一種基于SOC的風擋雨刷控制系統(tǒng)設計

秦 沖，王瑜嘉，惠曉強

（航空工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

航空風擋雨刷系統(tǒng)是飛機的重要控制系統(tǒng)之一，在傳統(tǒng)的航空風擋雨刷控制系統(tǒng)設計中，多采用分立元器件、延遲繼電器及機械開關實現(xiàn)風擋雨刷系統(tǒng)控制功能，使用該方法設計時，機上線路鋪設麻煩，且延遲繼電器尺寸大，壽命短，使得風擋雨刷系統(tǒng)后期維修更換成本高。本文針對傳統(tǒng)風擋雨刷的缺點，提出了一種基于SOC片上系統(tǒng)的風擋雨刷控制系統(tǒng)設計方法，該設計方法具有集成度高、壽命長、線路鋪設簡單等優(yōu)點。

1 風擋雨刷系統(tǒng)設計

基于SOC片上系統(tǒng)的航空風擋雨刷系統(tǒng)由左控制盒、右控制盒、系統(tǒng)控制模塊、雨刷電機、沖洗泵組成，其中，控制模塊單元采用嵌入ARM處理器內核的SOC片上系統(tǒng)芯片作為主控制單元，實現(xiàn)采集信息的解算及輸出控制功能。系統(tǒng)設置主控制盒和副控制盒，分別位于飛機駕駛艙內主駕駛位和副駕駛位，用于共同控制風擋雨刷系統(tǒng)的雨刷電機和沖洗泵工作。系統(tǒng)控制驅動模塊同時采集主/副控制盒的控制狀態(tài)信息，并對采集的狀態(tài)信息進行有效性判斷。當主/副控制盒狀態(tài)信息不一致時，則以主控制盒的狀態(tài)信息進行風擋雨刷系統(tǒng)控制工作。根據(jù)控制需求，該系統(tǒng)可實現(xiàn)雨天的雨刷電機高速、低速運行的雨刮控制工作，也可以實現(xiàn)非雨天時的沖洗泵與雨刷電機協(xié)同工作完成風擋玻璃沖洗工作。風擋雨刷系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

圖1 風擋雨刷系統(tǒng)結構框圖

2 硬件設計

根據(jù)風擋雨刷系統(tǒng)總體設計，系統(tǒng)控制驅動模塊包括SOC處理器最小系統(tǒng)單元、狀態(tài)采集控制單元、雨刷電機驅動單元、沖洗泵驅動單元和供電單元組成，其結構框圖如圖2所示。

2.1 SOC處理器最小系統(tǒng)單元

圖2 系統(tǒng)控制驅動模塊框圖

SOC處理器最小系統(tǒng)單元是風擋雨刷控制系統(tǒng)的核心單元，主要完成風擋雨刷系統(tǒng)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集、控制解算及輸出驅動控制功能。該處理器最小系統(tǒng)單元以集成ARM處理器內核的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)存儲器電路：設計采用2片16位128MB存儲容量的DDR3 SDRAM作為數(shù)據(jù)存儲器，實現(xiàn)32位存儲器訪問操作，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；二是配置程序存儲器電路：設計采用1片128Mbit的FLASH芯片作為程序存儲器，該程序存儲器芯片具有QSPI總線接口，與SOC芯片自帶的QSPI接口直接相連，實現(xiàn)應用程序的存儲和訪問；三是配置處理器供電電路：設計采用2片Linear公司的DC/DC芯片，實現(xiàn)內部5V電壓到1.0V、1.5V、1.8V、3.3V電壓的二次電源轉換功能，為處理器最小系統(tǒng)單元提供電源供電；四是配置調試接口電路：采用標準RS232串行接口芯片，配備DB9串行接口母頭，實現(xiàn)處理器調試接口電路；五是配置DDR3供電調理電路：采用DDR專用的終端調理電壓芯片，實現(xiàn)1.5V到0.75V參考電壓的轉換功能，為DDR3提供參考調理電壓，保證DDR3芯片的正常運行。

2.2 狀態(tài)采集檢測單元

狀態(tài)采集檢測單元用于采集主、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)單元進行解算。狀態(tài)采集檢測單元電路設計中，在狀態(tài)采集輸入端采用RC濾波電路對采集信號進行濾波防抖處理，以防止因控制盒抖動及其他干擾帶來的誤操作；通過RC濾波電路后的狀態(tài)信息，采用自帶三級雷電防護的離散量采集芯片，實現(xiàn)離散量信號到數(shù)字信號的轉換過程，并將采集結果存儲在該芯片內部寄存器中；SOC處理器最小系統(tǒng)單元通過SPI總線接口，周期性對離散量采集芯片進行訪問控制，讀取內部寄存器中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。

2.3 電機驅動單元

電機驅動單元接收SOC處理器最小系統(tǒng)的輸出命令，驅動控制雨刷電機的工作狀態(tài)。電機驅動單元電路設計中，采用光電耦合器芯片進行隔離設計，實現(xiàn)低電壓控制信號到高電壓控制信號的電隔離，保護驅動控制單元；采用高端驅動器芯片實現(xiàn)功率型輸出，通過控制高端驅動器的導通狀態(tài)，輸出28V PWM脈寬調制波形，從而控制雨刷電機的高速、低速工作狀態(tài)。同時該電路提供一路復位控制輸出，用于控制雨刷電機的復位功能。

2.4 沖洗泵驅動單元

沖洗泵驅動單元接收SOC處理器最小系統(tǒng)的輸出命令，驅動控制沖洗泵的工作狀態(tài)。沖洗泵驅動單元電路設計中，同樣采用光電耦合器進行隔離設計，通過控制高端驅動器的功率輸出給沖洗泵供電，從而控制沖洗泵的工作，實現(xiàn)沖洗出水功能。

2.5 供電單元

供電單元用于完成機上輸入電壓到內部二次電源電壓的隔離轉換功能，同時向雨刷電機提供工作電壓供電。供電單元具備輸入電壓的過壓和浪涌保護功能，同時具備對二次電源輸出的過流保護功能。

3 軟件設計

風擋雨刷系統(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，首先完成對控制模塊內各個單元的初始化操作過程，輸出狀態(tài)處于默認安全狀態(tài)，然后系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。狀態(tài)采集檢測單元周期性采集主/副控制盒開關按鈕狀態(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，并進入相應的工作狀態(tài)，具體工作控制過程如下：

沖洗工作過程：當沖洗狀態(tài)有效時，則系統(tǒng)首先控制沖洗泵驅動單元輸出有效，控制沖洗泵工作出水10s時間；然后控制雨刷電機驅動輸出有效，控制雨刷電機工作30s時間；最后輸出復位信號有效，控制雨刷電機進行復位操作，從而完成風擋雨刷系統(tǒng)的沖洗工作過程。

雨刮工作過程：當雨刷高速/低速狀態(tài)有效時，則系統(tǒng)控制雨刷電機驅動PWM脈寬調制（高速和低速通過PWM輸出脈寬的不同占空比進行區(qū)分處理）輸出持續(xù)有效，直到系統(tǒng)檢測到高速/低速狀態(tài)無效時，控制關閉雨刷電機驅動輸出，同時輸出復位信號有效，控制雨刷電機進行復位操作，從而完成風擋雨刷系統(tǒng)的雨刮工作過程。

4 結束語

通過在試驗室進行風擋雨刷控制系統(tǒng)實物聯(lián)試驗證，該基于SOC片上系統(tǒng)的風擋雨刷控制系統(tǒng)工作正常，控制功能有效，可以實現(xiàn)飛機風擋雨刷控制功能。本文提出一種基于SOC片上系統(tǒng)的風擋雨刷控制系統(tǒng)，采用集成處理器和邏輯運行功能，通過PWM脈寬調制技術實現(xiàn)雨刷電機的高、低速調節(jié)控制。系統(tǒng)通過集成控制設計，簡化了機上布線復雜度，提高了雨刷電機控制精度，可以滿足航空領域中的使用要求。