基于LabVIEW與FPGA的某型飛機(jī)防滑剎車(chē)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)

基于LabVIEW與FPGA的某型飛機(jī)防滑剎車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)控制盒輸出信號(hào)的變化,以提高飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)可維護(hù)性和故障檢測(cè)能力。

防滑剎車(chē)盒;LabVIEW FPGA模塊;剎車(chē)系統(tǒng);特性曲線(xiàn);半實(shí)物仿真

0 引言

飛機(jī)防滑剎車(chē)控制盒是整個(gè)剎車(chē)系統(tǒng)的核心控制部件。它接收指令傳感器的剎車(chē)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(chē)盤(pán)剎車(chē)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(chē)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(chē)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(xún)和保障[2]。該型飛機(jī)系列的防滑剎車(chē)盒信號(hào)種類(lèi)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(mǎn)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(chē)系統(tǒng)組成與功能

某型飛機(jī)的防滑剎車(chē)系統(tǒng)包括機(jī)輪剎車(chē)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(chē)控制器系統(tǒng)包括減壓閥、剎車(chē)控制器、電液伺服閥、剎車(chē)裝置、機(jī)輪、機(jī)輪速度傳感器、剎車(chē)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(chē)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(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 防滑剎車(chē)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(lèi)信號(hào)模擬及故障注入。該模塊采用總線(xiàn)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(chē)控制單元、剎車(chē)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(chē)測(cè)試。

1.2 防滑剎車(chē)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(chē)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(xiàn)圈電阻來(lái)模擬某型飛機(jī)機(jī)輪防滑剎車(chē)系統(tǒng)中的雙信號(hào)速度傳感器、雙元?jiǎng)x車(chē)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(chē)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(hù)設(shè)定。

(3)雙元?jiǎng)x車(chē)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(chē)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(chē)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(hù)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(chē)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(xiàn)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(zhuān)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(hù)使用，減小軟件的復(fù)雜度，滿(mǎn)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(chē)半實(shí)物測(cè)試系統(tǒng)用戶(hù)可以對(duì)各種開(kāi)關(guān)量、機(jī)輪輪速信號(hào)、剎車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)指令1、2和右剎車(chē)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(hù)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(hù)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(xiàn)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。考慮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(xiàn)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(hù)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(chē)盒的供電問(wèn)題等等。

3 剎車(chē)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(chē)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(chēng)為剎車(chē)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)剎車(chē)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(chē)信號(hào)成正比例的剎車(chē)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(chē)壓力至機(jī)輪剎車(chē)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(chē)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(xiàn)；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(xiàn)。

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(chē)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(chē)指令傳感器輸出的位移量較小時(shí)，剎車(chē)電流初始值為零，此時(shí)剎車(chē)控制盒不起控制作用。當(dāng)位移量逐漸增加時(shí)，剎車(chē)控制盒開(kāi)始輸出控制電流。控制電流隨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(chē)阻力的影響，逐漸減速直到停止。最后剎車(chē)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(mǎn)足了某型飛機(jī)防滑剎車(chē)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(chē)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(chē)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真學(xué)報(bào)，2015:32(10)：59-63.

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[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