一種基于SOC的風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦 沖，王瑜嘉，惠曉強(qiáng)

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

航空風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)是飛機(jī)的重要控制系統(tǒng)之一，在傳統(tǒng)的航空風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多采用分立元器件、延遲繼電器及機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)控制功能，使用該方法設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)上線路鋪設(shè)麻煩，且延遲繼電器尺寸大，壽命短，使得風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)后期維修更換成本高。本文針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)擋雨刷的缺點(diǎn)，提出了一種基于SOC片上系統(tǒng)的風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法具有集成度高、壽命長(zhǎng)、線路鋪設(shè)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于SOC片上系統(tǒng)的航空風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)由左控制盒、右控制盒、系統(tǒng)控制模塊、雨刷電機(jī)、沖洗泵組成，其中，控制模塊單元采用嵌入ARM處理器內(nèi)核的SOC片上系統(tǒng)芯片作為主控制單元，實(shí)現(xiàn)采集信息的解算及輸出控制功能。系統(tǒng)設(shè)置主控制盒和副控制盒，分別位于飛機(jī)駕駛艙內(nèi)主駕駛位和副駕駛位，用于共同控制風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)的雨刷電機(jī)和沖洗泵工作。系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)模塊同時(shí)采集主/副控制盒的控制狀態(tài)信息，并對(duì)采集的狀態(tài)信息進(jìn)行有效性判斷。當(dāng)主/副控制盒狀態(tài)信息不一致時(shí)，則以主控制盒的狀態(tài)信息進(jìn)行風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)控制工作。根據(jù)控制需求，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雨天的雨刷電機(jī)高速、低速運(yùn)行的雨刮控制工作，也可以實(shí)現(xiàn)非雨天時(shí)的沖洗泵與雨刷電機(jī)協(xié)同工作完成風(fēng)擋玻璃沖洗工作。風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)模塊包括SOC處理器最小系統(tǒng)單元、狀態(tài)采集控制單元、雨刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、沖洗泵驅(qū)動(dòng)單元和供電單元組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 SOC處理器最小系統(tǒng)單元

圖2 系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)模塊框圖

SOC處理器最小系統(tǒng)單元是風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)的核心單元，主要完成風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集、控制解算及輸出驅(qū)動(dòng)控制功能。該處理器最小系統(tǒng)單元以集成ARM處理器內(nèi)核的SOC片上系統(tǒng)芯片為核心芯片，外圍電路配置如下：一是配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器電路：設(shè)計(jì)采用2片16位128MB存儲(chǔ)容量的DDR3 SDRAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)32位存儲(chǔ)器訪問(wèn)操作，SOC芯片自帶有1.5V的32位DDR接口，可與2片DDR3芯片直接相連；二是配置程序存儲(chǔ)器電路：設(shè)計(jì)采用1片128Mbit的FLASH芯片作為程序存儲(chǔ)器，該程序存儲(chǔ)器芯片具有QSPI總線接口，與SOC芯片自帶的QSPI接口直接相連，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)和訪問(wèn)；三是配置處理器供電電路：設(shè)計(jì)采用2片Linear公司的DC/DC芯片，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部5V電壓到1.0V、1.5V、1.8V、3.3V電壓的二次電源轉(zhuǎn)換功能，為處理器最小系統(tǒng)單元提供電源供電；四是配置調(diào)試接口電路：采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口芯片，配備DB9串行接口母頭，實(shí)現(xiàn)處理器調(diào)試接口電路；五是配置DDR3供電調(diào)理電路：采用DDR專用的終端調(diào)理電壓芯片，實(shí)現(xiàn)1.5V到0.75V參考電壓的轉(zhuǎn)換功能，為DDR3提供參考調(diào)理電壓，保證DDR3芯片的正常運(yùn)行。

2.2 狀態(tài)采集檢測(cè)單元

狀態(tài)采集檢測(cè)單元用于采集主、副控制盒的高速、低速、沖洗按鈕的狀態(tài)信息，并將采集到的狀態(tài)信息傳輸給SOC處理器最小系統(tǒng)單元進(jìn)行解算。狀態(tài)采集檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)中，在狀態(tài)采集輸入端采用RC濾波電路對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波防抖處理，以防止因控制盒抖動(dòng)及其他干擾帶來(lái)的誤操作；通過(guò)RC濾波電路后的狀態(tài)信息，采用自帶三級(jí)雷電防護(hù)的離散量采集芯片，實(shí)現(xiàn)離散量信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，并將采集結(jié)果存儲(chǔ)在該芯片內(nèi)部寄存器中；SOC處理器最小系統(tǒng)單元通過(guò)SPI總線接口，周期性對(duì)離散量采集芯片進(jìn)行訪問(wèn)控制，讀取內(nèi)部寄存器中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元接收SOC處理器最小系統(tǒng)的輸出命令，驅(qū)動(dòng)控制雨刷電機(jī)的工作狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元電路設(shè)計(jì)中，采用光電耦合器芯片進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低電壓控制信號(hào)到高電壓控制信號(hào)的電隔離，保護(hù)驅(qū)動(dòng)控制單元；采用高端驅(qū)動(dòng)器芯片實(shí)現(xiàn)功率型輸出，通過(guò)控制高端驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通狀態(tài)，輸出28V PWM脈寬調(diào)制波形，從而控制雨刷電機(jī)的高速、低速工作狀態(tài)。同時(shí)該電路提供一路復(fù)位控制輸出，用于控制雨刷電機(jī)的復(fù)位功能。

2.4 沖洗泵驅(qū)動(dòng)單元

沖洗泵驅(qū)動(dòng)單元接收SOC處理器最小系統(tǒng)的輸出命令，驅(qū)動(dòng)控制沖洗泵的工作狀態(tài)。沖洗泵驅(qū)動(dòng)單元電路設(shè)計(jì)中，同樣采用光電耦合器進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，通過(guò)控制高端驅(qū)動(dòng)器的功率輸出給沖洗泵供電，從而控制沖洗泵的工作，實(shí)現(xiàn)沖洗出水功能。

2.5 供電單元

供電單元用于完成機(jī)上輸入電壓到內(nèi)部二次電源電壓的隔離轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)向雨刷電機(jī)提供工作電壓供電。供電單元具備輸入電壓的過(guò)壓和浪涌保護(hù)功能，同時(shí)具備對(duì)二次電源輸出的過(guò)流保護(hù)功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)可以具有兩種工作模式，一種是下雨天的雨刮器持續(xù)工作模式，一種是非下雨天的沖洗工作模式。其系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)上電后，首先完成對(duì)控制模塊內(nèi)各個(gè)單元的初始化操作過(guò)程，輸出狀態(tài)處于默認(rèn)安全狀態(tài)，然后系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。狀態(tài)采集檢測(cè)單元周期性采集主/副控制盒開關(guān)按鈕狀態(tài)信息，SOC處理器最小系統(tǒng)周期性讀取采集的狀態(tài)信息，判斷其狀態(tài)是否有效，并進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，具體工作控制過(guò)程如下：

沖洗工作過(guò)程：當(dāng)沖洗狀態(tài)有效時(shí)，則系統(tǒng)首先控制沖洗泵驅(qū)動(dòng)單元輸出有效，控制沖洗泵工作出水10s時(shí)間；然后控制雨刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出有效，控制雨刷電機(jī)工作30s時(shí)間；最后輸出復(fù)位信號(hào)有效，控制雨刷電機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，從而完成風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)的沖洗工作過(guò)程。

雨刮工作過(guò)程：當(dāng)雨刷高速/低速狀態(tài)有效時(shí)，則系統(tǒng)控制雨刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM脈寬調(diào)制（高速和低速通過(guò)PWM輸出脈寬的不同占空比進(jìn)行區(qū)分處理）輸出持續(xù)有效，直到系統(tǒng)檢測(cè)到高速/低速狀態(tài)無(wú)效時(shí)，控制關(guān)閉雨刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出，同時(shí)輸出復(fù)位信號(hào)有效，控制雨刷電機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，從而完成風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)的雨刮工作過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在試驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)實(shí)物聯(lián)試驗(yàn)證，該基于SOC片上系統(tǒng)的風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)工作正常，控制功能有效，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)風(fēng)擋雨刷控制功能。本文提出一種基于SOC片上系統(tǒng)的風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)，采用集成處理器和邏輯運(yùn)行功能，通過(guò)PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)雨刷電機(jī)的高、低速調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)通過(guò)集成控制設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了機(jī)上布線復(fù)雜度，提高了雨刷電機(jī)控制精度，可以滿足航空領(lǐng)域中的使用要求。