基于MSP430F149的飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)原位檢測(cè)儀

王曉日　張保柱 / 92543部隊(duì)

基于MSP430F149的飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)原位檢測(cè)儀

王曉日張保柱 / 92543部隊(duì)

飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)作為飛機(jī)的重要機(jī)載設(shè)備對(duì)飛機(jī)的起飛、著陸安全起著至關(guān)重要的作用。文章首先分析了防滑剎車(chē)系統(tǒng)的工作原理，針對(duì)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)原位檢測(cè)儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件采用具有精簡(jiǎn)指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)的16位M SP430F149單片機(jī)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(cè)程序、防滑控制盒檢測(cè)程序、防滑剎車(chē)系統(tǒng)全線(xiàn)路檢測(cè)程序。解決了目前某型飛機(jī)外場(chǎng)機(jī)務(wù)維護(hù)對(duì)防滑剎車(chē)系統(tǒng)不能進(jìn)行全系統(tǒng)聯(lián)合檢測(cè)的問(wèn)題。這是一種適用于外場(chǎng)使用、檢測(cè)內(nèi)容更全、檢測(cè)指標(biāo)更加詳細(xì)的原位檢測(cè)儀。

防滑剎車(chē)系統(tǒng)；可靠性；故障檢測(cè)

一、引言

根據(jù)某型飛機(jī)近兩年以來(lái)的故障分析報(bào)告，某型飛機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了防滑剎車(chē)系統(tǒng)故障的多發(fā)期，而且該飛機(jī)的大修期限已過(guò)，正處于延壽使用階段，裝備的可靠性急劇下滑，加之飛行訓(xùn)練任務(wù)重等因素，所以對(duì)飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)性能提出了更高的檢測(cè)要求。目前飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)檢測(cè)途徑只能在機(jī)械日工作期間進(jìn)行外部檢查及性能試驗(yàn)檢查,只是判斷“是否能用”。尤其是對(duì)飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的核心部件——“防滑控制盒”,也只能進(jìn)行二線(xiàn)檢測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的聯(lián)合檢測(cè)。

二、飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)檢測(cè)原理與總體結(jié)構(gòu)

（一）飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)原理

飛機(jī)剎車(chē)制動(dòng)主要是依靠輪胎和地面間產(chǎn)生的結(jié)合力，即反向摩擦力使飛機(jī)減速，結(jié)合力越大，飛機(jī)剎車(chē)減速度就越快，剎車(chē)距離就越短。

飛機(jī)滑跑時(shí)，當(dāng)飛行員踩下剎車(chē)踏板進(jìn)行剎車(chē)，剎車(chē)閥輸出的剎車(chē)壓力大于1±0.1MPa時(shí)，液控開(kāi)關(guān)接通防滑控制盒的電源，防滑系統(tǒng)開(kāi)始工作。防滑控制盒根據(jù)左、右機(jī)輪輪速傳感器發(fā)出的與機(jī)輪角速度成正比的電壓信號(hào)控制剎車(chē)電磁閥電路的通、斷，當(dāng)機(jī)輪減速率達(dá)到規(guī)定的參考速率的門(mén)限值時(shí)，防滑控制盒發(fā)出電信號(hào)使剎車(chē)電磁閥通電，進(jìn)行油路的切換，此時(shí)高壓油路被切斷，剎車(chē)裝置內(nèi)的油液經(jīng)過(guò)節(jié)流器、剎車(chē)電磁閥后流回油箱，剎車(chē)裝置內(nèi)的壓力被釋放，機(jī)輪松剎，避免機(jī)輪產(chǎn)生拖胎。機(jī)輪松剎后，防滑控制盒又?jǐn)嚅_(kāi)剎車(chē)電磁閥的電路，剎車(chē)壓力進(jìn)入剎車(chē)裝置，使機(jī)輪剎住。重復(fù)該過(guò)程，便實(shí)現(xiàn)了防滑、剎車(chē)的功用。

（二）飛機(jī)防滑剎車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示就是飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)原位檢測(cè)儀的總體結(jié)構(gòu)圖[1]。檢測(cè)儀的功能定位于檢測(cè)飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的輪速傳感器性能、防滑控制盒性能、防滑剎車(chē)系統(tǒng)的全線(xiàn)路性能。防滑剎車(chē)系統(tǒng)全線(xiàn)路主要包括剎車(chē)電磁閥、剎車(chē)壓力傳感器、液控開(kāi)關(guān)、剎車(chē)系統(tǒng)油路等部附件性能[2]。

圖1　飛機(jī)防滑剎車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)原位檢測(cè)儀在檢測(cè)過(guò)程中，首先由MSP430F149控制板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)進(jìn)行輪速傳感器性能檢測(cè)時(shí)，輪速傳感器在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速帶轉(zhuǎn)下輸出兩路正弦信號(hào)。如圖1所示正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理和方波變換后，向MSP430F149的“片內(nèi)信號(hào)捕獲”模塊輸入方波信號(hào)，“片內(nèi)信號(hào)捕獲”模塊捕獲信號(hào)頻率；在對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率下，“片內(nèi)AD采樣”模塊獲取調(diào)理模塊輸出的采樣信號(hào)電壓，得出在待檢測(cè)頻率下的信號(hào)輸出電壓；當(dāng)進(jìn)行“防滑控制盒”性能檢測(cè)時(shí)，根據(jù)“防滑控制盒”的性能參數(shù)檢測(cè)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(hào)到“防滑控制盒”，如圖1中同時(shí)采集“防滑控制盒”的輸出動(dòng)作信號(hào)[3]，計(jì)算獲取防滑控制盒的性能參數(shù)；當(dāng)進(jìn)行飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的全線(xiàn)路性能檢測(cè)時(shí)，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(hào)，操作員模擬飛行員進(jìn)行剎車(chē)操作，緩慢調(diào)整剎車(chē)壓力到最大且保持，調(diào)整過(guò)程中，原位檢測(cè)儀檢測(cè)“液控開(kāi)關(guān)”接通時(shí)的剎車(chē)壓力，液控開(kāi)關(guān)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(cè) “剎車(chē)狀態(tài)信號(hào)”，在剎車(chē)壓力傳感器的輸出端檢測(cè)“剎車(chē)壓力信號(hào)”，四路信號(hào)經(jīng)調(diào)理和采樣、計(jì)算后輸出到“TFT多功能串口屏”形成“采樣曲線(xiàn)”，對(duì)應(yīng)機(jī)輪的“剎車(chē)狀態(tài)信號(hào)”和“剎車(chē)壓力信號(hào)”兩兩對(duì)比，獲取整個(gè)剎車(chē)系統(tǒng)由剎車(chē)控制信號(hào)輸出到剎車(chē)部附件動(dòng)作執(zhí)行的響應(yīng)參數(shù)，評(píng)估系統(tǒng)“全線(xiàn)路”性能[2]。

三、飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)原位檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際功能的設(shè)計(jì)要求采用具有精簡(jiǎn)指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)的16位MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片，它自帶有60KB的Flash存儲(chǔ)器，無(wú)需擴(kuò)展就可以滿(mǎn)足復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)存儲(chǔ)要求。MSP430F149具有16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）[4]。 MSP430F149單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，減少了系統(tǒng)外圍模塊設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，對(duì)功能硬件的操作更加方便。

（一）輪速信號(hào)模擬模塊

輪速傳感器輸出正弦波信號(hào)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(hào)發(fā)生器完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。AD9833芯片是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波。AD9833芯片的輸出頻率和相位可通過(guò)軟件進(jìn)行編程，調(diào)整簡(jiǎn)單，無(wú)需外部元件。它的頻率寄存器為28位，時(shí)鐘速率為25MHz時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.1Hz的分辨率；而時(shí)鐘速率為1MHz時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)0.004Hz的分辨率。如圖2是以AD9833芯片為核心的輪速信號(hào)模擬模塊的原理圖[5]。圖2中AD9833芯片的控制電路采用三線(xiàn)制的串行接口，F(xiàn)SYNC是同步信號(hào)，SCLK是時(shí)鐘信號(hào)，SDATA是輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，VOUT引腳是調(diào)整輸出的正弦信號(hào)。MSP430F149單片機(jī)就是通過(guò)這三個(gè)信號(hào)接口控制AD9833芯片的輸出信號(hào)頻率。

圖2　輪速信號(hào)模擬

（二）信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊在整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)采樣過(guò)程中主要承擔(dān)著信號(hào)的前端調(diào)理，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制器可以采樣的信號(hào)。因此信號(hào)調(diào)理模塊的性能直接決定了設(shè)計(jì)最終的檢測(cè)精度。由于剎車(chē)狀態(tài)信號(hào)、剎車(chē)壓力傳感器信號(hào)、輪速傳感器信號(hào)都屬于微弱信號(hào)，不滿(mǎn)足后續(xù)信號(hào)采集器的采集要求，因此信號(hào)調(diào)理模塊要將信號(hào)轉(zhuǎn)變成信號(hào)采集模塊采集范圍內(nèi)的信號(hào)。信號(hào)調(diào)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(dòng)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(duì)輸入信號(hào)具有良好的放大作用[6]。

（三）人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要是供用戶(hù)輸入指令和檢測(cè)結(jié)果的顯示。為了得到良好的人機(jī)交互體驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)了畫(huà)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(qū)動(dòng)、圖片字庫(kù)存儲(chǔ)、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(yīng)的串口指令就可以輕松實(shí)現(xiàn)文本、圖片和曲線(xiàn)的顯示，可以對(duì)剎車(chē)狀態(tài)信號(hào)和剎車(chē)壓力信號(hào)進(jìn)行采集、曲線(xiàn)繪畫(huà)和對(duì)比。設(shè)計(jì)中只需要一個(gè)串口就能實(shí)現(xiàn)串口屏顯示豐富友好的畫(huà)面和讀取觸摸屏的指令輸入功能。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)如圖3所示,主要包含系統(tǒng)的初始化程序、三大任務(wù)功能程序（任務(wù)1表示輪速傳感器檢測(cè)程序；任務(wù)2表示防滑控制盒的檢測(cè)程序；任務(wù)3表示防滑剎車(chē)系統(tǒng)全線(xiàn)路檢測(cè)程序）以及TFT串口屏的GUI設(shè)計(jì)程序。前三類(lèi)程序都是針對(duì)MSP430F149主控板的設(shè)計(jì)，大部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，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(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

（一）系統(tǒng)初始化程序

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

（二）主任務(wù)功能程序

輪速傳感器檢測(cè)程序、防滑控制盒檢測(cè)程序、剎車(chē)系統(tǒng)全線(xiàn)路檢測(cè)程序作為三大任務(wù)功能程序。輪速傳感器檢測(cè)程序完成當(dāng)輪速傳感器在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源的帶動(dòng)下，輸出對(duì)應(yīng)的兩路正弦波信號(hào)，正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊和方波變換以后，由MSP430F149主控板的片內(nèi)信號(hào)捕獲模塊完成對(duì)輸入的方波信號(hào)的頻率捕獲，獲得輪速傳感器的性能參數(shù)。防滑控制盒的檢測(cè)程序完成對(duì)防滑控制盒的性能參數(shù)檢測(cè)，“輪速模擬模塊（AD9833模塊）”輸出輪速信號(hào)到防滑控制盒，采樣防滑控制盒的輸出狀態(tài)信號(hào)，計(jì)算防滑通路動(dòng)作時(shí)間、防滑動(dòng)作頻率、輪速信號(hào)頻率上升時(shí)的閉鎖解除閾值等多項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)。由于防滑控制盒的檢測(cè)項(xiàng)目繁多，程序設(shè)置了手動(dòng)檢測(cè)模式和自動(dòng)檢測(cè)模式，前者是由用戶(hù)手動(dòng)選擇檢測(cè)項(xiàng)目，后者是由系統(tǒng)控制檢測(cè)項(xiàng)目，最終將檢測(cè)和分析結(jié)果通過(guò)串口輸出至TFT串口顯示屏，實(shí)現(xiàn)一鍵式檢測(cè)；防滑剎車(chē)系統(tǒng)全線(xiàn)路檢測(cè)程序完成對(duì)整個(gè)剎車(chē)系統(tǒng)附件的檢測(cè)，在剎車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行期間，MSP430F149的片內(nèi)A/D通過(guò)采樣剎系統(tǒng)的兩路剎車(chē)狀態(tài)信號(hào)和剎車(chē)壓力信號(hào)，依托TFT串口屏的數(shù)據(jù)處理和顯示功能進(jìn)行兩種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)對(duì)比，對(duì)剎車(chē)的狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車(chē)電磁閥、剎車(chē)壓力傳感器、液控開(kāi)關(guān)和剎車(chē)油路等部附件的性能檢測(cè)，從而直觀地展示剎車(chē)系統(tǒng)的全線(xiàn)路性能狀況。

（三）數(shù)據(jù)分析程序

由于三大任務(wù)檢測(cè)程序中都有較多的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，如果單純依靠操作人員先記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后分析、計(jì)算，不僅消耗時(shí)間，而且準(zhǔn)確性也大打折扣，因此設(shè)計(jì)中采用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用MSP430F149芯片內(nèi)部的60KBFlash空間存儲(chǔ)用戶(hù)通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置的性能參數(shù)閾值，同時(shí)這些參數(shù)閾值完全可以經(jīng)用戶(hù)更改后再重新保存，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用新的參數(shù)閾值覆蓋早期的。檢測(cè)設(shè)備將檢測(cè)到的實(shí)際性能參數(shù)與設(shè)置值進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。最終將檢測(cè)和分析結(jié)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(jī)界面的友好交互。TFT串口屏的GUI設(shè)計(jì)采用了廣州大彩科技有限公司提供的VisualTFT開(kāi)發(fā)軟件將預(yù)先設(shè)計(jì)好的美工圖片進(jìn)行界面排版和控件配置，然后運(yùn)行虛擬串口屏進(jìn)行模擬仿真，最后通過(guò)UART將整個(gè)工程信息下載到串口屏內(nèi)部存儲(chǔ)器中。VisualTFT軟件會(huì)對(duì)工程中的每個(gè)畫(huà)面、圖片和控件分配一個(gè)唯一的ID號(hào)。MSP430F149主控板也是通過(guò)讀取這些唯一的ID號(hào)對(duì)應(yīng)的控件狀態(tài)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)指令的讀取和結(jié)果的顯示。VisualTFT軟件開(kāi)發(fā)的可視化編程，增強(qiáng)了人機(jī)界面的友好性，讓程序設(shè)計(jì)更加便捷。

五、結(jié)論

基于MSP430F149單片機(jī)的飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的原位檢測(cè)儀不僅能達(dá)到當(dāng)前某型飛機(jī)的防滑剎車(chē)系統(tǒng)檢測(cè)要求，而且相對(duì)于以前的檢測(cè)設(shè)備有以下創(chuàng)新點(diǎn)：面對(duì)某型飛機(jī)的實(shí)際情況需求，將二線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備推進(jìn)到一線(xiàn)檢測(cè)使用，促進(jìn)了精細(xì)化的維護(hù)；檢測(cè)內(nèi)容的全面性，進(jìn)一步反映了整個(gè)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的真實(shí)“健康”狀況；自動(dòng)的檢測(cè)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析能力減少了人為失誤，同時(shí)賦予了設(shè)備的智能化，真正實(shí)現(xiàn)“一鍵式”檢測(cè)，提高了狀態(tài)檢測(cè)的準(zhǔn)確性；友好的人機(jī)交互，增強(qiáng)了外場(chǎng)工作人員的可操作性；盒式的安裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使攜帶更加方便，更加適應(yīng)外場(chǎng)的工作使用環(huán)境。綜合上述幾點(diǎn)，基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)的防滑剎車(chē)系統(tǒng)的原位檢測(cè)儀完全滿(mǎn)足某型飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)要求。

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王曉日，學(xué)歷：本科。職 務(wù)；海軍航空兵學(xué)院一基地第二訓(xùn)練團(tuán)副團(tuán)長(zhǎng)（工程師）主要從事工作：海軍航空兵機(jī)務(wù)保障工作。