飛機著陸模塊設計與故障檢測

杜玉立++于寶成++錢平

摘 要：本章主要論述了飛機在著陸過程中的模塊設計與故障檢測，闡述了著陸模塊的結構及功能，給出了該模塊的硬件設計方案，從著陸系統故障診斷功能和性能要求出發，集成了信號模擬電路、DSP最小電路系統、信號調理電路及USB串口通信電路為一體的故障診斷模塊。軟件開發采用C語言和Labview混合編程方式集成在CCS環境下，利用可視化的開發軟件實現了人機交互，動態的實現了在該軟件下通過控制電路的斷開與閉合完成檢測軟件的開發。上位機有機地結合了模糊診斷技術采用可視化編程軟件Labview做為開發工具，結合故障診斷模塊的設計，通過專家系統知識與推理程序相獨立的結構，結合預期給定和推理的電壓電流值進行對比來判定檢測結果是否正確。測試結果表明，本文設計的飛機著陸模塊故障診斷系統達到了預期目標，并可以向多機型的故障診斷系統進行專家知識庫的擴充與完善，對今后系統故障診斷的研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：飛機著陸模塊；故障診斷；USB串口通訊；Labview

本課題研究對象是某機型的著陸模塊系統故障診斷技術。其目的是為了保證飛機著陸過程中各項指標數據正常，在起飛之前須對著陸模塊系統的數據指標進行測試，與預期的性能指標進行對比分析，對潛在的著陸模塊系統故障做出預測和警報，分析故障原因并提出合理的建議，方便機場維護人員能夠及時修理更換故障單元來維持飛機著陸模塊系統正常工作，從而有效避免不必要的事故。在深入了解飛機著陸模塊系統測試技術之后，本課題開展對著陸模塊系統故障診斷的研究。首先在外場測試環境下對著陸模塊系統進行檢測，收集著陸模塊測試的電壓電流值和其它的性能狀態和其數據，然后與預期計算的輸出值進行有效對比，對著陸模塊系統潛在和正在發生的故障進行診斷分析，最后判斷該著陸模塊是否正常運行，將分析結果報告給地勤人員，完成該模塊故障的檢測。提高飛機著陸安全性及對復雜環境的適應能力，該模塊的正常工作保證了飛機著陸的安全性和可靠性。通過該課題的研究有助于著陸模塊系統在外場測試環境下高效的檢測潛在的故障，縮短系統維護周期和單元間的調試，對飛機著陸模塊系統的研究具有重要的理論和實際意義。

1 著陸模塊總體結構設計

飛機著陸模塊總體結構如圖1.1所示，圖中虛線部分主要由檢測模塊和通信模塊構成。檢測模塊完成對著陸系統的檢測功能，通過串口通訊與上位機模塊進行通訊，檢測模塊對返回的數據進行故障診斷分析，完成故障診斷。

在本系統中上位機開發了基于Labview人機交互軟件，輸入檢測指令由該軟件分析和譯碼得到新的可通過USB接口的檢測數據，該數據由CPU最小系統控制分配給對應的模擬電路，最后通過調理電路的模擬得到測試電路的數據。另外就是模擬著陸模塊控制器與PC計算機之間的通訊，通過計算機BIT命令和控制器所檢測到的故障代碼之間的數據交換，該通信支持RS422總線通信，而本系統中上位機是通用PC機，需要通過RS422/R5232轉換器來實現模擬BIT命令與控制器之間的通信。檢測接口部分主要由輔助電路和高精度繼電器組成，

飛機上所有開關都只有接通或者斷開兩種狀態，該系統利用高精度繼電器的通斷來模擬這些開關的狀態來模擬著陸模塊系統相關各電路狀態開關的切換。

2 硬件設計

硬件結構圖如圖2.1所示，外圍電路包含有AD9388模擬電路、飛機模擬電路、信號調理電路、檢測接口電路和串口通信接口電路，是以CPU（TMS320LF2407）為核心的最小電路，如圖2.1中虛線所示。

中央處理模塊主要包括CPU、RAM（63Lv1024）、鐵電存儲器（M25L256）、實時時鐘電路、看門狗復位電路和電源電壓轉換電路，是檢測系統的核心。微處理器系統設計的復雜程度主要取決于外設的擴展方式。DSP對外設空間的尋址以及對數據的讀寫操作，是通過不同類型的指令和對應的PS/DS/IS引腳進行讀、寫，通過與總線時序的控制配合，來實現I/O兩個獨立空間地址映像區間的讀、寫操作。

圖 2.1 檢測模塊硬件結構圖

2.1 看門狗復位電路

一般情況下在檢測的過程中，電氣設備的周圍都有電磁噪聲，電源頻率的改變、諧波干擾等，對該檢測裝置的可靠性和穩定性都有一定的影響，使得CPU工作電壓不穩定，出現跑飛的情況以至于該裝置誤動作或者無反應。為了減少發生這種情況，在DSP外圍加上了硬件看門狗電路同時在DSP芯片內設置了看門狗。看門狗電路采用的是可編程看門狗監控芯片X250431261，它集成了看門狗定時器、電壓監控及高速、非易失性存儲器EZPROM三種功能[1]。其看門狗定時器可以通過設置內部寄存器進行定時編程，定時周期設置為1450ms、600ms，200ms，保障了CPU的安全運行。一旦程序因為電磁干擾或出現了其它異常，看門狗將強制CPU復位操作。對于斷電影響也有一定的安全措施，電壓監控器檢測VCC電壓，當電壓降至2.7V以下，就進行復位操作，直到VCC返回穩定電壓為止。看門狗復位電路如圖2.2所示：

2.2 信號調理

著陸模塊運行時開短路所引起阻值變化轉換為對應的電壓值是（0-10）V的電壓信號，而DSP的工作電壓為3.3V，各個I/O口上所能接受的穩定電壓也是3.3V左右，所以在通過A/D轉換后送入控制處理核心DSP之前，著陸模塊故障檢測電路的設計需要通過信號調理電路對檢測的電壓進行信號調理。放大器電路由高精度運放器LM124和電阻電路組成，RC濾波器由電阻和電容組成，濾波范圍取決于電阻電容值。調理電路中，一級放大器產生一個穩定-5伏電壓與輸入電壓值相疊加，疊加后的電壓值經過下一級同相信號放大電路，使得輸出的電壓信號為（0-3V）。電路末端使用串聯電阻限流，使用兩個二極管來實現信號限幅，使過濾的電壓輸出信號控制在（0-3.3V）之間，保護了信號板的安全接收。

2.3 USB通信接口電路

PC機采集到的數據與著陸模塊控制器之間的通訊采用USB接口通信，該模塊完全遵循USB2.0規范，部分采用USB2.0芯片ISP1581，支持7個動態I/O接口和一個固定控制I/O端點。該芯片支持USB2.0的自檢工作模式和USB1.1的返回工作模式，在高速或全速條件下都能正常運行，滿足該通訊需求。內部集成有串行接口引擎SIE、PIE、8KB的FIFO存儲器、數據收發器、PLL的12MHz晶體振蕩器和3.3v的電壓調整器[2]。該電路通過高速DMA接口直接與ATA/ATAPI外設相連，同時通過Labview軟件控制USB總線的連接，形成數據的交換。DSP和ISP1581的連接均采用8位地址總線和16位數據總線分離的通用處理器模式，方便數據的讀、寫操作。DSP與ISP的數據交換采用中斷方式，以DSP的通用I/O口作為ISP的片選信號。ISP1581的喚醒功能WAKEUP引腳接到DSP的一個通用I/O口上，RPU引腳通過1.5kΩ電阻器上拉后為通用處理模式，RREF引腳通過12.0kΩ精密電阻器接地，BUS_CONF引腳是選擇總線模式，也執行上拉操作，MODE0引腳的功能為選擇通用處理器模式下的讀、寫操作。由于該芯片內部集成了復位電路，復位操作只需將RESET引腳直接接高電平即可。

3 故障診斷

3.1 軟件診斷設計

主要采用可視化編程軟件Labview設計。該軟件設計主要起兩個作用：一是判斷檢測系統工作是否正常，對系統進行自檢操作；二是在自檢通過后，通過高精度的繼電器對該電路模塊模擬電路狀態的開關操作，并采集相應的輸出電流電壓值；自檢操作能發現潛在的電路故障，數據采集能分析具體故障部位，以便在發生系統故障時能迅速的找到并執行相應的排除工作，確保著陸模塊能夠正常的運行。著陸模塊控制器的正常工作電壓為27V，由外部進行供電，通過PC上位機與其通訊，上位機通過USB接口與DSP最小系統進行數據交換。檢測系統自診斷程序結構如圖3.1所示

可視化Labview軟件控制面板可執行自檢、復位操作，并模擬著陸模塊開關狀態，如圖3.1.1所示

3.2 故障檢測測試

主要采用交叉保護的檢測原理，即當左、右兩側機輪頻率（速度）差值超過標準門限范圍（352-720）Hz（約30-60km/h）時，著陸控制器輸出控制信號，調節低速機輪迫使兩側機輪頻率（速度）不超過門限范圍。

電流測量方法：先給左、右機輪施加相同的機輪模擬速度信號V，再將左、右控制器電流I左，I右調至最大電流7.5mA，依次將左、右機輪速度信號降低至（360-720）Hz左右，著陸模塊控制器如能正常工作，此時必須輸出控制信號，使速度偏高的機輪電流降低至1mA以下。該檢測方法采集著陸模塊控制器在交叉保護狀態下輸出的控制電流信號，通過此電流值判斷著陸模塊工作是否正常，防止飛機在著陸過程中出現的故障問題。

電壓回溯檢測：先通過著陸模塊控制器給左、右機輪施加模擬速度信號20Km/h，然后檢測伺服閥電壓值的變化，設初始電壓值為V，過10ms后將模擬速度信號降為10Km/h，測試伺服閥電壓值是否為0.043V左右并計算下降時間，預期的下降時間是在29ms～31ms范圍內，與該時間進行對比。如果是的，說明著陸模塊交叉保護正常。然后進行回溯對比，改變速度信號為20Km/h，計算電壓上升時間是否<2s并檢測此時電壓是否與初始電壓V一致，如果是的，最后說明著陸控制功能運行正常。著陸模塊故障檢測程序結構如圖3.3所示。

4 結語

本文設計模擬了著陸模塊檢測系統，集成了信號模擬電路、DSP最小電路系統、信號調理電路及USB串口通信電路為一體的故障診斷模塊。設計Labview開發軟件完成了系統的自檢功能，并提供了與DSP最小電路系統之間進行通訊的接口，使上位機PC系統能夠動態的檢測著陸模塊控制器。該設計采用了硬、軟件相結合的措施，使系統能夠在外場測試環境下可靠穩定的運行，提高了系統的適應性、可靠性和穩定性。USB通訊采用了CRC冗余校驗，容錯率強，保證了通訊的準確傳輸。該設計解決了飛機著陸系統中難以實際操作的難題，模擬簡單又不失拓展性，不僅如此，該設計結構還應用于工廠工人培訓，各大高校大學生實驗教學中都能拓展應用，具有良好的市場前景和應用價值。

參考文獻

[1] 張念淮，江浩.USB總線接口開發指南[M].北京：國防工業出版社，2001

[2] 王暉.接口器件ISP1581的接口應用設計[J].新器件新技術，2004，8：4～43

作者簡介

杜玉立（1991-）、碩士研究生、研究方向是智能機器人。

于寶成、副教授、博士、研究方向為智能機器人、自動化控制。

錢平（1993-）、碩士研究生、研究方向是智能機器人；