基于LabVIEW與FPGA的某型飛機防滑剎車盒研究

嚴 康，于寶成，王春梅

(武漢工程大學 計算機科學與工程學院，湖北 武漢 430000)

基于LabVIEW與FPGA的某型飛機防滑剎車盒研究

嚴 康，于寶成，王春梅

(武漢工程大學 計算機科學與工程學院，湖北 武漢 430000)

飛機防滑剎車控制系統是飛機重要的機載設備,對飛機的起飛、著陸安全起著重要作用。對某型軍用飛機的防滑剎車系統進行了分析，在此基礎上，搭建了基于LabVIEW FPGA模塊的半實物仿真平臺。分析了該型飛機在降落過程中的防滑剎車控制盒輸出信號的變化,以提高飛機防滑剎車系統可維護性和故障檢測能力。

防滑剎車盒;LabVIEW FPGA模塊;剎車系統;特性曲線;半實物仿真

0 引言

飛機防滑剎車控制盒是整個剎車系統的核心控制部件。它接收指令傳感器的剎車信號和機輪速度傳感器的速度信號,以此為依據產生相應的控制電信號,打開電磁液壓鎖和操縱電液伺服閥去調節剎車盤剎車壓力[1]。

隨著某型飛機對安全可靠性要求的提高，在各種極端情況下安全起飛和著陸時，對防滑剎車控制盒能否給出合適的控制信號進行研究是很有必要的。構建該型飛機防滑剎車盒故障診斷測試平臺，開發典型機電液測試系統,對各項功能進行測試，在機電液系統維護、檢測、故障診斷等方面提供技術支持、咨詢和保障[2]。該型飛機系列的防滑剎車盒信號種類繁多，實時性高，測試流程復雜,傳統的IO卡已不能很好地滿足對各種信號高速采集的要求。本研究采用NI PXI-7851R數字RIO板卡，提供可編程FPGA芯片，利用靈活的I/O操作，同時借助NI LabVIEW圖形化程序框圖和NI LabVIEW FPGA模塊，配置各項模擬和數字功能。

1 防滑剎車系統組成與功能

某型飛機的防滑剎車系統包括機輪剎車調節系統和防滑控制系統兩部分。數字防滑剎車控制器系統包括減壓閥、剎車控制器、電液伺服閥、剎車裝置、機輪、機輪速度傳感器、剎車指令傳感器等,結構如圖1所示。

1.1 總體架構

某型飛機防滑剎車測試系統主要由信號處理模塊、部件接口模塊兩部分組成，總體架構如圖2所示。

圖1 飛機防滑剎車系統結構

圖2 防滑剎車測試系統總體架構

信號處理模塊用于實現測試系統所需的各類信號模擬及故障注入。該模塊采用總線測試技術和LabVIEW通用測試平臺構建，包括CPU模塊、程控信號發生器、AD/DA采集板、獨立控制DI、獨立控制DO、通訊接口板等。部件接口模塊需要供電模塊給其它模塊供電，然后由信號接口模塊接收來自防滑剎車控制單元、剎車模擬操縱臺、液壓系統的信號，信號采集卡對信號處理后在工控機上顯示采集結果，完成飛機剎車測試。

1.2 防滑剎車系統結構

某型飛機測試硬件平臺主要包括指令傳感器、速度傳感器、模擬負載，由于雙元剎車指令傳感器、雙信號輪速傳感器沒有真實的附件，因此測試平臺針對以上傳感器模塊進行了模擬設計。

(1)模擬負載。采用線圈電阻來模擬某型飛機機輪防滑剎車系統中的雙信號速度傳感器、雙元剎車指令傳感器、電磁液壓鎖和電液壓力伺服閥負載，其技術參數由某空軍院校提供。利用開關電路來模擬這些負載的正常情況和單故障情況。

(2)雙信號速度傳感器。機輪速度傳感器能產生頻率與機輪速度成正比的近似正弦波信號，并以此代表機輪速度傳送給防滑剎車盒。本測試系統利用LabVIEW FPGA模擬正弦波信號，頻率幅值可調且可由用戶設定。

(3)雙元剎車指令傳感器。當飛行員踩動腳踏板時，與腳踏板相連的剎車指令傳感器輸出幅值與踏板位移成正比的交流電壓信號，即剎車控制信號。本測試系統使用LabVIEW FPGA模擬正弦波信號，頻率固定為1800Hz，幅值可調且可由用戶設定。

(4)電磁液壓鎖和電液壓力伺服閥。當液壓鎖打開后，電液壓力伺服閥開始工作。電液壓力伺服閥輸出的剎車壓力與輸入的電流值呈正比，輸入的電流越大，輸出的壓力越大。本測試系統采用開關電路來模擬電磁液壓鎖的開斷，利用NI PXI-7851R數字采集卡對模擬電液壓力伺服閥的線圈電阻進行電壓值采集，根據換算得到的電流值來模擬電液壓力伺服閥的輸出壓力大小。

2 軟件設計

測試系統開發采用NI公司的圖形化編程軟件。LabVIEW的圖形化編程代替傳統的文本語言編程，可以更直觀地表達程序流程，良好的界面窗口可使測試平臺有更人性化的人—機界面[3]。通過LabVIEW FPGA 工具包可以輕松地編程。傳統的FPGA編程需要專門的編程工具和編程語言，而FPGA工具包的推出，使工程師可以借助LabVIEW的圖形編程方式，方便地使用FPGA[4]。測試軟件要完成系統參數設置，自動提供數據的采集、顯示、存儲以及回放等功能，監測控制器的狀態信息。根據以上要求，為方便用戶使用，減小軟件的復雜度，滿足軟件的可靠性、可擴充性、易用性等要求，測控系統軟件采用模塊化設計。防滑剎車半實物測試系統用戶可以對各種開關量、機輪輪速信號、剎車指令信號進行設置。

2.1 FPGA Vi設計

在自動測試中，FPGA模塊主要根據不同的測試項目，預先設定好模擬負載和激勵信號參數，模擬負載的開合由相應的繼電器接口控制，然后對防滑剎車盒輸出激勵信號，將采集到的反饋信號送到上位機進行分析。

2.1.1 發信號D/A階段

該階段需要向防滑剎車盒發出8路模擬信號，分別模擬飛機的左機輪速度1、2，右機輪速度1、2，左剎車指令1、2和右剎車指令1、2。這8路信號均為正弦波信號，需要預先設置參數為幅值、頻率、偏移量。該階段會根據用戶提供的實際正弦波參數發出激勵信號。在子Vi中，將用戶設置的帶波形參數數組進行索引成8路，然后輸出。當輸出信號完畢后，將進入板卡發信號關閉子Vi，此時將關閉發信號隊列中的輸出信號并釋放資源。

2.1.2 開關量與負載模擬階段

開關量主要包括控制器在進行剎車控制時所必須的開關信息，包括前輪輪載開關、主起落架收上開關、剎車選擇開關以及各種負載的單故障模擬開關。每一個量均對應一個開關，可確保信號有效或無效兩種狀態。在自動測試過程中，控制這些開關量和模擬負載需要7851R板卡的DIO接口和繼電器共同完成。

根據項目需求和7851R板卡的接口分布圖，在繼電器板上預先連接好開關和負載量對應的硬件電路。 根據實際硬件電路圖，連接好模擬負載和繼電器開關對應的接口，繼電器板的另一端連接7851R板卡相應的Connection接口。在LabVIEW程序中，前面板如圖3所示。

圖3 模擬負載開關前面板分布

創建兩個布爾數組，分別表示開關和開關輸出量，數組容量為8，表示每個數組可以控制8個負載或開關量。例如，在第一個數組中，開關分別代表的是左右機輪速度和左右剎車指令。第二個數組中，開關輸出代表是否給出該路信號。7851板卡的3個輸出口：Connect0、1、2，均可作為8路輸出口的硬件資源，根據實際接口需求，連接相應的接口，對前面板的布爾數組創建局部變量，通過輸入布爾數組實現對相應開關量和模擬負載的接通和關閉。

2.1.3 采集信號A/D階段

當向防滑剎車盒發出激勵信號后，需要實時采集電液壓力伺服閥線圈電阻反饋回來的信號。 這個階段需要預先設定采樣點數，將采樣隊列中的值按照采樣點數輸出為8路信號數組，根據要求進行數組檢索，分解出需要的電壓值。考慮到采樣存在誤差等問題，取平均數算出電壓值，最后除以伺服閥線圈電阻值得到左右伺服閥電流值。

2.2 測試模塊子Vi

在每個獨立的測試模塊中，需要考慮因素有：數據流的順序、發信號和收信號的協調一致性、采集數據時間長短、接收數據準確性，產生的中間數據如何實時反饋到主界面供用戶查看，以及每個項目測試過程中，狀態切換時防滑剎車盒的供電問題等等。

3 剎車盒輸出

當某型飛機駕駛員踩動腳踏板時，與腳踏板相連的雙元剎車指令傳感器輸出幅值與腳踏板位移成正比的交流電壓信號，稱為剎車信號，該信號經剎車防滑控制裝置處理后，給出開鎖信號，令電磁液壓鎖打開，接通壓力伺服閥

進油。同時又輸出同剎車信號成正比例的剎車電流給壓力伺服閥(在無防滑信號時)，使伺服閥輸出同踏板成正比的剎車壓力至機輪剎車裝置，對機輪進行制動。

測試條件：前輪輪載開關S1接通，速度信號fwss=500Hz，幅值1V，剎車信號Vs從1V按照每次0.5V的速度緩慢增加到10V，頻率5 000Hz，測試結果如圖4所示。

其中，X軸表示程序運行時間，左邊的Y軸表示模擬伺服閥輸出的電流變化，對應圖中的白線；右邊的Y軸表示模擬輪速傳感器輸出的頻率變化，對應圖中的紅線。

圖4表示正常情況下，飛行員緩慢踩動腳踏板時，防滑剎車控制盒輸出的控制電流作用于電液伺服閥的結果。當剎車指令傳感器輸出的位移量較小時，剎車電流初始值為零，此時剎車控制盒不起控制作用。當位移量逐漸增加時，剎車控制盒開始輸出控制電流。控制電流隨著位移量增加而緩慢增加，電液伺服閥的輸出壓力也逐漸增加，飛機受到剎車阻力的影響，逐漸減速直到停止。最后剎車盒輸出電流逐漸增加到8mA左右保持穩定。

4 結語

通過LabVIEW FPGA模塊和7851R系列板卡結合使用，使得本系統數據采集與處理高效、穩定[5]。同時，由于其可編程特性，使得開發成本大大降低。LabVIEW圖形化界面方式，可以更直觀地實現激勵信號發出、數據采集、數據處理、實驗參數實時返回、生成報表等功能[6]，滿足了某型飛機防滑剎車盒的全自動性能測試要求，準確度、穩定性高。

[1] 陳世攀.飛機智能防滑剎車控制盒的研究[D].西安:西北工業大學,2004.

[2] 劉文勝,羅鑫,馬運柱,等.基于新型免疫控制器的飛機防滑剎車系統研究[J].計算機仿真學報，2015:32(10)：59-63.

[3] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業出版社，2014:568-570.

[4] 季臺福.基于USB接口和DSP的飛機防滑剎車測試系統設計[D].西安：西北工業大學，2007.

[5] 彭小平，王文杰，易江義，等.LabVIEW FPGA模塊在測量控制系統中的開發流程及特點[J].工業控制計算機，2007，20(5):22-23.

[6] 劉闖.基于LabVIEW的報表生成[J].測控技術，2010,29(5):102-103.

(責任編輯：杜能鋼)

嚴康(1987-)，男，湖北孝感人，武漢工程大學計算機科學與工程學院碩士研究生，研究方向為LabVIEW測試；于寶成(1977-)，男，河南新鄉人，博士，武漢工程大學計算機科學與工程學院副教授、碩士生導師，研究方向為LabVIEW測試、自動控制；王春梅(1974-)，女，山西運城人，碩士，武漢工程大學計算機科學與工程學院講師，研究方向為網絡通信。

10.11907/rjdk.162561

TP319

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1672-7800(2017)003-0140-03