杜玉立++于寶成++錢平

摘 要：本章主要論述了飛機(jī)在著陸過程中的模塊設(shè)計(jì)與故障檢測，闡述了著陸模塊的結(jié)構(gòu)及功能，給出了該模塊的硬件設(shè)計(jì)方案，從著陸系統(tǒng)故障診斷功能和性能要求出發(fā)，集成了信號(hào)模擬電路、DSP最小電路系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理電路及USB串口通信電路為一體的故障診斷模塊。軟件開發(fā)采用C語言和Labview混合編程方式集成在CCS環(huán)境下，利用可視化的開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)了在該軟件下通過控制電路的斷開與閉合完成檢測軟件的開發(fā)。上位機(jī)有機(jī)地結(jié)合了模糊診斷技術(shù)采用可視化編程軟件Labview做為開發(fā)工具，結(jié)合故障診斷模塊的設(shè)計(jì)，通過專家系統(tǒng)知識(shí)與推理程序相獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，結(jié)合預(yù)期給定和推理的電壓電流值進(jìn)行對(duì)比來判定檢測結(jié)果是否正確。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的飛機(jī)著陸模塊故障診斷系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，并可以向多機(jī)型的故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行專家知識(shí)庫的擴(kuò)充與完善，對(duì)今后系統(tǒng)故障診斷的研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)著陸模塊；故障診斷；USB串口通訊；Labview

本課題研究對(duì)象是某機(jī)型的著陸模塊系統(tǒng)故障診斷技術(shù)。其目的是為了保證飛機(jī)著陸過程中各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)正常，在起飛之前須對(duì)著陸模塊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行測試，與預(yù)期的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)潛在的著陸模塊系統(tǒng)故障做出預(yù)測和警報(bào)，分析故障原因并提出合理的建議，方便機(jī)場維護(hù)人員能夠及時(shí)修理更換故障單元來維持飛機(jī)著陸模塊系統(tǒng)正常工作，從而有效避免不必要的事故。在深入了解飛機(jī)著陸模塊系統(tǒng)測試技術(shù)之后，本課題開展對(duì)著陸模塊系統(tǒng)故障診斷的研究。首先在外場測試環(huán)境下對(duì)著陸模塊系統(tǒng)進(jìn)行檢測，收集著陸模塊測試的電壓電流值和其它的性能狀態(tài)和其數(shù)據(jù)，然后與預(yù)期計(jì)算的輸出值進(jìn)行有效對(duì)比，對(duì)著陸模塊系統(tǒng)潛在和正在發(fā)生的故障進(jìn)行診斷分析，最后判斷該著陸模塊是否正常運(yùn)行，將分析結(jié)果報(bào)告給地勤人員，完成該模塊故障的檢測。提高飛機(jī)著陸安全性及對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，該模塊的正常工作保證了飛機(jī)著陸的安全性和可靠性。通過該課題的研究有助于著陸模塊系統(tǒng)在外場測試環(huán)境下高效的檢測潛在的故障，縮短系統(tǒng)維護(hù)周期和單元間的調(diào)試，對(duì)飛機(jī)著陸模塊系統(tǒng)的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 著陸模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛機(jī)著陸模塊總體結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，圖中虛線部分主要由檢測模塊和通信模塊構(gòu)成。檢測模塊完成對(duì)著陸系統(tǒng)的檢測功能，通過串口通訊與上位機(jī)模塊進(jìn)行通訊，檢測模塊對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷分析，完成故障診斷。

在本系統(tǒng)中上位機(jī)開發(fā)了基于Labview人機(jī)交互軟件，輸入檢測指令由該軟件分析和譯碼得到新的可通過USB接口的檢測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由CPU最小系統(tǒng)控制分配給對(duì)應(yīng)的模擬電路，最后通過調(diào)理電路的模擬得到測試電路的數(shù)據(jù)。另外就是模擬著陸模塊控制器與PC計(jì)算機(jī)之間的通訊，通過計(jì)算機(jī)BIT命令和控制器所檢測到的故障代碼之間的數(shù)據(jù)交換，該通信支持RS422總線通信，而本系統(tǒng)中上位機(jī)是通用PC機(jī)，需要通過RS422/R5232轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)模擬BIT命令與控制器之間的通信。檢測接口部分主要由輔助電路和高精度繼電器組成，

飛機(jī)上所有開關(guān)都只有接通或者斷開兩種狀態(tài)，該系統(tǒng)利用高精度繼電器的通斷來模擬這些開關(guān)的狀態(tài)來模擬著陸模塊系統(tǒng)相關(guān)各電路狀態(tài)開關(guān)的切換。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，外圍電路包含有AD9388模擬電路、飛機(jī)模擬電路、信號(hào)調(diào)理電路、檢測接口電路和串口通信接口電路，是以CPU（TMS320LF2407）為核心的最小電路，如圖2.1中虛線所示。

中央處理模塊主要包括CPU、RAM（63Lv1024）、鐵電存儲(chǔ)器（M25L256）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、看門狗復(fù)位電路和電源電壓轉(zhuǎn)換電路，是檢測系統(tǒng)的核心。微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度主要取決于外設(shè)的擴(kuò)展方式。DSP對(duì)外設(shè)空間的尋址以及對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫操作，是通過不同類型的指令和對(duì)應(yīng)的PS/DS/IS引腳進(jìn)行讀、寫，通過與總線時(shí)序的控制配合，來實(shí)現(xiàn)I/O兩個(gè)獨(dú)立空間地址映像區(qū)間的讀、寫操作。

圖 2.1 檢測模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 看門狗復(fù)位電路

一般情況下在檢測的過程中，電氣設(shè)備的周圍都有電磁噪聲，電源頻率的改變、諧波干擾等，對(duì)該檢測裝置的可靠性和穩(wěn)定性都有一定的影響，使得CPU工作電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)跑飛的情況以至于該裝置誤動(dòng)作或者無反應(yīng)。為了減少發(fā)生這種情況，在DSP外圍加上了硬件看門狗電路同時(shí)在DSP芯片內(nèi)設(shè)置了看門狗?？撮T狗電路采用的是可編程看門狗監(jiān)控芯片X250431261，它集成了看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控及高速、非易失性存儲(chǔ)器EZPROM三種功能[1]。其看門狗定時(shí)器可以通過設(shè)置內(nèi)部寄存器進(jìn)行定時(shí)編程，定時(shí)周期設(shè)置為1450ms、600ms，200ms，保障了CPU的安全運(yùn)行。一旦程序因?yàn)殡姶鸥蓴_或出現(xiàn)了其它異常，看門狗將強(qiáng)制CPU復(fù)位操作。對(duì)于斷電影響也有一定的安全措施，電壓監(jiān)控器檢測VCC電壓，當(dāng)電壓降至2.7V以下，就進(jìn)行復(fù)位操作，直到VCC返回穩(wěn)定電壓為止。看門狗復(fù)位電路如圖2.2所示：

2.2 信號(hào)調(diào)理

著陸模塊運(yùn)行時(shí)開短路所引起阻值變化轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓值是（0-10）V的電壓信號(hào)，而DSP的工作電壓為3.3V，各個(gè)I/O口上所能接受的穩(wěn)定電壓也是3.3V左右，所以在通過A/D轉(zhuǎn)換后送入控制處理核心DSP之前，著陸模塊故障檢測電路的設(shè)計(jì)需要通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)檢測的電壓進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。放大器電路由高精度運(yùn)放器LM124和電阻電路組成，RC濾波器由電阻和電容組成，濾波范圍取決于電阻電容值。調(diào)理電路中，一級(jí)放大器產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定-5伏電壓與輸入電壓值相疊加，疊加后的電壓值經(jīng)過下一級(jí)同相信號(hào)放大電路，使得輸出的電壓信號(hào)為（0-3V）。電路末端使用串聯(lián)電阻限流，使用兩個(gè)二極管來實(shí)現(xiàn)信號(hào)限幅，使過濾的電壓輸出信號(hào)控制在（0-3.3V）之間，保護(hù)了信號(hào)板的安全接收。

2.3 USB通信接口電路

PC機(jī)采集到的數(shù)據(jù)與著陸模塊控制器之間的通訊采用USB接口通信，該模塊完全遵循USB2.0規(guī)范，部分采用USB2.0芯片ISP1581，支持7個(gè)動(dòng)態(tài)I/O接口和一個(gè)固定控制I/O端點(diǎn)。該芯片支持USB2.0的自檢工作模式和USB1.1的返回工作模式，在高速或全速條件下都能正常運(yùn)行，滿足該通訊需求。內(nèi)部集成有串行接口引擎SIE、PIE、8KB的FIFO存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、PLL的12MHz晶體振蕩器和3.3v的電壓調(diào)整器[2]。該電路通過高速DMA接口直接與ATA/ATAPI外設(shè)相連，同時(shí)通過Labview軟件控制USB總線的連接，形成數(shù)據(jù)的交換。DSP和ISP1581的連接均采用8位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線分離的通用處理器模式，方便數(shù)據(jù)的讀、寫操作。DSP與ISP的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式，以DSP的通用I/O口作為ISP的片選信號(hào)。ISP1581的喚醒功能WAKEUP引腳接到DSP的一個(gè)通用I/O口上，RPU引腳通過1.5kΩ電阻器上拉后為通用處理模式，RREF引腳通過12.0kΩ精密電阻器接地，BUS_CONF引腳是選擇總線模式，也執(zhí)行上拉操作，MODE0引腳的功能為選擇通用處理器模式下的讀、寫操作。由于該芯片內(nèi)部集成了復(fù)位電路，復(fù)位操作只需將RESET引腳直接接高電平即可。

3 故障診斷

3.1 軟件診斷設(shè)計(jì)

主要采用可視化編程軟件Labview設(shè)計(jì)。該軟件設(shè)計(jì)主要起兩個(gè)作用：一是判斷檢測系統(tǒng)工作是否正常，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢操作；二是在自檢通過后，通過高精度的繼電器對(duì)該電路模塊模擬電路狀態(tài)的開關(guān)操作，并采集相應(yīng)的輸出電流電壓值；自檢操作能發(fā)現(xiàn)潛在的電路故障，數(shù)據(jù)采集能分析具體故障部位，以便在發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)能迅速的找到并執(zhí)行相應(yīng)的排除工作，確保著陸模塊能夠正常的運(yùn)行。著陸模塊控制器的正常工作電壓為27V，由外部進(jìn)行供電，通過PC上位機(jī)與其通訊，上位機(jī)通過USB接口與DSP最小系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。檢測系統(tǒng)自診斷程序結(jié)構(gòu)如圖3.1所示

可視化Labview軟件控制面板可執(zhí)行自檢、復(fù)位操作，并模擬著陸模塊開關(guān)狀態(tài)，如圖3.1.1所示

3.2 故障檢測測試

主要采用交叉保護(hù)的檢測原理，即當(dāng)左、右兩側(cè)機(jī)輪頻率（速度）差值超過標(biāo)準(zhǔn)門限范圍（352-720）Hz（約30-60km/h）時(shí)，著陸控制器輸出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)低速機(jī)輪迫使兩側(cè)機(jī)輪頻率（速度）不超過門限范圍。

電流測量方法：先給左、右機(jī)輪施加相同的機(jī)輪模擬速度信號(hào)V，再將左、右控制器電流I左，I右調(diào)至最大電流7.5mA，依次將左、右機(jī)輪速度信號(hào)降低至（360-720）Hz左右，著陸模塊控制器如能正常工作，此時(shí)必須輸出控制信號(hào)，使速度偏高的機(jī)輪電流降低至1mA以下。該檢測方法采集著陸模塊控制器在交叉保護(hù)狀態(tài)下輸出的控制電流信號(hào)，通過此電流值判斷著陸模塊工作是否正常，防止飛機(jī)在著陸過程中出現(xiàn)的故障問題。

電壓回溯檢測：先通過著陸模塊控制器給左、右機(jī)輪施加模擬速度信號(hào)20Km/h，然后檢測伺服閥電壓值的變化，設(shè)初始電壓值為V，過10ms后將模擬速度信號(hào)降為10Km/h，測試伺服閥電壓值是否為0.043V左右并計(jì)算下降時(shí)間，預(yù)期的下降時(shí)間是在29ms～31ms范圍內(nèi)，與該時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。如果是的，說明著陸模塊交叉保護(hù)正常。然后進(jìn)行回溯對(duì)比，改變速度信號(hào)為20Km/h，計(jì)算電壓上升時(shí)間是否<2s并檢測此時(shí)電壓是否與初始電壓V一致，如果是的，最后說明著陸控制功能運(yùn)行正常。著陸模塊故障檢測程序結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)模擬了著陸模塊檢測系統(tǒng)，集成了信號(hào)模擬電路、DSP最小電路系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理電路及USB串口通信電路為一體的故障診斷模塊。設(shè)計(jì)Labview開發(fā)軟件完成了系統(tǒng)的自檢功能，并提供了與DSP最小電路系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊的接口，使上位機(jī)PC系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)的檢測著陸模塊控制器。該設(shè)計(jì)采用了硬、軟件相結(jié)合的措施，使系統(tǒng)能夠在外場測試環(huán)境下可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性、可靠性和穩(wěn)定性。USB通訊采用了CRC冗余校驗(yàn)，容錯(cuò)率強(qiáng)，保證了通訊的準(zhǔn)確傳輸。該設(shè)計(jì)解決了飛機(jī)著陸系統(tǒng)中難以實(shí)際操作的難題，模擬簡單又不失拓展性，不僅如此，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)還應(yīng)用于工廠工人培訓(xùn)，各大高校大學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都能拓展應(yīng)用，具有良好的市場前景和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張念淮，江浩.USB總線接口開發(fā)指南[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001

[2] 王暉.接口器件ISP1581的接口應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].新器件新技術(shù)，2004，8：4～43

作者簡介

杜玉立（1991-）、碩士研究生、研究方向是智能機(jī)器人。

于寶成、副教授、博士、研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人、自動(dòng)化控制。

錢平（1993-）、碩士研究生、研究方向是智能機(jī)器人；