基于MSP430F149的飞机防滑刹车系统原位检测仪

王晓日 张保柱

【摘 要】飞机防滑刹车系统作为飞机的重要机载设备对飞机的起飞、着陆安全起着至关重要的作用。文章首先分析了防滑刹车系统的工作原理，针对防滑刹车系统的测试要求，设计了飞机防滑刹车系统原位检测仪的硬件系统和软件系统。硬件采用具有精简指令集（ RISC ）结构的16位MSP430F149单片机作为主控芯片，软件包含系统的初始化程序、轮速传感器检测程序、防滑控制盒检测程序、防滑刹车系统全线路检测程序。解决了目前某型飞机外场机务维护对防滑刹车系统不能进行全系统联合检测的问题。这是一种适用于外场使用、检测内容更全、检测指标更加详细的原位检测仪。

【关键词】防滑刹车系统；可靠性；故障检测

一、引言

根据某型飞机近两年以来的故障分析报告，某型飞机已经进入了防滑刹车系统故障的多发期，而且该飞机的大修期限已过，正处于延寿使用阶段，装备的可靠性急剧下滑，加之飞行训练任务重等因素，所以对飞机防滑刹车系统性能提出了更高的检测要求。目前飞机防滑刹车系统检测途径只能在机械日工作期间进行外部检查及性能试验检查，只是判断“是否能用”。尤其是对飞机防滑刹车系统的核心部件——“防滑控制盒”，也只能进行二线检测，不能实现飞机防滑刹车系统的联合检测。

二、飞机防滑刹车系统检测原理与总体结构

（一）飞机防滑刹车系统原理

飞机刹车制动主要是依靠轮胎和地面间产生的结合力，即反向摩擦力使飞机减速，结合力越大，飞机刹车减速度就越快，刹车距离就越短。

飞机滑跑时，当飞行员踩下刹车踏板进行刹车，刹车阀输出的刹车压力大于1±0.1MPa时，液控开关接通防滑控制盒的电源，防滑系统开始工作。防滑控制盒根据左、右机轮轮速传感器发出的与机轮角速度成正比的电压信号控制刹车电磁阀电路的通、断，当机轮减速率达到规定的参考速率的门限值时，防滑控制盒发出电信号使刹车电磁阀通电，进行油路的切换，此时高压油路被切断，刹车装置内的油液经过节流器、刹车电磁阀后流回油箱，刹车装置内的压力被释放，机轮松刹，避免机轮产生拖胎。机轮松刹后，防滑控制盒又断开刹车电磁阀的电路，刹车压力进入刹车装置，使机轮刹住。重复该过程，便实现了防滑、刹车的功用。

（二）飞机防滑刹车检测系统总体结构

如图1所示就是飞机防滑刹车系统原位检测仪的总体结构图[1]。检测仪的功能定位于检测飞机防滑刹车系统的轮速传感器性能、防滑控制盒性能、防滑刹车系统的全线路性能。防滑刹车系统全线路主要包括刹车电磁阀、刹车压力传感器、液控开关、刹车系统油路等部附件性能[2]。

飞机防滑刹车系统原位检测仪在检测过程中，首先由MSP430F149控制板对系统进行初始化，当进行轮速传感器性能检测时，轮速传感器在标准转速源的对应标准转速带转下输出两路正弦信号。如图1所示正弦信号经过信号调理模块调理和方波变换后，向MSP430F149的“片内信号捕获”模块输入方波信号，“片内信号捕获”模块捕获信号频率；在对应的信号频率下，“片内AD采样”模块获取调理模块输出的采样信号电压，得出在待检测频率下的信号输出电压；当进行“防滑控制盒”性能检测时，根据“防滑控制盒”的性能参数检测要求，由MSP430F149控制板控制“轮速模拟模块（AD9833模块）”输出可编程的轮速模拟信号到“防滑控制盒”，如图1中同时采集“防滑控制盒”的输出动作信号[3]，计算获取防滑控制盒的性能参数；当进行飞机防滑刹车系统的全线路性能检测时，由MSP430F149控制板控制“轮速模拟模块（AD9833模块）”输出可编程的轮速模拟信号，操作员模拟飞行员进行刹车操作，缓慢调整刹车压力到最大且保持，调整过程中，原位检测仪检测“液控开关”接通时的刹车压力，液控开关接通后，防滑控制盒通电工作，如图1中在防滑控制盒的输出端检测 “刹车状态信号”，在刹车压力传感器的输出端检测“刹车压力信号”，四路信号经调理和采样、计算后输出到“TFT多功能串口屏”形成“采样曲线”，对应机轮的“刹车状态信号”和“刹车压力信号”两两对比，获取整个刹车系统由刹车控制信号输出到刹车部附件动作执行的响应参数，评估系统“全线路”性能[2]。

三、飞机防滑刹车系统原位检测仪硬件设计

根据系统实际功能的设计要求采用具有精简指令集（ RISC ）结构的16位MSP430F149单片机作为主控芯片，它自带有60KB的Flash存储器，无需扩展就可以满足复杂的软件设计存储要求。MSP430F149具有16 位的数据宽度、 125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）[4]。 MSP430F149单片机具有丰富的片内外设，减少了系统外围模块设计的复杂性，对功能硬件的操作更加方便。

（一）轮速信号模拟模块

轮速传感器输出正弦波信号的频率是在0-3KHz之间，采用以AD9833芯片为核心组成的正弦波信号发生器完全满足设计要求。AD9833芯片是一款低功耗、可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波。AD9833芯片的输出频率和相位可通过软件进行编程，调整简单，无需外部元件。它的频率寄存器为28位，时钟速率为25MHz时，可以实现0.1Hz的分辨率；而时钟速率为1MHz时，则可以实现0.004Hz的分辨率。如图2是以AD9833芯片为核心的轮速信号模拟模块的原理图[5]。图2中AD9833芯片的控制电路采用三线制的串行接口，FSYNC是同步信号，SCLK是时钟信号，SDATA是输入数据信号，VOUT引脚是调整输出的正弦信号。MSP430F149单片机就是通过这三个信号接口控制AD9833芯片的输出信号频率。

（二）信号调理模块

信号调理模块在整个系统的信号采样过程中主要承担着信号的前端调理，将输入信号转化为控制器可以采样的信号。因此信号调理模块的性能直接决定了设计最终的检测精度。由于刹车状态信号、刹车压力传感器信号、轮速传感器信号都属于微弱信号，不满足后续信号采集器的采集要求，因此信号调理模块要将信号转变成信号采集模块采集范围内的信号。信号调理模块中最主要的就是仪表放大器。仪表放大器是一种特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，及其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，对输入信号具有良好的放大作用[6]。

（三）人机交互模块

人机交互模块主要是供用户输入指令和检测结果的显示。为了得到良好的人机交互体验，采用了由广州大彩光电科技有限公司推出的5.0寸工业串口屏。串口屏实现了画面显示和触摸屏输入的功能。这款TFT触摸显示屏是集TFT显示驱动、图片字库存储、GUI操作、RTC显示以及各种组态控件于一体的串口显示终端。MSP430F149芯片只要发送相应的串口指令就可以轻松实现文本、图片和曲线的显示，可以对刹车状态信号和刹车压力信号进行采集、曲线绘画和对比。设计中只需要一个串口就能实现串口屏显示丰富友好的画面和读取触摸屏的指令输入功能。

四、系统软件设计

软件设计如图3所示，主要包含系统的初始化程序、三大任务功能程序（任务1表示轮速传感器检测程序；任务2表示防滑控制盒的检测程序；任务3表示防滑刹车系统全线路检测程序）以及TFT串口屏的GUI设计程序。前三类程序都是针对MSP430F149主控板的设计，大部分采用C语言进行编写，只有TFT串口屏的GUI程序采用广州大彩光电科技有限公司配套的VisualTFT开发软件进行设计。

（一）系统初始化程序

系统的初始化程序主要包括整个系统的上电自检、MSP430F149的片内定时器/捕获模块、A/D模块、串口模块和各I/O设备的初始化[4]。同时还要在TFT串口屏上打印输出自检和初始化的结果，并提供下一步操作的提示以及等待读取用户的输入指令。

（二）主任务功能程序

轮速传感器检测程序、防滑控制盒检测程序、刹车系统全线路检测程序作为三大任务功能程序。轮速传感器检测程序完成当轮速传感器在标准转速源的带动下，输出对应的两路正弦波信号，正弦波信号经过信号调理模块和方波变换以后，由MSP430F149主控板的片内信号捕获模块完成对输入的方波信号的频率捕获，获得轮速传感器的性能参数。防滑控制盒的检测程序完成对防滑控制盒的性能参数检测，“轮速模拟模块（AD9833模块）”输出轮速信号到防滑控制盒，采样防滑控制盒的输出状态信号，计算防滑通路动作时间、防滑动作频率、轮速信号频率上升时的闭锁解除阈值等多项检测参数。由于防滑控制盒的检测项目繁多，程序设置了手动检测模式和自动检测模式，前者是由用户手动选择检测项目，后者是由系统控制检测项目，最终将检测和分析结果通过串口输出至TFT串口显示屏，实现一键式检测；防滑刹车系统全线路检测程序完成对整个刹车系统附件的检测，在刹车系统运行期间，MSP430F149的片内A/D通过采样刹系统的两路刹车状态信号和刹车压力信号，依托TFT串口屏的数据处理和显示功能进行两种数据的实时曲线对比，对刹车的状态进行闭环检测，实现对刹车电磁阀、刹车压力传感器、液控开关和刹车油路等部附件的性能检测，从而直观地展示刹车系统的全线路性能状况。

（三）数据分析程序

由于三大任务检测程序中都有较多的数据分析内容，如果单纯依靠操作人员先记录检测数据，然后分析、计算，不仅消耗时间，而且准确性也大打折扣，因此设计中采用软件进行数据分析。利用MSP430F149芯片内部的60KBFlash空间存储用户通过人机界面设置的性能参数阈值，同时这些参数阈值完全可以经用户更改后再重新保存，系统会自动调用新的参数阈值覆盖早期的。检测设备将检测到的实际性能参数与设置值进行对比分析，评估系统的真实运行状态。最终将检测和分析结果输出到TFT串口屏显示。

（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机界面的友好交互。TFT串口屏的GUI设计采用了广州大彩科技有限公司提供的VisualTFT开发软件将预先设计好的美工图片进行界面排版和控件配置，然后运行虚拟串口屏进行模拟仿真，最后通过UART将整个工程信息下载到串口屏内部存储器中。VisualTFT软件会对工程中的每个画面、图片和控件分配一个唯一的ID号。MSP430F149主控板也是通过读取这些唯一的ID号对应的控件状态实现用户指令的读取和结果的显示。VisualTFT软件开发的可视化编程，增强了人机界面的友好性，让程序设计更加便捷。

五、结论

基于MSP430F149单片机的飞机防滑刹车系统的原位检测仪不仅能达到当前某型飞机的防滑刹车系统检测要求，而且相对于以前的检测设备有以下创新点：面对某型飞机的实际情况需求，将二线检测设备推进到一线检测使用，促进了精细化的维护；检测内容的全面性，进一步反映了整个防滑刹车系统的真实“健康”状况；自动的检测过程和数据分析能力减少了人为失误，同时赋予了设备的智能化，真正实现“一键式”检测，提高了状态检测的准确性；友好的人机交互，增强了外场工作人员的可操作性；盒式的安装设计结构使携带更加方便，更加适应外场的工作使用环境。综合上述几点，基于MSP430F149单片机设计的防滑刹车系统的原位检测仪完全满足某型飞机防滑刹车系统的实际检测要求。

参考文献

[1]党玲平，李玉忍.一种飞机防滑控制系统的设计 [J]. 计算机测量与控制，2006，14.

[2]冬苓，李玉忍，谢利理.飞机防滑刹车系统的建模与仿真研究[J].测控技术，2004，23.

[3]王纪森，何长安.防滑刹车控制系统分析[J]西北工业大学学报，2000，18.

[4]王洪君.单片机原理及应用[M]山东 山东大学出版社， 2009.2.

[5]沙占友.单片机外围电路设计[M].北京 电子工业出版社，2003：162-166.

[6]尹勇.Protel DXP电路设计与入门进阶[M]北京 科学出版社，2004.

作者简介：

王晓日，学历：本科。职 务；海军航空兵学院一基地第二训练团副团长（工程师）主要从事工作：海军航空兵机务保障工作。