飛機輪胎壓力監測系統的設計研究

王昊

【摘 要】飛機輪胎是飛機的重要組成部分，其可靠性和安全性將直接關系到乘客的生命和財產安全。因此，本文提出了一種飛機輪胎壓力監測系統（Aircraft Tire Pressure Monitoring System，ATPMS），采用高集成度的SP37芯片用于飛機輪胎壓力數據的實時采集與發送，采用MAX1473進行無線信號的接收，采用MSP430芯片實現輪胎壓力數據的解析和對該系統的控制。該系統能夠實時顯示各個輪胎的測量數據，并對危險情況進行報警。本文重點介紹了ATPMS系統的硬件和軟件的設計。

【關鍵詞】飛機輪胎壓力監測系統；SP37；MAX1473；MSP430

0 引言

飛機輪胎是飛機的重要組成部分，其主要作用是支撐飛機重量，緩沖飛機結構著陸過程中受到的沖擊并幫助吸收沖擊能量，在剎車時提供足夠的摩擦力以便飛機在著陸后及時停住等，所以飛機輪胎的可靠性和安全性將直接關系到乘客的生命和財產安全。

飛機輪胎常見的故障有輪胎磨損故障和輪胎爆胎故障[1]。輪胎磨損的主要原因是輪胎壓力不當，包括輪胎壓力過大、過小和各輪胎壓力差較大。當輪胎壓力過大時，輪冠部位受力偏大先磨損；當輪胎壓力過小時，輪冠凹陷，造成輪肩及其鄰近部位先磨損；對于成對的輪子，如果兩個輪胎壓力相差過大，既會導致兩個輪胎磨損不同步，還會導致輪胎的偏磨。飛機輪胎的壓力除了受到自身充氣過程影響外，還與所處環境的溫度和飛機的重量有關：所處環境的溫度越高，輪胎壓力越大；飛機的重量越大，輪胎壓力越大。因此，實時監測飛機輪胎的壓力具有重要的意義。

目前， ATPMS系統已經在國外先進的民用和軍用飛機中得到普遍采用，如空客公司、波音公司和達索公司的諸多機型中，包括最新的A380飛機也裝配了ATPMS系統。另外，國外部分公司也開展了此方面的研究，如FINNISH公司、Crane aerospace & electronics公司、Melexis公司等也開發了ATPMS系統[2]。

本文提出了一種ATPMS系統的方案，該系統：（1）將壓力傳感器置入飛機輪胎直接測量飛機輪胎的壓力；（2）無線傳輸輪胎壓力數據；（3）建立輪胎壓力的無線網絡，實現多個輪胎壓力數據的實時測量和傳輸；（4）設立閾值對不在正常范圍內的輪胎壓力報警。本文重點介紹了該ATPMS系統的系統架構，硬件設計和軟件通訊協議設計。

1 ATPMS系統總體設計

ATPMS系統采用無線的方式傳輸監測的飛機輪胎壓力數據，因此ATPMS系統可以分成采集發射模塊和接收處理模塊。其中，采集發射模塊包含了飛機輪胎壓力監測模塊和無線射頻發射模塊，接收處理模塊包含了無線射頻接收模塊、系統主機模塊和駕駛艙顯示模塊，系統的總體架構如圖1所示。

圖1 系統總架構圖

飛機輪胎壓力監測模塊用于實時監測飛機輪胎壓力，飛機輪胎壓力監測主要有：（1）基于輪速傳感器的間接監測方案和；（2）基于壓力傳感器直接監測的方案兩種。間接監測方案的缺點在于其輪胎壓力的監測必須伴隨著輪胎的轉動，且無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況情況進行判斷，因此本文選用基于壓力傳感器直接監測飛機輪胎壓力。無線射頻發射模塊和無線射頻接收模塊主要用于胎壓監測數據的無線傳輸；系統主機模塊連接飛機的數據總線和無線射頻接收模塊，用于飛機胎壓監測無線網絡的控制和飛機胎壓監測數據的解析處理；駕駛艙顯示模塊安裝在駕駛艙內部，用于與機組人員進行交互。其工作流程為：系統通過安裝在每個飛機輪胎上的壓力傳感器連續實時地測量每個飛機輪胎的壓力數據，然后以無線方式傳輸至信號接收器，然后直接顯示在顯示器上供駕駛員查看。如果出現飛機輪胎壓力數據異常，系統將自動警報從而提醒飛機駕駛員。

2 系統硬件設計

2.1 采集發射模塊設計

由于ATPMS系統的采集發射模塊是直接安裝在飛機輪胎上，且由電池供電，因此決定了采集發射模塊必須滿足功耗低、環境適應性強、體積小和無線傳輸性能強等要求。Infineon公司開發的SP37憑借其將壓力傳感器、MCU和RF射頻發射器集成的特點，正好滿足上述的要求。SP37的MCU采用了8051內核；其RF射頻的中心頻率有315MHz和434MHz兩種；RF發射的最大功率為8dBm；該芯片的最低工作電壓為1.9 V；系統工作狀態的改變如系統的定期喚醒、低頻接收喚醒等都可以由軟件控制來實現，可以通過編寫軟件使系統在 ASK/FSK 兩種調制方式間自由切換。SP37搭配阻抗匹配電路和小型微帶天線用于發送射頻信號。

2.2 接收處理模塊設計

接收處理模塊包含了無線射頻接收模塊、系統主機模塊和駕駛艙顯示模塊。選擇Maxim公司的MAX1473芯片作為無線射頻接收模塊的射頻芯片。MAX1473芯片是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，它用于接收300MHz～450MHz頻率范圍的幅度鍵控（ASK）數據信號。MAX1473外圍電路主要包括LNA調諧電路、輸入匹配電路和振蕩電路三部分[3-4]。主機控制模塊中的MCU選用MSP430F1611微控制器。MSP430系列微控制器是TI公司推出的超低功耗、高性能的16位混合信號處理器，其通常工作在8MHz時鐘頻率，且具有多種低功耗模式可供選擇。在本系統中，其主要功能是對MAX1473接收到的數據進行解析處理和壓力值實時刷新顯示。

3 系統軟件設計

系統軟件主要實現對飛機輪胎壓力的監測、發送與接收，數據的處理、和系統的報警提示。ATPMS系統軟件也可分為采集發射模塊程序和接收處理模塊程序兩部分。

3.1 采集發射模塊軟件的設計

采集發射模塊的主要任務是對飛機輪胎壓力的監測，監測數據的處理和發送。采集發射模塊為電池供電，為了需要降低系統功耗，采集發射模塊軟件需要控制采集發射模塊在休眠狀態和工作狀態下不停切換。另外，飛機輪胎都裝有采集發射模塊，若同時發送數據，射頻信號之間相互干擾，導致接收處理模塊無法獲得全部的輪胎壓力監測數據，即產生數據沖突。為了解決上述的問題，采集發射模塊軟件采用延時發送的方法，即系統在發送每個數據前增加一段固定延時，錯開發送時間以減小了數據沖突的概率。采集發射模塊的軟件流程如圖2所示。

3.2 接收處理模塊軟件設計

接收處理模塊的軟件的主要作用是對接收到的無線數據包進行解析。系統將實時顯示接收到的飛機輪胎壓力數據，如果飛機輪胎壓力數據異常，系統將定位壓力數據異常的輪胎并警報。接收處理部分的軟件流程如圖3所示。

4 結束語

本文提出了一種ATPMS系統，主要進行了ATPMS系統總體架構設計、硬件設計和軟件設計。采用高集成度的SP37芯片實現飛機輪胎壓力的監測和數據的發送；接收處理模塊采用MAX1473芯片與MSP430微控制器分別用于信號的接收與解析。該設計能夠實時監測飛機輪胎壓力數據，保障飛機的安全，同時也能減小輪胎維護的工作量。

【參考文獻】

[1]龔榮亮.飛機輪胎的結構及常見故障探究[J].中國高新技術企業，2011（27）： 81-82.

[2]肖園.輪胎壓力調控系統在民用飛機維修信息采集中的應用研究[D].電子科技大學，2012.

[3]王躍飛，侯亮，劉菲，等.基于FPGA的汽車CAN網絡實時管理系統設計[J].電子測量與儀器學報，2013，27（8）：721-728.

[4]陳良琳.基于TDA5210的868MHz無線接收模塊設計[J].電子設計工程，2011， 19（5）：162-164.

[責任編輯：楊玉潔]