飛機液壓系統油溫地面測試模擬器設計與實現

楊慶華，李樹林，屠曉偉，楊建明

(上海大學機電工程與自動化學院,上海 200444)

0 引言

飛機地面測試是飛機制造過程中的重要環節。隨著數字化技術和計算機技術的發展，傳統人工地面測試已經不能滿足新時代的生產力需求[1]?；诙鄠鞲性O備的地面測試工藝通過對測試過程的標準化，減少僅憑工藝人員經驗為主的人工測試過程，大大提高了生產力。飛機的測試過程總是處于一個動態變化的過程，現場數據采集[2]更新不及時，缺少監控測試過程和反饋信息的有效手段，也缺少對測試執行過程的綜合考慮。相較于國外先進的數字化研發模式，傳統的人工測試已經成為制約國內航空制造業技術發展的極大阻礙[3]。

本文介紹了一種飛機液壓系統油溫地面測試模擬器的設計方案，通過測試需求、測試設計、測試用例、測試執行、測試統計五個模塊，將地面測試標準化和數字化，大大提高了測試過程中的信息傳遞效率，增強了測試人員對于整體測試的把控能力。

1 油溫地面測試模擬器整體設計

1.1 飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構

飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構包括硬件硬件支持層、通信層、數據管理層、應用支撐層、應用層。硬件支持層包括ARM處理器、Wi-Fi模塊、繼電器等設備。通信層采用了傳輸控制協議/網際協議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)和用戶數據報協議(user datagram protocol,UDP)，確保了客戶端、服務器端和硬件設備間的通信。數據管理層采用了MySQL數據庫，通過對象關系映射(object relational mapping,ORM)技術建立數據庫與業務邏輯層的映射關系。應用支撐層采用模型-視圖-控制器(model-view-controller，MVC)架構的Think PHP框架。應用層包含了控制平臺各功能模塊。飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構如圖1所示。

圖1 飛機液壓油溫地面測試管控平臺體系架構

1.2 功能架構

飛機液壓油溫地面測試管控平臺的功能架構主要由用戶管理、設備管理、測試管理、I/O管理和個人中心五部分組成。用戶管理包括了登錄模塊和修改個人信息。I/O管理通過IP、端口等信息添加設備節點。測試管理包括了測試需求、測試設計、測試用例、測試執行和測試統計五部分。個人中心是系統后臺，包括了系統的運行和個人設置等基本信息。飛機液壓油溫地面測試管控平臺的功能架構如圖2所示。

圖2 功能架構

1.3 通信模式

本文設計的飛機液壓系統油溫地面測試模擬器由瀏覽器、服務器和地面設備三部分構成。用戶通過瀏覽器與服務器進行數據交互。系統采用TCP/IP協議，通過I/O管理模塊設置IP地址、I/O端口等信息，支持多設備同時通信。系統后端會獲取前端頁面設備的IP地址、端口等信息，建立Socket接口，與地面測試設備進行通信。系統通信模式如圖3所示。

圖3 系統通信模式

2 系統軟件設計

2.1 軟件設計框架

控制平臺基于國產輕量級Think PHP框架進行開發。該框架秉承極簡原則，基于PHP和Apache協議，致力于解放冗余的開發過程，在Web領域得到了廣泛應用。Think PHP框架基于MVC設計模式，即模型、視圖和控制器[4]，徹底將業務邏輯層和視圖表現層進行剝離，具有邏輯清晰和易維護的優點。

模型是MVC架構的主體部分，包括業務數據和業務邏輯，同時負責訪問和更新持久化數據。模型可以為視圖提供數據，而視圖又可以從不同的角度來表達模型[4]。通過這種一對多的模式，可達到簡化代碼的目的?？刂破髯鳛橐晥D和模型之間的橋梁，負責協調整個應用程序的運作。視圖的作用就是搭建與用戶交互的圖形化界面。

2.2 軟件業務流程

軟件系統采用瀏覽器/服務(browser/server,B/S)架構進行設計。用戶通過瀏覽器與服務器進行交互，并且系統采用了詢問-應答的模式進行數據交換。首先，通過添加I/O設備，以及新建測試需求、測試設計、測試用例的方式建立測試項目；然后，通過測試執行模塊進行控制指令的下發。地面設備收到控制命令以后，首先進行命令解析，執行相應操作以后將采集到的數據進行編碼；然后將結果發送給服務器。服務器經過解碼操作，傳遞給瀏覽器進行展示。業務流程如圖4所示。

圖4 業務流程圖

2.3 用戶管理模塊

本系統的用戶管理模塊以基于角色的訪問控制權限(role-based access control，RBAC)模型為基礎，通過Session中的用戶信息判斷用戶角色，對不同的角色分配不同的權限。不同的權限對應不同的視圖[5]，增強了信息資源的保密性。用戶權限管理分為兩層。第一層是系統登陸時對用戶身份進行驗證，通過數據層的返回值與視圖獲取值判斷用戶名、密碼等信息，從而獲得用戶的合法性和權限。第二層是用戶操作時，根據用戶的角色權限驗證用戶的操作權限，判斷是否滿足操作請求。登錄流程如圖5所示。

圖5 登錄流程圖

后臺操作用戶管理模塊可以對系統用戶進行管理?；谏鲜龅臋嘞蘅刂颇Ｐ瓦M行角色權限設置。用戶管理模塊以表格的形式展示了系統所有用戶的操作權限，包括默認模塊、是否可登錄后臺，用戶名是否有效等權限。

2.4 I/O管理模塊

設備管理結構如圖6所示。

圖6 設備管理結構

I/O管理模塊采用樹狀結構來管理系統的I/O設備。用戶可以新建一個根節點來維護自己的測試設備。子節點代表同一個IP地址下的設備。相同IP地址下的設備按照ID來區分。這樣的結構既便于存儲和管理，又能提高設備節點的復用率。測試人員可以通過不同的根節點尋找需要的測試設備節點，并將其添加在需要的測試設計中。

2.5 測試管理模塊

測試管理模塊包含測試需求、測試設計、測試用例、測試執行、測試統計五部分。測試需求可以添加測試項目的名稱和描述。測試設計針對測試需求制定，包括具體的測試項目進行控制命令的設置和測試設備的選擇。測試用例可以添加多個測試設計進行組合測試。測試執行選擇測試用例進行測試。測試統計是對測試結果進行統計。統計后期包括測試正確率和測試項。

針對航空測試設備的復雜性，特殊測試項目需要人為參與。測試設計中提供了自動測試和手動測試兩種模式。自動測試需要用戶選擇相應的測試設備和控制指令。手動測試則需要填寫相應的測試項目和預期的測試結果。當程序執行到相應的測試模式時，自動測試會建立Socket通信，進行控制命令的下發和數據的采集。手動測試則會在界面上顯示詳細的測試過程以等待人工測試，并且提供超時提醒。測試執行流程如圖7所示。

圖7 測試執行流程圖

2.6 關鍵技術

本系統的軟件部分是基于Think PHP框架進行設計的。該框架使用了ORM技術與數據庫進行映射。ORM技術是一種通過解釋邏輯層的對象與數據層關系的映射關系，從而將對象持久化到數據庫的技術。簡而言之，就是建立數據層與邏輯層的聯系，簡化邏輯層訪問數據層的操作步驟，隱藏了數據訪問和細節，使開發人員專注于邏輯開發，從而大大降低代碼的冗余性、節省系統資源。

Think PHP框架采用的ORM模型具有Active Record模式屬性,是一種改進型ORM模型。該模型中：表映射到類；記錄(集)映射到對象；字段屬性映射到對象的虛擬屬性[6-7]。該模型最大的進步就是進一步簡化了開發過程。

Think PHP框架在進行數據交互的時候運用了Ajax技術。其開發核心是XHR對象，使用前臺腳本創建相應的對象，通過實例向后臺發送HTTP請求；后臺響應并通過Ajax得到處理后的數據。瀏覽器在頁面無刷新前提下與后臺交換數據，對網頁內容進行局部刷新，減輕服務器和帶寬的負擔，降低網絡數據流量[8]。

Ajax與ThinkAjax對比如圖8所示。

圖8 Ajax與ThinkAjax對比

通過與傳統Ajax技術比較可以發現，ThinkAjax相當于一個中間件，使客戶端可以直接通過該中間件進行前后端的數據傳遞。這就避免了大量的Ajax代碼冗余、降低了開發難度，使開發人員更加專注于邏輯開發。

3 系統硬件設計

模擬器使用ARM處理器進行編碼，通過控制不同電阻值的通斷以獲取不同的電阻值。不同的電阻值對應不同的油箱溫度。

阻值與溫度對應表如表1所示。

表1 阻值與溫度對應表

系統硬件連接如圖9所示。

圖9 系統硬件連接圖

設計采用模塊化設計準則，主要分為四大模塊：主控模塊、Wi-Fi模塊、電源管理模塊、溫度控制模塊。主控模塊使用stm32f103c8t6處理器進行數據處理，具有穩定性高、讀寫速度快、功耗低[9]等特點，能夠滿足航空地面測試的需求。Wi-Fi模塊采用ESP8266WIFI，其抗干擾能力強、傳輸可靠、功耗低。電源管理模塊由充電保護模塊、過熱保護模塊、穩壓模塊組成。

溫度控制模塊使用HFD4/5繼電器和不同規格的電阻，采用不同精度的固定值電阻與繼電器相結合的方式，通過控制繼電器的通斷，控制串聯電阻的大小。如圖9所示，電路中的電阻阻值范圍為0.1～512 Ω，后一個電阻是前一個電阻的2倍。采用進制算法計算所需要的阻值，由于最小電阻為0.1 Ω，所以模擬器的精度為0.1 Ω。最大阻值為所有電阻阻值之和。

4 系統測試與分析

測試平臺將測試流程規范化，通過測試管理模塊進行測試項目的設計與執行，并且統計測試結果，極大地加快了測試進度。

系統依賴框架的權限-角色機制[10]進行系統權限分配，實現了系統信息的可控，也簡化了測試流程。

測試設計的時候加入了自動模式和手動模式的選擇，加強了測試的靈活性。經過測試，軟件平臺各部分功能良好。

系統硬件支撐層的溫度控制模塊采用繼電器與電阻并聯的方案，在一定范圍內實現了用有限個電阻組合成所有電阻值的目標。通常認為，繼電器的電阻接近于無窮大，因此不考慮繼電器阻值對于模擬器的影響。但是實際的繼電器阻值是一個定值，所以理論值與實際模擬器的阻值存在誤差。

模擬器阻值測試如表2所示。

由表2可知，測量值與實際值有一定的誤差，但最大誤差為0.25%，對于航空模擬油溫系統來說該影響可以忽略不計?？傮w來說，系統運行正常，達到了設計的目的，能夠實現油溫模擬測量的目標。

表2 模擬器阻值測試表

5 結論

本文介紹了一種飛機液壓系統油溫地面測試模擬器的設計與實現，通過設計標準化的測試流程，實現了航空地面測試的數字化。系統架構包括硬件支持層、通信層、數據管理層、應用支撐層、應用層五部分。軟件部分實現的主要功能是用戶權限驗證與登錄、I/O設備管理、測試管理三個部分。整個系統基于Think PHP框架搭建，借助于框架底層成熟的ORM技術建立系統與數據庫的映射關系，并且依托于內置的ThinkAjax引擎簡化Ajax代碼開發過程、降低系統開發周期。硬件設計部分使用ARM處理器編碼。繼電器與定值電阻進行并聯再串聯的方式可模擬一定范圍的電阻阻值，從而反映油溫情況。

本文通過對幾組電阻阻值的測試發現：由于繼電器存在一定的阻值，導致理論值與實際值有些誤差。但是，該誤差很小，不影響油溫系統的模擬測量。

油溫模擬器的實現為地面測試提供了一個全新的思路，測試流程的標準化和通信系統的建立可以增強系統的擴展性。后期可以設計各種各樣的傳感器，實現地面測試的全數字化、流程化管理，從而提高地面測試的速度、準確度和穩定性。