嚴(yán) 康，于寶成，王春梅

(武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

基于LabVIEW與FPGA的某型飛機(jī)防滑剎車盒研究

嚴(yán) 康，于寶成，王春梅

(武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

飛機(jī)防滑剎車控制系統(tǒng)是飛機(jī)重要的機(jī)載設(shè)備,對(duì)飛機(jī)的起飛、著陸安全起著重要作用。對(duì)某型軍用飛機(jī)的防滑剎車系統(tǒng)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，搭建了基于LabVIEW FPGA模塊的半實(shí)物仿真平臺(tái)。分析了該型飛機(jī)在降落過(guò)程中的防滑剎車控制盒輸出信號(hào)的變化,以提高飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)可維護(hù)性和故障檢測(cè)能力。

防滑剎車盒;LabVIEW FPGA模塊;剎車系統(tǒng);特性曲線;半實(shí)物仿真

0 引言

飛機(jī)防滑剎車控制盒是整個(gè)剎車系統(tǒng)的核心控制部件。它接收指令傳感器的剎車信號(hào)和機(jī)輪速度傳感器的速度信號(hào),以此為依據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制電信號(hào),打開(kāi)電磁液壓鎖和操縱電液伺服閥去調(diào)節(jié)剎車盤(pán)剎車壓力[1]。

隨著某型飛機(jī)對(duì)安全可靠性要求的提高，在各種極端情況下安全起飛和著陸時(shí)，對(duì)防滑剎車控制盒能否給出合適的控制信號(hào)進(jìn)行研究是很有必要的。構(gòu)建該型飛機(jī)防滑剎車盒故障診斷測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)發(fā)典型機(jī)電液測(cè)試系統(tǒng),對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，在機(jī)電液系統(tǒng)維護(hù)、檢測(cè)、故障診斷等方面提供技術(shù)支持、咨詢和保障[2]。該型飛機(jī)系列的防滑剎車盒信號(hào)種類繁多，實(shí)時(shí)性高，測(cè)試流程復(fù)雜,傳統(tǒng)的IO卡已不能很好地滿足對(duì)各種信號(hào)高速采集的要求。本研究采用NI PXI-7851R數(shù)字RIO板卡，提供可編程FPGA芯片，利用靈活的I/O操作，同時(shí)借助NI LabVIEW圖形化程序框圖和NI LabVIEW FPGA模塊，配置各項(xiàng)模擬和數(shù)字功能。

1 防滑剎車系統(tǒng)組成與功能

某型飛機(jī)的防滑剎車系統(tǒng)包括機(jī)輪剎車調(diào)節(jié)系統(tǒng)和防滑控制系統(tǒng)兩部分。數(shù)字防滑剎車控制器系統(tǒng)包括減壓閥、剎車控制器、電液伺服閥、剎車裝置、機(jī)輪、機(jī)輪速度傳感器、剎車指令傳感器等,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 總體架構(gòu)

某型飛機(jī)防滑剎車測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)處理模塊、部件接口模塊兩部分組成，總體架構(gòu)如圖2所示。

圖1 飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 防滑剎車測(cè)試系統(tǒng)總體架構(gòu)

信號(hào)處理模塊用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)所需的各類信號(hào)模擬及故障注入。該模塊采用總線測(cè)試技術(shù)和LabVIEW通用測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建，包括CPU模塊、程控信號(hào)發(fā)生器、AD/DA采集板、獨(dú)立控制DI、獨(dú)立控制DO、通訊接口板等。部件接口模塊需要供電模塊給其它模塊供電，然后由信號(hào)接口模塊接收來(lái)自防滑剎車控制單元、剎車模擬操縱臺(tái)、液壓系統(tǒng)的信號(hào)，信號(hào)采集卡對(duì)信號(hào)處理后在工控機(jī)上顯示采集結(jié)果，完成飛機(jī)剎車測(cè)試。

1.2 防滑剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某型飛機(jī)測(cè)試硬件平臺(tái)主要包括指令傳感器、速度傳感器、模擬負(fù)載，由于雙元?jiǎng)x車指令傳感器、雙信號(hào)輪速傳感器沒(méi)有真實(shí)的附件，因此測(cè)試平臺(tái)針對(duì)以上傳感器模塊進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)。

(1)模擬負(fù)載。采用線圈電阻來(lái)模擬某型飛機(jī)機(jī)輪防滑剎車系統(tǒng)中的雙信號(hào)速度傳感器、雙元?jiǎng)x車指令傳感器、電磁液壓鎖和電液壓力伺服閥負(fù)載，其技術(shù)參數(shù)由某空軍院校提供。利用開(kāi)關(guān)電路來(lái)模擬這些負(fù)載的正常情況和單故障情況。

(2)雙信號(hào)速度傳感器。機(jī)輪速度傳感器能產(chǎn)生頻率與機(jī)輪速度成正比的近似正弦波信號(hào)，并以此代表機(jī)輪速度傳送給防滑剎車盒。本測(cè)試系統(tǒng)利用LabVIEW FPGA模擬正弦波信號(hào)，頻率幅值可調(diào)且可由用戶設(shè)定。

(3)雙元?jiǎng)x車指令傳感器。當(dāng)飛行員踩動(dòng)腳踏板時(shí)，與腳踏板相連的剎車指令傳感器輸出幅值與踏板位移成正比的交流電壓信號(hào)，即剎車控制信號(hào)。本測(cè)試系統(tǒng)使用LabVIEW FPGA模擬正弦波信號(hào)，頻率固定為1800Hz，幅值可調(diào)且可由用戶設(shè)定。

(4)電磁液壓鎖和電液壓力伺服閥。當(dāng)液壓鎖打開(kāi)后，電液壓力伺服閥開(kāi)始工作。電液壓力伺服閥輸出的剎車壓力與輸入的電流值呈正比，輸入的電流越大，輸出的壓力越大。本測(cè)試系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電路來(lái)模擬電磁液壓鎖的開(kāi)斷，利用NI PXI-7851R數(shù)字采集卡對(duì)模擬電液壓力伺服閥的線圈電阻進(jìn)行電壓值采集，根據(jù)換算得到的電流值來(lái)模擬電液壓力伺服閥的輸出壓力大小。

2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用NI公司的圖形化編程軟件。LabVIEW的圖形化編程代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本語(yǔ)言編程，可以更直觀地表達(dá)程序流程，良好的界面窗口可使測(cè)試平臺(tái)有更人性化的人—機(jī)界面[3]。通過(guò)LabVIEW FPGA 工具包可以輕松地編程。傳統(tǒng)的FPGA編程需要專門(mén)的編程工具和編程語(yǔ)言，而FPGA工具包的推出，使工程師可以借助LabVIEW的圖形編程方式，方便地使用FPGA[4]。測(cè)試軟件要完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)提供數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)以及回放等功能，監(jiān)測(cè)控制器的狀態(tài)信息。根據(jù)以上要求，為方便用戶使用，減小軟件的復(fù)雜度，滿足軟件的可靠性、可擴(kuò)充性、易用性等要求，測(cè)控系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。防滑剎車半實(shí)物測(cè)試系統(tǒng)用戶可以對(duì)各種開(kāi)關(guān)量、機(jī)輪輪速信號(hào)、剎車指令信號(hào)進(jìn)行設(shè)置。

2.1 FPGA Vi設(shè)計(jì)

在自動(dòng)測(cè)試中，F(xiàn)PGA模塊主要根據(jù)不同的測(cè)試項(xiàng)目，預(yù)先設(shè)定好模擬負(fù)載和激勵(lì)信號(hào)參數(shù)，模擬負(fù)載的開(kāi)合由相應(yīng)的繼電器接口控制，然后對(duì)防滑剎車盒輸出激勵(lì)信號(hào)，將采集到的反饋信號(hào)送到上位機(jī)進(jìn)行分析。

2.1.1 發(fā)信號(hào)D/A階段

該階段需要向防滑剎車盒發(fā)出8路模擬信號(hào)，分別模擬飛機(jī)的左機(jī)輪速度1、2，右機(jī)輪速度1、2，左剎車指令1、2和右剎車指令1、2。這8路信號(hào)均為正弦波信號(hào)，需要預(yù)先設(shè)置參數(shù)為幅值、頻率、偏移量。該階段會(huì)根據(jù)用戶提供的實(shí)際正弦波參數(shù)發(fā)出激勵(lì)信號(hào)。在子Vi中，將用戶設(shè)置的帶波形參數(shù)數(shù)組進(jìn)行索引成8路，然后輸出。當(dāng)輸出信號(hào)完畢后，將進(jìn)入板卡發(fā)信號(hào)關(guān)閉子Vi，此時(shí)將關(guān)閉發(fā)信號(hào)隊(duì)列中的輸出信號(hào)并釋放資源。

2.1.2 開(kāi)關(guān)量與負(fù)載模擬階段

開(kāi)關(guān)量主要包括控制器在進(jìn)行剎車控制時(shí)所必須的開(kāi)關(guān)信息，包括前輪輪載開(kāi)關(guān)、主起落架收上開(kāi)關(guān)、剎車選擇開(kāi)關(guān)以及各種負(fù)載的單故障模擬開(kāi)關(guān)。每一個(gè)量均對(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)，可確保信號(hào)有效或無(wú)效兩種狀態(tài)。在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，控制這些開(kāi)關(guān)量和模擬負(fù)載需要7851R板卡的DIO接口和繼電器共同完成。

根據(jù)項(xiàng)目需求和7851R板卡的接口分布圖，在繼電器板上預(yù)先連接好開(kāi)關(guān)和負(fù)載量對(duì)應(yīng)的硬件電路。 根據(jù)實(shí)際硬件電路圖，連接好模擬負(fù)載和繼電器開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的接口，繼電器板的另一端連接7851R板卡相應(yīng)的Connection接口。在LabVIEW程序中，前面板如圖3所示。

圖3 模擬負(fù)載開(kāi)關(guān)前面板分布

創(chuàng)建兩個(gè)布爾數(shù)組，分別表示開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)輸出量，數(shù)組容量為8，表示每個(gè)數(shù)組可以控制8個(gè)負(fù)載或開(kāi)關(guān)量。例如，在第一個(gè)數(shù)組中，開(kāi)關(guān)分別代表的是左右機(jī)輪速度和左右剎車指令。第二個(gè)數(shù)組中，開(kāi)關(guān)輸出代表是否給出該路信號(hào)。7851板卡的3個(gè)輸出口：Connect0、1、2，均可作為8路輸出口的硬件資源，根據(jù)實(shí)際接口需求，連接相應(yīng)的接口，對(duì)前面板的布爾數(shù)組創(chuàng)建局部變量，通過(guò)輸入布爾數(shù)組實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)開(kāi)關(guān)量和模擬負(fù)載的接通和關(guān)閉。

2.1.3 采集信號(hào)A/D階段

當(dāng)向防滑剎車盒發(fā)出激勵(lì)信號(hào)后，需要實(shí)時(shí)采集電液壓力伺服閥線圈電阻反饋回來(lái)的信號(hào)。 這個(gè)階段需要預(yù)先設(shè)定采樣點(diǎn)數(shù)，將采樣隊(duì)列中的值按照采樣點(diǎn)數(shù)輸出為8路信號(hào)數(shù)組，根據(jù)要求進(jìn)行數(shù)組檢索，分解出需要的電壓值?？紤]到采樣存在誤差等問(wèn)題，取平均數(shù)算出電壓值，最后除以伺服閥線圈電阻值得到左右伺服閥電流值。

2.2 測(cè)試模塊子Vi

在每個(gè)獨(dú)立的測(cè)試模塊中，需要考慮因素有：數(shù)據(jù)流的順序、發(fā)信號(hào)和收信號(hào)的協(xié)調(diào)一致性、采集數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)短、接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)如何實(shí)時(shí)反饋到主界面供用戶查看，以及每個(gè)項(xiàng)目測(cè)試過(guò)程中，狀態(tài)切換時(shí)防滑剎車盒的供電問(wèn)題等等。

3 剎車盒輸出

當(dāng)某型飛機(jī)駕駛員踩動(dòng)腳踏板時(shí)，與腳踏板相連的雙元?jiǎng)x車指令傳感器輸出幅值與腳踏板位移成正比的交流電壓信號(hào)，稱為剎車信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)剎車防滑控制裝置處理后，給出開(kāi)鎖信號(hào)，令電磁液壓鎖打開(kāi)，接通壓力伺服閥

進(jìn)油。同時(shí)又輸出同剎車信號(hào)成正比例的剎車電流給壓力伺服閥(在無(wú)防滑信號(hào)時(shí))，使伺服閥輸出同踏板成正比的剎車壓力至機(jī)輪剎車裝置，對(duì)機(jī)輪進(jìn)行制動(dòng)。

測(cè)試條件：前輪輪載開(kāi)關(guān)S1接通，速度信號(hào)fwss=500Hz，幅值1V，剎車信號(hào)Vs從1V按照每次0.5V的速度緩慢增加到10V，頻率5 000Hz，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

其中，X軸表示程序運(yùn)行時(shí)間，左邊的Y軸表示模擬伺服閥輸出的電流變化，對(duì)應(yīng)圖中的白線；右邊的Y軸表示模擬輪速傳感器輸出的頻率變化，對(duì)應(yīng)圖中的紅線。

圖4表示正常情況下，飛行員緩慢踩動(dòng)腳踏板時(shí)，防滑剎車控制盒輸出的控制電流作用于電液伺服閥的結(jié)果。當(dāng)剎車指令傳感器輸出的位移量較小時(shí)，剎車電流初始值為零，此時(shí)剎車控制盒不起控制作用。當(dāng)位移量逐漸增加時(shí)，剎車控制盒開(kāi)始輸出控制電流?？刂齐娏麟S著位移量增加而緩慢增加，電液伺服閥的輸出壓力也逐漸增加，飛機(jī)受到剎車阻力的影響，逐漸減速直到停止。最后剎車盒輸出電流逐漸增加到8mA左右保持穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)LabVIEW FPGA模塊和7851R系列板卡結(jié)合使用，使得本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理高效、穩(wěn)定[5]。同時(shí)，由于其可編程特性，使得開(kāi)發(fā)成本大大降低。LabVIEW圖形化界面方式，可以更直觀地實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)發(fā)出、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)時(shí)返回、生成報(bào)表等功能[6]，滿足了某型飛機(jī)防滑剎車盒的全自動(dòng)性能測(cè)試要求，準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性高。

[1] 陳世攀.飛機(jī)智能防滑剎車控制盒的研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2004.

[2] 劉文勝,羅鑫,馬運(yùn)柱,等.基于新型免疫控制器的飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真學(xué)報(bào)，2015:32(10)：59-63.

[3] 陳樹(shù)學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社，2014:568-570.

[4] 季臺(tái)福.基于USB接口和DSP的飛機(jī)防滑剎車測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 彭小平，王文杰，易江義，等.LabVIEW FPGA模塊在測(cè)量控制系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)流程及特點(diǎn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20(5):22-23.

[6] 劉闖.基于LabVIEW的報(bào)表生成[J].測(cè)控技術(shù)，2010,29(5):102-103.

(責(zé)任編輯：杜能鋼)

嚴(yán)康(1987-)，男，湖北孝感人，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)長(zhǎng)abVIEW測(cè)試；于寶成(1977-)，男，河南新鄉(xiāng)人，博士，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)長(zhǎng)abVIEW測(cè)試、自動(dòng)控制；王春梅(1974-)，女，山西運(yùn)城人，碩士，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信。

10.11907/rjdk.162561

TP319

A

1672-7800(2017)003-0140-03