基于DSP+FPGA的飛機(jī)防滑剎車控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂俊　王曉勇　王俊中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

?

基于DSP+FPGA的飛機(jī)防滑剎車控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂俊王曉勇王俊
中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

剎車控制器是飛機(jī)剎車系統(tǒng)的核心部件，其功能是控制液壓電磁閥和壓力伺服閥輸出剎車壓力，為飛機(jī)著陸滑跑提供剎車制動(dòng)和防滑控制，實(shí)現(xiàn)各種不同模式的剎車功能。剎車控制器的性能優(yōu)劣將會(huì)直接影響到飛機(jī)的剎車性能乃至飛機(jī)的安全。文章介紹了一種剎車控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。此剎車控制器選用DSP作為主控處理器，用來控制剎車控制器離散量和模擬量接口電路，選用FPGA作為總線和輪速采集控制。此產(chǎn)品已成功在飛機(jī)上應(yīng)用，工作穩(wěn)定可靠，因此具有較高的參考性。

剎車控制器 防滑控制

飛機(jī)剎車系統(tǒng)是飛機(jī)各子系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，在飛機(jī)起飛和降落中起著重要的作用，其主要任務(wù)是縮短飛機(jī)的著陸滑跑距離，操縱地面滑行方向，以及在終止起飛（RTO）也稱放棄起飛等異常情況下，保證安全地將飛機(jī)制動(dòng)停止。本文提出了一種采用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)的剎車控制器，這種結(jié)構(gòu)控制器既具有DSP處理器所擁有的體積小、集成度高、功耗低等特點(diǎn)，同時(shí)又具有FPGA可獨(dú)立處理總線通信和頻率采集的特點(diǎn)，兩者的結(jié)合有效地降低了DSP處理器的負(fù)荷，提高了剎車控制器的實(shí)時(shí)性和可靠性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

剎車控制器在總體設(shè)計(jì)上為了保障外場(chǎng)維修采用LRU結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品內(nèi)部將剎車系統(tǒng)的需求分解為不同的功能要求，由各種不同功能的模塊來實(shí)現(xiàn)，這些模塊包括：中央處理器模塊（CPU）、輸入輸出模塊（IOM）、總線通訊模塊（CIM）、電源模塊（PS）和母板（MB）。

1.2系統(tǒng)功能

剎車控制器為飛機(jī)液壓剎車系統(tǒng)提供如下的控制信號(hào)：1）前/左/右輪載信號(hào)；2）左支柱放下到位信號(hào)；3）右支柱放下到位信號(hào)；4）液壓電磁閥開關(guān)信號(hào)；5）左/右輪速傳感器電源；6）左/右輪速傳感器頻率；7）左/右液壓傳感器電源；8）左/右壓力伺服閥控制電流；9）左/右液壓傳感器信號(hào)；10）RS一422信號(hào)。

2　剎車控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1液壓傳感器壓力采集

剎車控制器通過提供兩路O～10V模擬量輸入采集電路來完成液壓傳感器信號(hào)的采集，通過液壓壓力的采集完成剎車控制器防滑控制的閉環(huán)處理。處理的壓力信號(hào)為2路OV～10V差分電壓輸入信號(hào)。預(yù)處理電路主要完成模擬量信號(hào)的分壓；差模干擾的抑制；二階壓控電壓源低通濾波；使信號(hào)的電壓范圍與采集特性滿足后端采集的要求。經(jīng)過處理后的電壓信號(hào)經(jīng)過多路選擇器連接至A/D轉(zhuǎn)換芯片完成模擬量的采集。

2.2傳感器電源電路

剎車控制器可為輪速傳感器和壓力傳感器進(jìn)行供電，剎車控制器傳感器供電電路選用NSC公司的三端穩(wěn)壓器LMl l7實(shí)現(xiàn)，LMl l7可把+15V電源轉(zhuǎn)換為+10V電源輸出，最大輸出電流為0.5A，LMl l7本身自帶有過流保護(hù)功能，同時(shí)剎車控制器將輸出電壓通過分壓處理后經(jīng)過DSP處理器進(jìn)行回繞測(cè)試，對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

輪載信號(hào)在飛機(jī)上為地/開信號(hào)，地/開輸入信號(hào)通過光電隔離電路轉(zhuǎn)為TTL電平，CPU模塊通過機(jī)內(nèi)總線讀取該信號(hào)來判斷外部信號(hào)狀態(tài)。地/開輸入信號(hào)通過光耦器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的內(nèi)外隔離功能，光耦器件選取公司的6N140A，輸入端工作電流為0.5mA～5mA。在光耦輸入低端設(shè)計(jì)有穩(wěn)壓管，防止輸入端為地時(shí)干擾信號(hào)引起光耦誤導(dǎo)通，同時(shí)此電路通過繼電器可實(shí)現(xiàn)地狀態(tài)和開路狀態(tài)的BIT測(cè)試。

2.3液壓電磁閥控制電路

液壓電磁閥控制電路通過地/開離散量輸出電路實(shí)現(xiàn)，輸出電路包括輸出鎖存和功率驅(qū)動(dòng)電路。剎車控制器輸出電路通過273鎖存器實(shí)現(xiàn)控制指令的保持，通過MOS管實(shí)現(xiàn)1.5A的功率輸出功能。輸出電路上設(shè)計(jì)有過壓泄放二極管，避免電磁閥關(guān)閉時(shí)的高電壓對(duì)輸出電路造成的危害。28V地/開電路由鎖存器輸出“0”或“l(fā)”狀態(tài)，其中“0”代表開路狀態(tài)，“1”代表接地狀態(tài)，地/開輸出原理。

2.4RS一422A接口電路

RS一422A接口的協(xié)議功能采用FPGA實(shí)現(xiàn)，后端的總線電平轉(zhuǎn)換使用美信公司的收發(fā)器MAX488MJA實(shí)現(xiàn)。收到的數(shù)據(jù)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器后進(jìn)入FPGA，由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，DSP處理器通過查詢FPGA的狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)RS.422A總線的收發(fā)功能并轉(zhuǎn)發(fā)給處理器模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。由于飛機(jī)上電磁環(huán)境復(fù)雜，在RS.422A總線的接收電路上增加了信號(hào)的上下拉電阻，提高信號(hào)的質(zhì)量。

2.5頻率采集接口

頻率采集電路由頻率信號(hào)輸入處理和頻率識(shí)別兩部分組成。頻率信號(hào)輸入處理電路是要把外部輸入的低伏值、不規(guī)整的模擬頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變成規(guī)整的數(shù)字式矩形波信號(hào)。該電路由放大器電路N1、比較器電路N2和反相器電路N3組成，通過濾波、信號(hào)運(yùn)放和信號(hào)轉(zhuǎn)換，將輪速傳感器發(fā)送的信號(hào)調(diào)理成FPGA的I /O接口可接收的方波信號(hào)。

3　剎車系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

剎車控制器通過軟件控制接收來自飛控系統(tǒng)的飛機(jī)數(shù)據(jù)，并采集電氣系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)內(nèi)部的各種離散量、模擬量、頻率信號(hào)等。剎車控制器機(jī)載軟件常駐于剎車控制器的CPU模塊的FLASH中。軟件的主要功能是將采集、記錄、處理系統(tǒng)中的傳感器信號(hào)和各種輸入的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)設(shè)置好的剎車控制律輸出電流控制壓力伺服閥，完成整個(gè)防滑剎車功能。當(dāng)剎車控制器上電后，首先調(diào)用初始化函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)硬件接口和定義的全局變量進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)的上電BIT檢測(cè)，判斷其是否正常，若正常無故障則將中斷使能。

在剎車任務(wù)中首先對(duì)接口和總線進(jìn)行采集，判斷剎車系統(tǒng)的狀態(tài)和剎車指令，確定剎車狀態(tài)，以此來實(shí)施防滑剎車的具體分支操作。隨后調(diào)用故障監(jiān)控子程序來進(jìn)行故障判斷與處理，然后進(jìn)入防滑剎車程序。由防滑剎車控制率計(jì)算需要輸出的結(jié)果，產(chǎn)品繼而調(diào)用接口輸出，并同時(shí)通過RS一422A總線對(duì)飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送剎車信息。

4　結(jié)語

本文分析了飛機(jī)剎車控制系統(tǒng)的組成及工作原理，詳細(xì)論述了其核心部分剎車控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。目前產(chǎn)品已完成地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，其結(jié)果表明，該防滑剎車控制器工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)合理、易于實(shí)現(xiàn)，能夠滿足飛機(jī)防滑剎車的要求。

［1］王曉勇，呂俊，王俊.基于DSP+FPGA的飛機(jī)輪速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2014（7）：62—65.

［2］劉研，李玉忍，梁波，基于雙余度飛機(jī)防滑剎車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（15）：100-102.

［3］施建洪，漆云海，李建海，等.飛機(jī)數(shù)字化全電剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（4）：351—354.