通航音頻控制器測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

音頻控制器是通航綜合航電系統(tǒng)中的一個(gè)重要組件,是航電系統(tǒng)中用于機(jī)組人員內(nèi)外部溝通的中間部件,因此在交付前需進(jìn)行音頻相關(guān)特性測(cè)試。傳統(tǒng)測(cè)試方式存在諸多問題,需研發(fā)新型測(cè)試設(shè)備以滿足測(cè)試驗(yàn)證要求。本文將基于音頻控制器自身特性,進(jìn)行測(cè)試設(shè)備的需求分析,進(jìn)而進(jìn)行整體架構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例,提升測(cè)試性能及覆蓋率。

1通航音頻控制器概述

音頻控制器由機(jī)箱和按鍵面板組成,其上駐留有應(yīng)用軟件,與飛行顯示器、機(jī)組麥克風(fēng)及耳機(jī)、乘客/乘務(wù)員耳機(jī)、客艙揚(yáng)聲器、電臺(tái)和電源等互聯(lián),具有通話模式切換、語音信號(hào)處理、信號(hào)采集及輸出、語音告警、數(shù)據(jù)通信、健康管理等功能。當(dāng)安裝在機(jī)艙托架時(shí),駕駛員可通過飛行顯示器操作對(duì)其通信頻道進(jìn)行設(shè)置,根據(jù)需要按壓不同按鍵和開關(guān)對(duì)音頻通路進(jìn)行切換操作,實(shí)現(xiàn)駕駛員艙內(nèi)通話、電臺(tái)語音通話、乘客語音廣播等語音功能;在通過高速總線收到故障數(shù)據(jù)后,可按優(yōu)先級(jí)順序向飛行員播放對(duì)應(yīng)告警語音,提醒其做出相應(yīng)處理。其軟件亦具有維護(hù)功能,在啟動(dòng)后可自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備自檢并上報(bào)結(jié)果,在運(yùn)行過程中周期自檢[1]。

因音頻控制器主要輸入、輸出為模擬音頻信號(hào),其傳統(tǒng)測(cè)試方式為外接麥克風(fēng)、耳機(jī),通過人工對(duì)講及耳聽方式進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試。該產(chǎn)品的傳統(tǒng)測(cè)試過程主要由以下步驟組成,大都需要人工進(jìn)行操作:

步驟1,被測(cè)設(shè)備上電,進(jìn)入工作狀態(tài)。

步驟2,進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試操作(按鍵切換通話模式、離散量,一人對(duì)麥克風(fēng)說話,一人戴耳機(jī)聽取)。

步驟3,結(jié)果記錄及分析。

對(duì)以上測(cè)試過程進(jìn)行分析,存在如下缺點(diǎn):1)測(cè)試覆蓋率方面:僅有定性測(cè)試結(jié)果,無法測(cè)試產(chǎn)品性能指標(biāo),不能驗(yàn)證產(chǎn)品音頻信號(hào)質(zhì)量[2]。2)測(cè)試成本方面:需測(cè)試人員全程參與,在進(jìn)行諸如環(huán)境試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)等試驗(yàn)時(shí)人員成本較高。3)測(cè)試效率方面:人工進(jìn)行完整測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng),短時(shí)間測(cè)試(如振動(dòng)測(cè)試)時(shí)不能對(duì)所有通路進(jìn)行測(cè)試。

為解決以上問題,結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,對(duì)測(cè)試過程進(jìn)行分析,其可優(yōu)化部分如下:

步驟1測(cè)試設(shè)備準(zhǔn)備和步驟2按鍵切換通話模式需要人工操作,其他步驟可通過以下手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化:1)使用程控測(cè)試設(shè)備模擬音頻及離散量輸入、采集輸出。2)電源設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。3)測(cè)試操作的自動(dòng)運(yùn)行、分析及記錄。

2測(cè)試設(shè)備需求分析

為解決音頻控制器傳統(tǒng)測(cè)試中存在的種種問題,需要根據(jù)其功能、接口等特性進(jìn)行測(cè)試設(shè)備需求分析,并進(jìn)行相應(yīng)功能及架構(gòu)設(shè)計(jì),以優(yōu)化對(duì)音頻控制器的測(cè)試驗(yàn)證過程。

2.1測(cè)試設(shè)備使用場(chǎng)景分析

測(cè)試設(shè)備應(yīng)能支持音頻控制器在包括調(diào)試、環(huán)境試驗(yàn)、驗(yàn)證驗(yàn)收等多種場(chǎng)景下的測(cè)試驗(yàn)證使用,為此需結(jié)合使用場(chǎng)景和音頻控制器技術(shù)特性進(jìn)行測(cè)試設(shè)備需求分析。

2.2測(cè)試設(shè)備功能需求分析

測(cè)試設(shè)備應(yīng)具有以下功能:1)音頻信號(hào)輸入模擬功能及輸出采集功能;2)音頻信號(hào)性能分析功能(如失真度、信噪比、響度等)[3];3)高速總線通信功能;4)離散量模擬功能;5)配電功能;6)測(cè)試控制及管理功能。

2.3測(cè)試設(shè)備接口需求分析

經(jīng)分析,測(cè)試設(shè)備需要具備以下接口:1)程控接口:測(cè)試設(shè)備需要通過程控接口進(jìn)行配電操作,控制激勵(lì)板卡等測(cè)試資源,獲取各環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)信息;2)多路音頻信號(hào)輸出采集接口:用于采集音頻控制器對(duì)駕駛員耳機(jī)、機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)、客艙等的音頻輸出信號(hào);3)多路音頻信號(hào)模擬接口:用于模擬駕駛員麥克風(fēng)、機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)對(duì)音頻控制器的音頻輸入信號(hào);4)多路高速總線接口:此例中為RS422;5)多路離散量信號(hào)采集接口;6)供電接口;7)以太網(wǎng)接口:測(cè)試設(shè)備需要通過以太網(wǎng)接口接入試驗(yàn)室控制網(wǎng)絡(luò),接收測(cè)試控制指令,上傳測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)。

3測(cè)試設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述需求分析,本文設(shè)計(jì)了可與試驗(yàn)室控制系統(tǒng)聯(lián)合使用的通航音頻控制器測(cè)試設(shè)備。該平臺(tái)由主控機(jī)、程控電源、激勵(lì)板卡、音頻分析儀、接口適配器、測(cè)試線纜等設(shè)備組成,可滿足對(duì)音頻控制器的測(cè)試需要。

3.1平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

結(jié)合音頻控制器的產(chǎn)品需求、設(shè)計(jì)文檔等技術(shù)資料,并參考借鑒相關(guān)類似產(chǎn)品的測(cè)試設(shè)計(jì)方法,綜合考慮被測(cè)設(shè)備的實(shí)際使用場(chǎng)景,設(shè)計(jì)研發(fā)并實(shí)現(xiàn)了音頻控制器測(cè)試設(shè)備。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備—音頻控制器的總線通信、接口自動(dòng)測(cè)試和不同語音模式下的半自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試設(shè)備整體設(shè)計(jì)如圖1所示。測(cè)試設(shè)備整體設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件部分設(shè)計(jì)以主控計(jì)算機(jī)為中心,通過數(shù)據(jù)總線方式與測(cè)試資源相連,執(zhí)行控制操作。測(cè)試相關(guān)資源主要包括:測(cè)試儀器(如數(shù)字示波器、電壓儀等)、音頻分析儀[4]、多功能串口卡等。測(cè)試設(shè)備接口適配器通過測(cè)試線纜與被測(cè)設(shè)備相連,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其的性能、功能測(cè)試[1]。此平臺(tái)上搭載測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制、日志記錄、調(diào)試支持等功能。

3.2硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試設(shè)備硬件設(shè)計(jì)思路是將測(cè)試資源盡量集成化,以減少測(cè)試連接,簡(jiǎn)化測(cè)試操作,提高測(cè)試效率。最終設(shè)計(jì)方案是采用以主控計(jì)算機(jī)為人機(jī)交互平臺(tái)的主體,采用PXI機(jī)箱,音頻分析儀、多功能串口卡、離散量板卡、程控電源等測(cè)試資源均與主控計(jì)算機(jī)集成,最終通過接口適配器與被測(cè)件相連。

硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

主控計(jì)算機(jī)對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試資源(如程控電源、音頻分析儀等)的控制,提供音頻控制器所需的總線信號(hào)、離散量信號(hào)'實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻控制器輸出的離散量信號(hào)的采集。對(duì)外則通過接口適配器與被測(cè)設(shè)備相連,并設(shè)計(jì)信號(hào)斷連面板,引出離散量、音頻模擬信號(hào)等信號(hào)接口,供調(diào)試時(shí)接入萬用表、示波器等測(cè)試儀器和驗(yàn)收計(jì)量時(shí)接入計(jì)量?jī)x器使用。

3.3軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程主要包括軟件界面設(shè)計(jì)、測(cè)試控制邏輯設(shè)計(jì)、測(cè)試數(shù)據(jù)記錄設(shè)計(jì)、測(cè)試設(shè)備自檢功能等步驟。測(cè)試設(shè)備軟件使用PYQt進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。軟件界面主要包括初始化界面、自檢界面、測(cè)試執(zhí)行界面和結(jié)果查看界面等。軟件功能采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,使整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)清晰,便于后續(xù)維護(hù)和升級(jí)。功能模塊主要包括啟動(dòng)模塊、自檢模塊、測(cè)試控制模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)記錄模塊等。

軟件架構(gòu)如圖3所示。

各功能模塊詳細(xì)描述如下:1)啟動(dòng)模塊:對(duì)軟件進(jìn)行初始化檢測(cè),檢測(cè)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)庫、配置文件、用戶權(quán)限等。2)自檢模塊:對(duì)測(cè)試設(shè)備的測(cè)試資源進(jìn)行自檢,確認(rèn)其可用狀態(tài)。3)測(cè)試控制模塊:可分別讀取兩被測(cè)件的測(cè)試配置文件,加載對(duì)應(yīng)自動(dòng)測(cè)試流程,依序輸出控制信息,按配置循環(huán)調(diào)用測(cè)試程序,并監(jiān)控其運(yùn)行過程中可能發(fā)出的告警信息'獲取測(cè)試結(jié)果并顯示。4)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄模塊:與測(cè)試控制模塊交互'持續(xù)獲取測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)并記錄在日志中'在測(cè)試結(jié)束后生成指定格式測(cè)試報(bào)告(如word),可支持產(chǎn)品排故等。

3.4測(cè)試設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻控制器的功能性能需求測(cè)試覆蓋'開發(fā)了一套測(cè)試用例及程序'其中典型測(cè)試設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方式如下。

3.4.1音頻通信功能測(cè)試

3.4.1.1測(cè)試設(shè)計(jì)

此用例主要測(cè)試的是音頻控制器的音頻信號(hào)輸出功能,因此在全部模式下測(cè)試,即向主駕麥克風(fēng)輸入音頻信號(hào)后,此信號(hào)會(huì)通過所有音頻輸出接口(主副駕、客艙、揚(yáng)聲器等)輸出。通過采集各路音頻輸出與輸入信號(hào)對(duì)比,計(jì)算各通路音頻信號(hào)質(zhì)量(失真度、信噪比等)是否滿足要求。

3.4.1.2測(cè)試實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)質(zhì)量的定性測(cè)試時(shí)'測(cè)試程序調(diào)用音頻分析儀發(fā)送接口'在被測(cè)設(shè)備音頻響應(yīng)范圍內(nèi)生成多個(gè)不同頻率的正弦波信號(hào)輸出給UUT指定輸入接口(如主、副駕)'并調(diào)用音頻分析儀采集接口采集UUT所有音頻輸出接口的輸出。進(jìn)行結(jié)果判定時(shí)'測(cè)試程序需要將每個(gè)通路的輸出音頻信號(hào)與輸入進(jìn)行比較'計(jì)算其一致性指標(biāo)及信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)是否符合要求(如信號(hào)失真度、信噪比等性能參數(shù))。在失真度和信噪比測(cè)試中'測(cè)試開始前需通過程控接口固定音頻分析儀的通道放大倍數(shù)。在此失真度測(cè)試中'主要測(cè)試的是諧波失真率THD。在信噪比測(cè)試中'考慮音頻控制器主要用于語音通話'故在信噪比計(jì)算方式中采用“A計(jì)權(quán)”方式[5]。

3.4.2信號(hào)通路切換測(cè)試

3.4.2.1測(cè)試設(shè)計(jì)

此功能用于測(cè)試音頻控制器的音頻輸出通路切換功能,即在不同模式下,設(shè)備會(huì)將同一接口的輸入音頻信號(hào)輸出到不同輸出接口,例如在“全部模式”下,客艙耳機(jī)可收到主駕麥克風(fēng)音頻信號(hào),而在“主駕模式”下則不能。在傳統(tǒng)測(cè)試中,此項(xiàng)測(cè)試是通過一測(cè)試人員對(duì)不同麥克風(fēng)說話,另一測(cè)試人員佩戴不同輸出耳機(jī)傾聽是否有聲音的方式測(cè)試的,但使用此種測(cè)試方法覆蓋四種模式下三種輸入源、四種輸出接口所有通路切換方式非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力,導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試時(shí)一般只選取部分通路進(jìn)行測(cè)試。

3.4.2.2測(cè)試實(shí)現(xiàn)

采用半自動(dòng)測(cè)試方式,除少量手動(dòng)操作(即模式切換)以外,其余音頻生成、采集、結(jié)果判定等部分均由程序自動(dòng)完成。測(cè)試程序首先采集各音頻接口空閑狀態(tài)下的環(huán)境噪聲,隨后向被測(cè)設(shè)備輸入模擬音頻信號(hào),并再次采集各音頻接口輸出。判定時(shí),首先判定各應(yīng)有輸出的接口是否按模式配置輸出(與噪聲水平進(jìn)行對(duì)比,判定輸出信號(hào)響度是否正常)、信噪比是否滿足要求,其次判定各理應(yīng)無輸出的接口輸出是否正確、是否受到串音干擾[6]。

3.5實(shí)現(xiàn)結(jié)果

利用通航音頻控制器測(cè)試設(shè)備針對(duì)兩部音頻控制器全部功能性能進(jìn)行了半自動(dòng)測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了需求百分百覆蓋,并顯著提高了測(cè)試效率[7],降低了測(cè)試操作數(shù)量及難度,實(shí)現(xiàn)了對(duì)音頻控制器的快速、全面、便捷測(cè)試。

4結(jié)束語

音頻控制器是通航航電系統(tǒng)中的重要交互組件,是駕駛艙內(nèi)外進(jìn)行溝通的橋梁,基于對(duì)此類部件的檢測(cè)需求,本文分析、設(shè)計(jì)、研發(fā)了通航音頻控制器測(cè)試設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)的整體架構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì),并集成封裝了各類測(cè)試資源的驅(qū)動(dòng)接口,實(shí)現(xiàn)了測(cè)試程序?qū)y(cè)試資源的自動(dòng)調(diào)用、測(cè)試,并在測(cè)試界面顯示結(jié)果。經(jīng)實(shí)踐,該設(shè)備可在少量人工操作下實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)設(shè)備功能和性能的半自動(dòng)測(cè)試,并將故障信息顯示到測(cè)試界面,顯著提高了測(cè)試效率。