通航音頻控制器測試設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

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

1通航音頻控制器概述

音頻控制器由機箱和按鍵面板組成,其上駐留有應(yīng)用軟件,與飛行顯示器、機組麥克風(fēng)及耳機、乘客/乘務(wù)員耳機、客艙揚聲器、電臺和電源等互聯(lián),具有通話模式切換、語音信號處理、信號采集及輸出、語音告警、數(shù)據(jù)通信、健康管理等功能。當(dāng)安裝在機艙托架時,駕駛員可通過飛行顯示器操作對其通信頻道進行設(shè)置,根據(jù)需要按壓不同按鍵和開關(guān)對音頻通路進行切換操作,實現(xiàn)駕駛員艙內(nèi)通話、電臺語音通話、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)先級順序向飛行員播放對應(yīng)告警語音,提醒其做出相應(yīng)處理。其軟件亦具有維護功能,在啟動后可自動進行設(shè)備自檢并上報結(jié)果,在運行過程中周期自檢[1]。

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

步驟1,被測設(shè)備上電,進入工作狀態(tài)。

步驟2,進行手動測試操作(按鍵切換通話模式、離散量,一人對麥克風(fēng)說話,一人戴耳機聽取)。

步驟3,結(jié)果記錄及分析。

對以上測試過程進行分析,存在如下缺點:1)測試覆蓋率方面:僅有定性測試結(jié)果,無法測試產(chǎn)品性能指標(biāo),不能驗證產(chǎn)品音頻信號質(zhì)量[2]。2)測試成本方面:需測試人員全程參與,在進行諸如環(huán)境試驗、鑒定試驗等試驗時人員成本較高。3)測試效率方面:人工進行完整測試時間較長,短時間測試(如振動測試)時不能對所有通路進行測試。

為解決以上問題,結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計及測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,對測試過程進行分析,其可優(yōu)化部分如下:

步驟1測試設(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現(xiàn)自動化:1)使用程控測試設(shè)備模擬音頻及離散量輸入、采集輸出。2)電源設(shè)備的遠程控制。3)測試操作的自動運行、分析及記錄。

2測試設(shè)備需求分析

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

2.1測試設(shè)備使用場景分析

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

2.2測試設(shè)備功能需求分析

測試設(shè)備應(yīng)具有以下功能:1)音頻信號輸入模擬功能及輸出采集功能;2)音頻信號性能分析功能(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)測試控制及管理功能。

2.3測試設(shè)備接口需求分析

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

3測試設(shè)備架構(gòu)設(shè)計

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

3.1平臺整體結(jié)構(gòu)

結(jié)合音頻控制器的產(chǎn)品需求、設(shè)計文檔等技術(shù)資料,并參考借鑒相關(guān)類似產(chǎn)品的測試設(shè)計方法,綜合考慮被測設(shè)備的實際使用場景,設(shè)計研發(fā)并實現(xiàn)了音頻控制器測試設(shè)備。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對被測設(shè)備—音頻控制器的總線通信、接口自動測試和不同語音模式下的半自動測試。測試設(shè)備整體設(shè)計如圖1所示。測試設(shè)備整體設(shè)計主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件部分設(shè)計以主控計算機為中心,通過數(shù)據(jù)總線方式與測試資源相連,執(zhí)行控制操作。測試相關(guān)資源主要包括:測試儀器(如數(shù)字示波器、電壓儀等)、音頻分析儀[4]、多功能串口卡等。測試設(shè)備接口適配器通過測試線纜與被測設(shè)備相連,從而實現(xiàn)對其的性能、功能測試[1]。此平臺上搭載測試軟件,實現(xiàn)測試控制、日志記錄、調(diào)試支持等功能。

3.2硬件設(shè)計

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

硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

主控計算機對內(nèi)實現(xiàn)對測試資源(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、離散量信號'實現(xiàn)對音頻控制器輸出的離散量信號的采集。對外則通過接口適配器與被測設(shè)備相連,并設(shè)計信號斷連面板,引出離散量、音頻模擬信號等信號接口,供調(diào)試時接入萬用表、示波器等測試儀器和驗收計量時接入計量儀器使用。

3.3軟件設(shè)計

設(shè)計過程主要包括軟件界面設(shè)計、測試控制邏輯設(shè)計、測試數(shù)據(jù)記錄設(shè)計、測試設(shè)備自檢功能等步驟。測試設(shè)備軟件使用PYQt進行界面設(shè)計和功能實現(xiàn)。軟件界面主要包括初始化界面、自檢界面、測試執(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)計方法,使整個軟件結(jié)構(gòu)清晰,便于后續(xù)維護和升級。功能模塊主要包括啟動模塊、自檢模塊、測試控制模塊、測試數(shù)據(jù)記錄模塊等。

軟件架構(gòu)如圖3所示。

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

3.4測試設(shè)計及實現(xiàn)

為實現(xiàn)對音頻控制器的功能性能需求測試覆蓋'開發(fā)了一套測試用例及程序'其中典型測試設(shè)計及實現(xiàn)方式如下。

3.4.1音頻通信功能測試

3.4.1.1測試設(shè)計

此用例主要測試的是音頻控制器的音頻信號輸出功能,因此在全部模式下測試,即向主駕麥克風(fēng)輸入音頻信號后,此信號會通過所有音頻輸出接口(主副駕、客艙、揚聲器等)輸出。通過采集各路音頻輸出與輸入信號對比,計算各通路音頻信號質(zhì)量(失真度、信噪比等)是否滿足要求。

3.4.1.2測試實現(xiàn)

在實現(xiàn)對音頻信號質(zhì)量的定性測試時'測試程序調(diào)用音頻分析儀發(fā)送接口'在被測設(shè)備音頻響應(yīng)范圍內(nèi)生成多個不同頻率的正弦波信號輸出給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。進行結(jié)果判定時'測試程序需要將每個通路的輸出音頻信號與輸入進行比較'計算其一致性指標(biāo)及信號質(zhì)量指標(biāo)是否符合要求(如信號失真度、信噪比等性能參數(shù))。在失真度和信噪比測試中'測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)。在此失真度測試中'主要測試的是諧波失真率THD。在信噪比測試中'考慮音頻控制器主要用于語音通話'故在信噪比計算方式中采用“A計權(quán)”方式[5]。

3.4.2信號通路切換測試

3.4.2.1測試設(shè)計

此功能用于測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)備會將同一接口的輸入音頻信號輸出到不同輸出接口,例如在“全部模式”下,客艙耳機可收到主駕麥克風(fēng)音頻信號,而在“主駕模式”下則不能。在傳統(tǒng)測試中,此項測試是通過一測試人員對不同麥克風(fēng)說話,另一測試人員佩戴不同輸出耳機傾聽是否有聲音的方式測試的,但使用此種測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時費力,導(dǎo)致實際測試時一般只選取部分通路進行測試。

3.4.2.2測試實現(xiàn)

采用半自動測試方式,除少量手動操作(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完成。測試程序首先采集各音頻接口空閑狀態(tài)下的環(huán)境噪聲,隨后向被測設(shè)備輸入模擬音頻信號,并再次采集各音頻接口輸出。判定時,首先判定各應(yīng)有輸出的接口是否按模式配置輸出(與噪聲水平進行對比,判定輸出信號響度是否正常)、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實現(xiàn)結(jié)果

利用通航音頻控制器測試設(shè)備針對兩部音頻控制器全部功能性能進行了半自動測試,實現(xiàn)了需求百分百覆蓋,并顯著提高了測試效率[7],降低了測試操作數(shù)量及難度,實現(xiàn)了對音頻控制器的快速、全面、便捷測試。

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)外進行溝通的橋梁,基于對此類部件的檢測需求,本文分析、設(shè)計、研發(fā)了通航音頻控制器測試設(shè)備,實現(xiàn)了測試平臺的整體架構(gòu)及軟硬件設(shè)計,并集成封裝了各類測試資源的驅(qū)動接口,實現(xiàn)了測試程序?qū)y試資源的自動調(diào)用、測試,并在測試界面顯示結(jié)果。經(jīng)實踐,該設(shè)備可在少量人工操作下實現(xiàn)對被測設(shè)備功能和性能的半自動測試,并將故障信息顯示到測試界面,顯著提高了測試效率。