基于MSP430F149的飛機防滑剎車系統(tǒng)原位檢測儀

王曉日 張保柱

【摘 要】飛機防滑剎車系統(tǒng)作為飛機的重要機載設備對飛機的起飛、著陸安全起著至關重要的作用。文章首先分析了防滑剎車系統(tǒng)的工作原理，針對防滑剎車系統(tǒng)的測試要求，設計了飛機防滑剎車系統(tǒng)原位檢測儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件采用具有精簡指令集（ RISC ）結構的16位MSP430F149單片機作為主控芯片，軟件包含系統(tǒng)的初始化程序、輪速傳感器檢測程序、防滑控制盒檢測程序、防滑剎車系統(tǒng)全線路檢測程序。解決了目前某型飛機外場機務維護對防滑剎車系統(tǒng)不能進行全系統(tǒng)聯(lián)合檢測的問題。這是一種適用于外場使用、檢測內容更全、檢測指標更加詳細的原位檢測儀。

【關鍵詞】防滑剎車系統(tǒng)；可靠性；故障檢測

一、引言

根據某型飛機近兩年以來的故障分析報告，某型飛機已經進入了防滑剎車系統(tǒng)故障的多發(fā)期，而且該飛機的大修期限已過，正處于延壽使用階段，裝備的可靠性急劇下滑，加之飛行訓練任務重等因素，所以對飛機防滑剎車系統(tǒng)性能提出了更高的檢測要求。目前飛機防滑剎車系統(tǒng)檢測途徑只能在機械日工作期間進行外部檢查及性能試驗檢查，只是判斷“是否能用”。尤其是對飛機防滑剎車系統(tǒng)的核心部件——“防滑控制盒”，也只能進行二線檢測，不能實現(xiàn)飛機防滑剎車系統(tǒng)的聯(lián)合檢測。

二、飛機防滑剎車系統(tǒng)檢測原理與總體結構

（一）飛機防滑剎車系統(tǒng)原理

飛機剎車制動主要是依靠輪胎和地面間產生的結合力，即反向摩擦力使飛機減速，結合力越大，飛機剎車減速度就越快，剎車距離就越短。

飛機滑跑時，當飛行員踩下剎車踏板進行剎車，剎車閥輸出的剎車壓力大于1±0.1MPa時，液控開關接通防滑控制盒的電源，防滑系統(tǒng)開始工作。防滑控制盒根據左、右機輪輪速傳感器發(fā)出的與機輪角速度成正比的電壓信號控制剎車電磁閥電路的通、斷，當機輪減速率達到規(guī)定的參考速率的門限值時，防滑控制盒發(fā)出電信號使剎車電磁閥通電，進行油路的切換，此時高壓油路被切斷，剎車裝置內的油液經過節(jié)流器、剎車電磁閥后流回油箱，剎車裝置內的壓力被釋放，機輪松剎，避免機輪產生拖胎。機輪松剎后，防滑控制盒又斷開剎車電磁閥的電路，剎車壓力進入剎車裝置，使機輪剎住。重復該過程，便實現(xiàn)了防滑、剎車的功用。

（二）飛機防滑剎車檢測系統(tǒng)總體結構

如圖1所示就是飛機防滑剎車系統(tǒng)原位檢測儀的總體結構圖[1]。檢測儀的功能定位于檢測飛機防滑剎車系統(tǒng)的輪速傳感器性能、防滑控制盒性能、防滑剎車系統(tǒng)的全線路性能。防滑剎車系統(tǒng)全線路主要包括剎車電磁閥、剎車壓力傳感器、液控開關、剎車系統(tǒng)油路等部附件性能[2]。

飛機防滑剎車系統(tǒng)原位檢測儀在檢測過程中，首先由MSP430F149控制板對系統(tǒng)進行初始化，當進行輪速傳感器性能檢測時，輪速傳感器在標準轉速源的對應標準轉速帶轉下輸出兩路正弦信號。如圖1所示正弦信號經過信號調理模塊調理和方波變換后，向MSP430F149的“片內信號捕獲”模塊輸入方波信號，“片內信號捕獲”模塊捕獲信號頻率；在對應的信號頻率下，“片內AD采樣”模塊獲取調理模塊輸出的采樣信號電壓，得出在待檢測頻率下的信號輸出電壓；當進行“防滑控制盒”性能檢測時，根據“防滑控制盒”的性能參數檢測要求，由MSP430F149控制板控制“輪速模擬模塊（AD9833模塊）”輸出可編程的輪速模擬信號到“防滑控制盒”，如圖1中同時采集“防滑控制盒”的輸出動作信號[3]，計算獲取防滑控制盒的性能參數；當進行飛機防滑剎車系統(tǒng)的全線路性能檢測時，由MSP430F149控制板控制“輪速模擬模塊（AD9833模塊）”輸出可編程的輪速模擬信號，操作員模擬飛行員進行剎車操作，緩慢調整剎車壓力到最大且保持，調整過程中，原位檢測儀檢測“液控開關”接通時的剎車壓力，液控開關接通后，防滑控制盒通電工作，如圖1中在防滑控制盒的輸出端檢測 “剎車狀態(tài)信號”，在剎車壓力傳感器的輸出端檢測“剎車壓力信號”，四路信號經調理和采樣、計算后輸出到“TFT多功能串口屏”形成“采樣曲線”，對應機輪的“剎車狀態(tài)信號”和“剎車壓力信號”兩兩對比，獲取整個剎車系統(tǒng)由剎車控制信號輸出到剎車部附件動作執(zhí)行的響應參數，評估系統(tǒng)“全線路”性能[2]。

三、飛機防滑剎車系統(tǒng)原位檢測儀硬件設計

根據系統(tǒng)實際功能的設計要求采用具有精簡指令集（ RISC ）結構的16位MSP430F149單片機作為主控芯片，它自帶有60KB的Flash存儲器，無需擴展就可以滿足復雜的軟件設計存儲要求。MSP430F149具有16 位的數據寬度、 125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn)數字信號處理的某些算法（如 FFT 等）[4]。 MSP430F149單片機具有豐富的片內外設，減少了系統(tǒng)外圍模塊設計的復雜性，對功能硬件的操作更加方便。

（一）輪速信號模擬模塊

輪速傳感器輸出正弦波信號的頻率是在0-3KHz之間，采用以AD9833芯片為核心組成的正弦波信號發(fā)生器完全滿足設計要求。AD9833芯片是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產生正弦波、三角波和方波。AD9833芯片的輸出頻率和相位可通過軟件進行編程，調整簡單，無需外部元件。它的頻率寄存器為28位，時鐘速率為25MHz時，可以實現(xiàn)0.1Hz的分辨率；而時鐘速率為1MHz時，則可以實現(xiàn)0.004Hz的分辨率。如圖2是以AD9833芯片為核心的輪速信號模擬模塊的原理圖[5]。圖2中AD9833芯片的控制電路采用三線制的串行接口，F(xiàn)SYNC是同步信號，SCLK是時鐘信號，SDATA是輸入數據信號，VOUT引腳是調整輸出的正弦信號。MSP430F149單片機就是通過這三個信號接口控制AD9833芯片的輸出信號頻率。

（二）信號調理模塊

信號調理模塊在整個系統(tǒng)的信號采樣過程中主要承擔著信號的前端調理，將輸入信號轉化為控制器可以采樣的信號。因此信號調理模塊的性能直接決定了設計最終的檢測精度。由于剎車狀態(tài)信號、剎車壓力傳感器信號、輪速傳感器信號都屬于微弱信號，不滿足后續(xù)信號采集器的采集要求，因此信號調理模塊要將信號轉變成信號采集模塊采集范圍內的信號。信號調理模塊中最主要的就是儀表放大器。儀表放大器是一種特殊的差動放大器，具有超高輸入阻抗，及其良好的CMRR，低輸入偏移，低輸出阻抗，對輸入信號具有良好的放大作用[6]。

（三）人機交互模塊

人機交互模塊主要是供用戶輸入指令和檢測結果的顯示。為了得到良好的人機交互體驗，采用了由廣州大彩光電科技有限公司推出的5.0寸工業(yè)串口屏。串口屏實現(xiàn)了畫面顯示和觸摸屏輸入的功能。這款TFT觸摸顯示屏是集TFT顯示驅動、圖片字庫存儲、GUI操作、RTC顯示以及各種組態(tài)控件于一體的串口顯示終端。MSP430F149芯片只要發(fā)送相應的串口指令就可以輕松實現(xiàn)文本、圖片和曲線的顯示，可以對剎車狀態(tài)信號和剎車壓力信號進行采集、曲線繪畫和對比。設計中只需要一個串口就能實現(xiàn)串口屏顯示豐富友好的畫面和讀取觸摸屏的指令輸入功能。

四、系統(tǒng)軟件設計

軟件設計如圖3所示，主要包含系統(tǒng)的初始化程序、三大任務功能程序（任務1表示輪速傳感器檢測程序；任務2表示防滑控制盒的檢測程序；任務3表示防滑剎車系統(tǒng)全線路檢測程序）以及TFT串口屏的GUI設計程序。前三類程序都是針對MSP430F149主控板的設計，大部分采用C語言進行編寫，只有TFT串口屏的GUI程序采用廣州大彩光電科技有限公司配套的VisualTFT開發(fā)軟件進行設計。

（一）系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)的初始化程序主要包括整個系統(tǒng)的上電自檢、MSP430F149的片內定時器/捕獲模塊、A/D模塊、串口模塊和各I/O設備的初始化[4]。同時還要在TFT串口屏上打印輸出自檢和初始化的結果，并提供下一步操作的提示以及等待讀取用戶的輸入指令。

（二）主任務功能程序

輪速傳感器檢測程序、防滑控制盒檢測程序、剎車系統(tǒng)全線路檢測程序作為三大任務功能程序。輪速傳感器檢測程序完成當輪速傳感器在標準轉速源的帶動下，輸出對應的兩路正弦波信號，正弦波信號經過信號調理模塊和方波變換以后，由MSP430F149主控板的片內信號捕獲模塊完成對輸入的方波信號的頻率捕獲，獲得輪速傳感器的性能參數。防滑控制盒的檢測程序完成對防滑控制盒的性能參數檢測，“輪速模擬模塊（AD9833模塊）”輸出輪速信號到防滑控制盒，采樣防滑控制盒的輸出狀態(tài)信號，計算防滑通路動作時間、防滑動作頻率、輪速信號頻率上升時的閉鎖解除閾值等多項檢測參數。由于防滑控制盒的檢測項目繁多，程序設置了手動檢測模式和自動檢測模式，前者是由用戶手動選擇檢測項目，后者是由系統(tǒng)控制檢測項目，最終將檢測和分析結果通過串口輸出至TFT串口顯示屏，實現(xiàn)一鍵式檢測；防滑剎車系統(tǒng)全線路檢測程序完成對整個剎車系統(tǒng)附件的檢測，在剎車系統(tǒng)運行期間，MSP430F149的片內A/D通過采樣剎系統(tǒng)的兩路剎車狀態(tài)信號和剎車壓力信號，依托TFT串口屏的數據處理和顯示功能進行兩種數據的實時曲線對比，對剎車的狀態(tài)進行閉環(huán)檢測，實現(xiàn)對剎車電磁閥、剎車壓力傳感器、液控開關和剎車油路等部附件的性能檢測，從而直觀地展示剎車系統(tǒng)的全線路性能狀況。

（三）數據分析程序

由于三大任務檢測程序中都有較多的數據分析內容，如果單純依靠操作人員先記錄檢測數據，然后分析、計算，不僅消耗時間，而且準確性也大打折扣，因此設計中采用軟件進行數據分析。利用MSP430F149芯片內部的60KBFlash空間存儲用戶通過人機界面設置的性能參數閾值，同時這些參數閾值完全可以經用戶更改后再重新保存，系統(tǒng)會自動調用新的參數閾值覆蓋早期的。檢測設備將檢測到的實際性能參數與設置值進行對比分析，評估系統(tǒng)的真實運行狀態(tài)。最終將檢測和分析結果輸出到TFT串口屏顯示。

（四）TFT串口屏的GUI程序

TFT串口屏的GUI程序配合串口屏共同完成人機界面的友好交互。TFT串口屏的GUI設計采用了廣州大彩科技有限公司提供的VisualTFT開發(fā)軟件將預先設計好的美工圖片進行界面排版和控件配置，然后運行虛擬串口屏進行模擬仿真，最后通過UART將整個工程信息下載到串口屏內部存儲器中。VisualTFT軟件會對工程中的每個畫面、圖片和控件分配一個唯一的ID號。MSP430F149主控板也是通過讀取這些唯一的ID號對應的控件狀態(tài)實現(xiàn)用戶指令的讀取和結果的顯示。VisualTFT軟件開發(fā)的可視化編程，增強了人機界面的友好性，讓程序設計更加便捷。

五、結論

基于MSP430F149單片機的飛機防滑剎車系統(tǒng)的原位檢測儀不僅能達到當前某型飛機的防滑剎車系統(tǒng)檢測要求，而且相對于以前的檢測設備有以下創(chuàng)新點：面對某型飛機的實際情況需求，將二線檢測設備推進到一線檢測使用，促進了精細化的維護；檢測內容的全面性，進一步反映了整個防滑剎車系統(tǒng)的真實“健康”狀況；自動的檢測過程和數據分析能力減少了人為失誤，同時賦予了設備的智能化，真正實現(xiàn)“一鍵式”檢測，提高了狀態(tài)檢測的準確性；友好的人機交互，增強了外場工作人員的可操作性；盒式的安裝設計結構使攜帶更加方便，更加適應外場的工作使用環(huán)境。綜合上述幾點，基于MSP430F149單片機設計的防滑剎車系統(tǒng)的原位檢測儀完全滿足某型飛機防滑剎車系統(tǒng)的實際檢測要求。

參考文獻

[1]黨玲平，李玉忍.一種飛機防滑控制系統(tǒng)的設計 [J]. 計算機測量與控制，2006，14.

[2]冬苓，李玉忍，謝利理.飛機防滑剎車系統(tǒng)的建模與仿真研究[J].測控技術，2004，23.

[3]王紀森，何長安.防滑剎車控制系統(tǒng)分析[J]西北工業(yè)大學學報，2000，18.

[4]王洪君.單片機原理及應用[M]山東 山東大學出版社， 2009.2.

[5]沙占友.單片機外圍電路設計[M].北京 電子工業(yè)出版社，2003：162-166.

[6]尹勇.Protel DXP電路設計與入門進階[M]北京 科學出版社，2004.

作者簡介：

王曉日，學歷：本科。職 務；海軍航空兵學院一基地第二訓練團副團長（工程師）主要從事工作：海軍航空兵機務保障工作。