(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長(zhǎng)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(jì)數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)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(jī)起飛著陸時(shí)間僅約占飛行時(shí)間的6%，但該過程事故/故障達(dá)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(jī)起飛、著陸及停機(jī)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(gè)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(cè)是在飛機(jī)的地面維護(hù)操作時(shí)進(jìn)行的，要求機(jī)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(cè)量表測(cè)量、電子儀表檢查等，其不足之處在于無(wú)法在飛行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力、測(cè)量的準(zhǔn)確性受溫度因素影響、測(cè)量壓力時(shí)因?yàn)闇y(cè)量表的連接而導(dǎo)致輕微泄露問題等。基于藍(lán)牙、射頻RFID等技術(shù)的無(wú)線胎壓在線檢測(cè)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(hào)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(jī)安全性及電磁兼容性要求，且安裝與布線受限。顯然，對(duì)于復(fù)雜天空環(huán)境下航行的飛機(jī)而言，因其安裝空間狹小，要實(shí)現(xiàn)安全的按需、實(shí)時(shí)在線、連續(xù)、準(zhǔn)確的胎壓檢測(cè)，這也是上述胎壓檢測(cè)方法所不具備的。

近場(chǎng)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(wú)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(shí)現(xiàn)非接觸式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dòng)模式下，只需主設(shè)備提供射頻場(chǎng)，從設(shè)備就可以通過負(fù)載調(diào)制(Load Modulation)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳，無(wú)需再為從設(shè)備提供獨(dú)立的電源。

本文針對(duì)飛機(jī)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(shí)際應(yīng)用需求，以近場(chǎng)通信NFC技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合胎壓傳感器檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種NFC被動(dòng)模式的飛機(jī)起落架在線胎壓檢測(cè)裝置，并對(duì)射頻天線及感應(yīng)電源等電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用傳感器溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)方法，較好地解決了胎壓檢測(cè)的溫度影響問題。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該裝置具備較好的按需工作特性，滿足飛機(jī)起落架胎壓的在線、高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)需求。

1 總體結(jié)構(gòu)與原理

飛機(jī)起落架在線胎壓檢測(cè)裝置由胎壓檢測(cè)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(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)圖

由于檢測(cè)裝置實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性，特別是對(duì)電磁兼容的要求，設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置采用了NFC被動(dòng)模式的工作原理，從設(shè)備采用了無(wú)源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)胎壓數(shù)據(jù)采集。檢測(cè)裝置各部分的主要功能設(shè)計(jì)如下：

1)胎壓檢測(cè)主控制器：作為檢測(cè)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(cè)策略進(jìn)行檢測(cè)任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行，其核心功能包括：

(1)作為NFC被動(dòng)模式的主設(shè)備，負(fù)責(zé)為前端胎壓采集器提供RF射頻場(chǎng)；

(2)按照預(yù)設(shè)的胎壓檢測(cè)策略，主控制器調(diào)度信號(hào)發(fā)射天線以NFC方式向前端胎壓采集器發(fā)出在線檢測(cè)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(bǔ)償數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理后再經(jīng)過胎壓補(bǔ)償計(jì)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(jìn)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(cè)策略數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在裝置內(nèi)置的NVM非易失存儲(chǔ)器中，同時(shí)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(cè)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(wú)源模式工作，集成了輪胎壓力傳感器。

(1)作為NFC被動(dòng)模式的從設(shè)備，通過感應(yīng)主控制器提供的RF射頻場(chǎng)實(shí)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(cè)指令，驅(qū)動(dòng)集成的壓力傳感器，完成胎壓數(shù)據(jù)及溫度補(bǔ)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(cè)裝置的顯示及檢測(cè)策略設(shè)置部件，由顯示儀表和維護(hù)系統(tǒng)兩部分組成。

(1)顯示儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)接收的主控制器硬線發(fā)送的壓力值，調(diào)理后進(jìn)行顯示；

(2)維護(hù)系統(tǒng)提供RS232總線接口，對(duì)主控制器的胎壓檢測(cè)策略進(jìn)行按需設(shè)置。檢測(cè)策略包括：檢測(cè)周期時(shí)間(以秒為單位)、檢測(cè)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(cè)指令執(zhí)行頻次/周期。

2 硬件電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 NFC天線與MCU供電設(shè)計(jì)

NFC天線是檢測(cè)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(shí)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(chǎng)耦合進(jìn)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(jì)的胎壓檢測(cè)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(jì)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(jì)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(duì)面的傳輸距離≥4 cm的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(3)回波損耗/輸入特性Lr：-5 dB，其計(jì)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(duì)天線進(jìn)行阻抗匹配，使得在13.56 MHz 處回波損耗達(dá)到最小。電容值計(jì)算公式為：

(3)

當(dāng)線圈電感值在幾十nH到幾μH間取值時(shí)，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(jìn)行控制器的硬件設(shè)計(jì)。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(wú)源模式下運(yùn)行。

3)工作交互原理：

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

(2)前端胎壓采集器的NFC天線感應(yīng)到胎壓檢測(cè)主控制器提供的RF射頻場(chǎng)時(shí)，將RF射頻場(chǎng)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(dòng)開啟壓力及溫度參數(shù)的采集，并將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)置共享存儲(chǔ)器中，再以NFC方式回傳給胎壓檢測(cè)主控制器，之后轉(zhuǎn)入休眠模式，等待胎壓檢測(cè)主控制器的下一次調(diào)度。

2.2 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，利用四線扁平電纜進(jìn)行電氣信號(hào)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(shí)提供了溫度補(bǔ)償和偏移校正。

工作時(shí)，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(jì)算方法：

1)溫度T：

(4)

2)溫度補(bǔ)償?shù)膲毫τ?jì)算P：

(5)

(6)

(7)

其中：

A0.6、C0.6為溫度系數(shù)，在傳感器出廠時(shí)進(jìn)行標(biāo)定并存儲(chǔ)在傳感器PROM中。

Q0.6為溫度補(bǔ)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(bǔ)償計(jì)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(jìn)行封裝，充氣時(shí)氣體由氣門芯進(jìn)入，經(jīng)過氣門嘴內(nèi)設(shè)的小孔進(jìn)入到內(nèi)部的壓力腔后與輪胎實(shí)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(gè)空氣孔連通。

其中，氣門芯用于實(shí)現(xiàn)輪胎充氣功能，壓力傳感器用于完成胎壓的檢測(cè)和溫度數(shù)據(jù)采集，信息處理與控制處理器MCU則負(fù)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(shí)現(xiàn)外部RF射頻場(chǎng)探測(cè)感應(yīng)供電及射頻通信。MCU在接收主控制器檢測(cè)指令后，負(fù)責(zé)調(diào)度壓力傳感器進(jìn)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(jì)與實(shí)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(cè)主控制器中，隨系統(tǒng)上電后自動(dòng)加載轉(zhuǎn)入運(yùn)行工作。胎壓檢測(cè)主控制器執(zhí)行一次胎壓檢測(cè)任務(wù)的過程如圖5(a)所示，軟件流程設(shè)計(jì)如下：

1)系統(tǒng)上電初始化；

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

3)檢測(cè)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(cè)指令；

5)執(zhí)行NFC胎壓檢測(cè)數(shù)據(jù)讀??；

6)對(duì)讀取的胎壓數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(dòng)加載轉(zhuǎn)入運(yùn)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(jì)如下：

1)有RF場(chǎng)供電時(shí)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(jìn)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(jìn)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(fù)責(zé)胎壓信息的顯示，無(wú)內(nèi)置軟件。維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為PC端軟件，功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要負(fù)責(zé)通過RS232總線對(duì)胎壓監(jiān)測(cè)主控制器的策略進(jìn)行按需設(shè)置。本文在參考文獻(xiàn)[9]中幀格式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如圖6所示的通信幀結(jié)構(gòu)。

幀頭檢測(cè)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(rèn)設(shè)定為0xAA，長(zhǎng)度為1字節(jié)；

2)檢測(cè)周期時(shí)間(以秒為單位)：表示全局檢測(cè)指令序列的調(diào)度周期間隔時(shí)間，長(zhǎng)度為1字節(jié)；

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

4)檢測(cè)指令執(zhí)行頻次/周期：檢測(cè)指令的全局調(diào)度頻度，是1個(gè)5 bits的字節(jié)型數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度為1字節(jié)。每個(gè)bit位分別設(shè)置，為1時(shí)設(shè)置全局僅調(diào)度執(zhí)行1次，為0則按照檢測(cè)周期時(shí)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(rèn)設(shè)定為0x55，長(zhǎng)度為1字節(jié)。

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

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證以某型飛機(jī)的起落架地面試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)平臺(tái)，重點(diǎn)驗(yàn)證前端采集器感應(yīng)距離即NFC天線特性參數(shù)。試驗(yàn)選取了3個(gè)前端采集器樣件進(jìn)行測(cè)試，天線直徑3.5 cm，安裝電容為22pF，感應(yīng)距離測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，壓力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表1 前端采集器感應(yīng)距離測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 前端采集器壓力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

表1中，當(dāng)與主控制器天線100%正對(duì)面積時(shí)，感應(yīng)的最大距離均達(dá)到了4.5 cm以上，當(dāng)與主控制器天線30%正對(duì)面積時(shí)，感應(yīng)的最大距離均達(dá)到了1.0 cm以上。表2中，從3個(gè)采集器的壓力測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際的壓力表比對(duì)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(jì)實(shí)現(xiàn)的基于NFC被動(dòng)模式的飛機(jī)起落架在線胎壓檢測(cè)裝置，將近場(chǎng)通信NFC和胎壓傳感器檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，通過傳感器溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)方法解決了壓力檢測(cè)受溫度影響的問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置滿足飛機(jī)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(shí)際應(yīng)用需求。在實(shí)際樣機(jī)的研制中，設(shè)計(jì)的前端采集器雖然非常緊湊，但其天線尺寸偏大，實(shí)際使用時(shí)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(xiàn)[10]來進(jìn)一步實(shí)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(shí)盡可能提高主從設(shè)備的通信距離。