基于NFC的飛機起落架胎壓在線檢測裝置設(shè)計

(中航飛機起落架有限責(zé)任公司，長沙 410200)

0 引言

起落架系統(tǒng)是航空武器裝備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，飛機事故中的大約2/3都與起落架有直接和間接的關(guān)系。飛機起飛著陸時間僅約占飛行時間的6%，但該過程事故/故障達到飛行事故/故障總量的68.3%以上。而輪胎是起落架系統(tǒng)的地面承載部件，承受著飛機起飛、著陸及停機的各種工況載荷，甚至是在最嚴(yán)重過載條件下，也要能提供正常的承載功能，胎壓作為影響輪胎承載能力的一個重要指標(biāo)，直接掣肘著起落架系統(tǒng)功能的可靠性。

通常，起落架胎壓檢測是在飛機的地面維護操作時進行的，要求機輪處于冷卻狀態(tài)，采用的主要方法包括人工目視檢查、胎壓測量表測量、電子儀表檢查等，其不足之處在于無法在飛行過程中實時監(jiān)測輪胎壓力、測量的準(zhǔn)確性受溫度因素影響、測量壓力時因為測量表的連接而導(dǎo)致輕微泄露問題等?；谒{牙、射頻RFID等技術(shù)的無線胎壓在線檢測系統(tǒng)/裝置在諸如汽車等地面交通工具中應(yīng)用較多[1-3]，但信號發(fā)送與接收端都需要提供額外的電源(電池或電源連接)才能有效工作，也難以滿足飛機安全性及電磁兼容性要求，且安裝與布線受限。顯然，對于復(fù)雜天空環(huán)境下航行的飛機而言，因其安裝空間狹小，要實現(xiàn)安全的按需、實時在線、連續(xù)、準(zhǔn)確的胎壓檢測，這也是上述胎壓檢測方法所不具備的。

近場通信NFC是基于RFID技術(shù)發(fā)展起來的一種短距離的高頻無線通信技術(shù)[4]，電子設(shè)備之間通過電磁感應(yīng)耦合方式實現(xiàn)非接觸式的點對點傳輸，交換數(shù)據(jù)。相比RFID而言，其傳輸距離小、帶寬高、能耗低。特別是在被動模式下，只需主設(shè)備提供射頻場，從設(shè)備就可以通過負載調(diào)制(Load Modulation)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳，無需再為從設(shè)備提供獨立的電源。

本文針對飛機航行所處自然、電磁等環(huán)境的復(fù)雜性，以及部件安裝空間極為有限的實際應(yīng)用需求，以近場通信NFC技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合胎壓傳感器檢測技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了一種NFC被動模式的飛機起落架在線胎壓檢測裝置，并對射頻天線及感應(yīng)電源等電路進行優(yōu)化設(shè)計，采用傳感器溫度補償校準(zhǔn)方法，較好地解決了胎壓檢測的溫度影響問題。試驗驗證表明，該裝置具備較好的按需工作特性，滿足飛機起落架胎壓的在線、高效、準(zhǔn)確的檢測需求。

1 總體結(jié)構(gòu)與原理

飛機起落架在線胎壓檢測裝置由胎壓檢測主控制器、前端胎壓采集器及顯控系統(tǒng)三部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測裝置總體結(jié)構(gòu)圖

由于檢測裝置實際工作環(huán)境的復(fù)雜性，特別是對電磁兼容的要求，設(shè)計的檢測裝置采用了NFC被動模式的工作原理，從設(shè)備采用了無源設(shè)計實現(xiàn)胎壓數(shù)據(jù)采集。檢測裝置各部分的主要功能設(shè)計如下：

1)胎壓檢測主控制器：作為檢測裝置的核心部件，采用了微處理器MCU的硬件結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)置的一組預(yù)設(shè)的胎壓檢測策略進行檢測任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行，其核心功能包括：

(1)作為NFC被動模式的主設(shè)備，負責(zé)為前端胎壓采集器提供RF射頻場；

(2)按照預(yù)設(shè)的胎壓檢測策略，主控制器調(diào)度信號發(fā)射天線以NFC方式向前端胎壓采集器發(fā)出在線檢測指令；

(3)接收前端胎壓采集器回傳的胎壓數(shù)據(jù)及溫度校準(zhǔn)補償數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理后再經(jīng)過胎壓補償計算得出有效的胎壓值；

(4)通過硬線連接，將胎壓值發(fā)送給顯控系統(tǒng)的 顯示儀表進行顯示；

(5)通過RS232通信方式，接收顯控系統(tǒng)發(fā)送來的待設(shè)置胎壓檢測策略數(shù)據(jù)，存儲在裝置內(nèi)置的NVM非易失存儲器中，同時設(shè)置為預(yù)設(shè)策略加以調(diào)度使用。

2)前端胎壓采集器：作為檢測裝置的直接數(shù)據(jù)采集部件，采用微處理器MCU的硬件結(jié)構(gòu)，為以無源模式工作，集成了輪胎壓力傳感器。

(1)作為NFC被動模式的從設(shè)備，通過感應(yīng)主控制器提供的RF射頻場實現(xiàn)設(shè)備上電工作：

(2)接收并響應(yīng)到主控制器發(fā)送的檢測指令，驅(qū)動集成的壓力傳感器，完成胎壓數(shù)據(jù)及溫度補償校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集，再通過發(fā)射天線以NFC方式回傳給主控制器。

3)顯控系統(tǒng)：作為檢測裝置的顯示及檢測策略設(shè)置部件，由顯示儀表和維護系統(tǒng)兩部分組成。

(1)顯示儀表實現(xiàn)對接收的主控制器硬線發(fā)送的壓力值，調(diào)理后進行顯示；

(2)維護系統(tǒng)提供RS232總線接口，對主控制器的胎壓檢測策略進行按需設(shè)置。檢測策略包括：檢測周期時間(以秒為單位)、檢測指令序列(包括固件校準(zhǔn)參數(shù)讀取指令、胎壓采集指令、溫度采集指令、胎壓讀取指令、溫度讀取指令)、檢測指令執(zhí)行頻次/周期。

2 硬件電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 NFC天線與MCU供電設(shè)計

NFC天線是檢測裝置的關(guān)鍵部件，一方面為前端胎壓采集器提供工作電源，同時也是主控制器和前端胎壓采集器的數(shù)據(jù)通信的鏈路及載體。

NFC天線通過磁場耦合進行通信的，天線結(jié)構(gòu)決定其輸入阻抗特性、方向性、效率、極化和增益等特性參數(shù)[5-6]。設(shè)計的胎壓檢測裝置NFC天線及MCU芯片供電原理如圖2所示。

圖2 NFC天線與MCU供電原理框圖

1)NFC天線設(shè)計為線圈型天線，特性參數(shù)如下：

(1)諧振頻率：工作頻率13.56 MHz，采用電容C與天線線圈并聯(lián)組成LC諧振電路，工作頻率計算方法為：

(1)

其中，線圈電感值L控制在幾十nH到幾μH。

(2)傳輸距離：天線正對面的傳輸距離≥4 cm的設(shè)計指標(biāo)。

(3)回波損耗/輸入特性Lr：-5 dB，其計算方法為：

Lr=-20log|Γ|

(2)

其中，Г為反射系數(shù)，回波的損耗越小，匹配效果也就越好。

(4)阻抗匹配：采用串并聯(lián)電容和電阻的方式，對天線進行阻抗匹配，使得在13.56 MHz 處回波損耗達到最小。電容值計算公式為：

(3)

當(dāng)線圈電感值在幾十nH到幾μH間取值時，電容值介于幾十pF到幾nF之間。

2)微處理器MCU選用了TI的RF430FRL15xH進行控制器的硬件設(shè)計。RF430FRL15xH是一款13.56 MHz傳感器應(yīng)答器[7]，包含可編程的16位MSP430低功耗微控制器，支持通過兼容ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)的RFID接口以及I2C接口來連接傳感器，可在完全無源模式下運行。

3)工作交互原理：

(1)胎壓檢測主控制器由機上電源供電工作，控制器上電后，自動按照內(nèi)置的胎壓檢測策略，調(diào)度發(fā)起檢測任務(wù)，通過NFC天線提供RF射頻場。

(2)前端胎壓采集器的NFC天線感應(yīng)到胎壓檢測主控制器提供的RF射頻場時，將RF射頻場能量轉(zhuǎn)換為DC電源后作為MCU的工作電源，MCU上電轉(zhuǎn)入處理器內(nèi)設(shè)及傳感器I2C接口的初始化，初始完成后自動開啟壓力及溫度參數(shù)的采集，并將采集數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)置共享存儲器中，再以NFC方式回傳給胎壓檢測主控制器，之后轉(zhuǎn)入休眠模式，等待胎壓檢測主控制器的下一次調(diào)度。

2.2 傳感器接口電路設(shè)計

前端胎壓采集器集成壓力傳感器，傳感器接口電路原理如圖3所示。

圖3 傳感器電路原理框圖

圖3中，MCU與壓力傳感器之間采用基于I2C總線的通信接口進行數(shù)據(jù)交互，設(shè)計為MCU—壓力傳感器的主從式工作模式，兩者之間采用PCA9306芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，利用四線扁平電纜進行電氣信號連接。

壓力傳感器選用了MESA公司的89BSD 030BarA-B型隔離膜式數(shù)字輸出壓力傳感器[8]是一種硅壓阻式壓力傳感器，采用壓阻應(yīng)變的工作原理，同時提供了溫度補償和偏移校正。

工作時，壓力傳感器的設(shè)置參數(shù)為采樣頻率256，采集壓力精度為0.008%Span，采集溫度精度為0.012℃。

壓力與溫度計算方法：

1)溫度T：

(4)

2)溫度補償?shù)膲毫τ嬎鉖：

(5)

(6)

(7)

其中：

A0.6、C0.6為溫度系數(shù)，在傳感器出廠時進行標(biāo)定并存儲在傳感器PROM中。

Q0.6為溫度補償因子，設(shè)定為(9,11,9,15,15,16,16)。

Pmax、Pmin為壓力傳感器量程的最大值、最小值。

Y、P0為壓力補償計算的中間變量。

2.3 氣門嘴集成結(jié)構(gòu)

氣門嘴集成結(jié)構(gòu)如圖4所示，由氣門芯、壓力傳感器、信息處理與控制處理器MCU三部分組成。

圖4 氣門嘴集成結(jié)構(gòu)

氣門嘴外殼采用不銹鋼材質(zhì)進行封裝，充氣時氣體由氣門芯進入，經(jīng)過氣門嘴內(nèi)設(shè)的小孔進入到內(nèi)部的壓力腔后與輪胎實現(xiàn)空氣聯(lián)通，輪胎與傳感器壓力感應(yīng)端直接有另一個空氣孔連通。

其中，氣門芯用于實現(xiàn)輪胎充氣功能，壓力傳感器用于完成胎壓的檢測和溫度數(shù)據(jù)采集，信息處理與控制處理器MCU則負責(zé)壓力傳感器的任務(wù)管理，連接了NFC天線并通過NFC天線實現(xiàn)外部RF射頻場探測感應(yīng)供電及射頻通信。MCU在接收主控制器檢測指令后，負責(zé)調(diào)度壓力傳感器進行壓力采集與信息處理，經(jīng)NFC前端天線發(fā)回。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 主控制軟件

主控制軟件為嵌入式軟件，內(nèi)置固化在胎壓檢測主控制器中，隨系統(tǒng)上電后自動加載轉(zhuǎn)入運行工作。胎壓檢測主控制器執(zhí)行一次胎壓檢測任務(wù)的過程如圖5(a)所示，軟件流程設(shè)計如下：

1)系統(tǒng)上電初始化；

2)以MCU時鐘周期的定時方式(如，10 s/0.1 Hz頻率)檢查胎壓檢測策略的匹配條件，滿足匹配條件時，產(chǎn)生RF場并轉(zhuǎn)到3)，否則轉(zhuǎn)到8；

3)檢測策略設(shè)定任務(wù)已完成，轉(zhuǎn)到8)，否則轉(zhuǎn)到4)；

4)以NFC方式發(fā)送新的檢測指令；

5)執(zhí)行NFC胎壓檢測數(shù)據(jù)讀取；

6)對讀取的胎壓數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)；

7)將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送給胎壓信息監(jiān)控系統(tǒng)，轉(zhuǎn)回3)；

8)判斷是否收到策略設(shè)置數(shù)據(jù)，收到轉(zhuǎn)到9)，否則轉(zhuǎn)到2)；

9)進行策略數(shù)據(jù)設(shè)置，轉(zhuǎn)到2)。

3.2 前端采集軟件

前端采集軟件為嵌入式軟件，內(nèi)置固化在前端采集器中，隨前端采集器上電后自動加載轉(zhuǎn)入運行工作。前端胎壓采集器執(zhí)行一次胎壓數(shù)據(jù)采集的過程如圖5(b)所示，軟件流程設(shè)計如下：

1)有RF場供電時轉(zhuǎn)到2)，否則不執(zhí)行；

2)系統(tǒng)上電初始化；

3)判斷是否為新的采集指令，是則轉(zhuǎn)到4)，否則轉(zhuǎn)到5)；

4)進行數(shù)據(jù)采集處理，轉(zhuǎn)回3)；

5)判斷是否為新的反饋指令，是則轉(zhuǎn)到6)，否則轉(zhuǎn)到7)；

6)通過NFC方式發(fā)送胎壓數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)回5)；

7)系統(tǒng)進入低功耗休眠模式。

圖5 軟件流程圖

3.3 顯控軟件

顯控系統(tǒng)的顯示儀表負責(zé)胎壓信息的顯示，無內(nèi)置軟件。維護系統(tǒng)設(shè)計為PC端軟件，功能相對比較簡單，主要負責(zé)通過RS232總線對胎壓監(jiān)測主控制器的策略進行按需設(shè)置。本文在參考文獻[9]中幀格式設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了如圖6所示的通信幀結(jié)構(gòu)。

幀頭檢測周期指令序列執(zhí)行頻次幀尾

圖6 通信幀結(jié)構(gòu)定義

1)幀頭：表示一幀數(shù)據(jù)的開始，用于同步控制，系統(tǒng)默認設(shè)定為0xAA，長度為1字節(jié)；

2)檢測周期時間(以秒為單位)：表示全局檢測指令序列的調(diào)度周期間隔時間，長度為1字節(jié)；

3)檢測指令序列：表示實際調(diào)度時需檢測的數(shù)據(jù)項，包括讀固件、采胎壓、采溫度、讀胎壓、讀溫度等5個子項，以低位到高位的方式組合為1個5 bit的字節(jié)型數(shù)據(jù)，長度為1字節(jié)。每個bit位分別設(shè)置，為1時設(shè)置檢測子項生效，為0則取消該檢測子項。如全部檢測的序列值0x1f；

4)檢測指令執(zhí)行頻次/周期：檢測指令的全局調(diào)度頻度，是1個5 bits的字節(jié)型數(shù)據(jù)，長度為1字節(jié)。每個bit位分別設(shè)置，為1時設(shè)置全局僅調(diào)度執(zhí)行1次，為0則按照檢測周期時間循環(huán)調(diào)度執(zhí)行。如讀固件指令調(diào)度1次，其余指令循環(huán)調(diào)度，設(shè)置的序列值0x10。

5)幀尾：表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，系統(tǒng)默認設(shè)定為0x55，長度為1字節(jié)。

在通信算法的實現(xiàn)時，參考了文獻[9]中的幀元解析算法流程，不再詳述。此外，在實際使用時，也可以采用通用的串口調(diào)試助手替代維護系統(tǒng)，只需按照給定的幀格式設(shè)置好通信數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送，就可以達到對胎壓檢測主控制器調(diào)度策略的設(shè)置。

4 試驗驗證

試驗驗證以某型飛機的起落架地面試驗臺為基礎(chǔ)平臺，重點驗證前端采集器感應(yīng)距離即NFC天線特性參數(shù)。試驗選取了3個前端采集器樣件進行測試，天線直徑3.5 cm，安裝電容為22pF，感應(yīng)距離測試數(shù)據(jù)見表1，壓力測試數(shù)據(jù)對比見表2。

表1 前端采集器感應(yīng)距離測試數(shù)據(jù)

表2 前端采集器壓力測試數(shù)據(jù)對比

表1中，當(dāng)與主控制器天線100%正對面積時，感應(yīng)的最大距離均達到了4.5 cm以上，當(dāng)與主控制器天線30%正對面積時，感應(yīng)的最大距離均達到了1.0 cm以上。表2中，從3個采集器的壓力測試數(shù)據(jù)與實際的壓力表比對結(jié)果看來，采集器壓力值與手持壓力表讀數(shù)的差異在0.8%以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計實現(xiàn)的基于NFC被動模式的飛機起落架在線胎壓檢測裝置，將近場通信NFC和胎壓傳感器檢測技術(shù)相結(jié)合，通過傳感器溫度補償校準(zhǔn)方法解決了壓力檢測受溫度影響的問題。試驗結(jié)果表明，該裝置滿足飛機航行所處自然、電磁等環(huán)境的復(fù)雜性，以及部件安裝空間極為有限的實際應(yīng)用需求。在實際樣機的研制中，設(shè)計的前端采集器雖然非常緊湊，但其天線尺寸偏大，實際使用時也將受到安裝空間的限制。在后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化過程中，可參考文獻[10]來進一步實現(xiàn)NFC天線小型化以及安裝的便捷性，在減小天線回波損耗的同時盡可能提高主從設(shè)備的通信距離。