口的响应能力不受任何阶段的快速数据采集和录入工作的影响。

我们利用ini 文件系统设计了系统配置的灵活特性，确保客户能够根据需要在未来某个时刻利用ini 文件的基于文本的直观布局，增加或编辑执行装置的配置。为使系统性能的优势最大化，我们实现了两种不同的数据录入方式，而且这两种方式可以同时采用。一种录入文件格式记录了测试数据的摘要，从而提供了单元性能在整个测试运行周期（这可能要持续数日）的概览；而另一种记录文件格式记录了完整的运动描述文件，包含位置、电压、电流和以200 赫兹频率录入的外部输入数据。

系统交付
我们按照严格的质量标准以及客户指定的质量规程交付该系统。一组广泛的验收测试的定义和执行，使我们的客户相信所交付的每一个测试设备都满足了特定的需求并符合其工作目的。