陸 峰， 鄧偉林， 張博強(qiáng)， 黃 星， 馬曉軍

(航空工業(yè)西安航空制動(dòng)科技有限公司,陜西 西安 710072)

隨著航空業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)起飛與著陸速度以及起飛質(zhì)量都在逐漸增加，起飛與著陸過(guò)程中的安全問(wèn)題日益突出，對(duì)剎車(chē)系統(tǒng)性能和可靠性的要求也越來(lái)越高。因此，設(shè)計(jì)的剎車(chē)系統(tǒng)功能越來(lái)越完善，構(gòu)成也越來(lái)越復(fù)雜,它關(guān)系到飛機(jī)的安全返航、持續(xù)作戰(zhàn)能力和適應(yīng)機(jī)場(chǎng)的能力。從國(guó)內(nèi)和國(guó)外的飛機(jī)事故報(bào)道及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，事故大多數(shù)都發(fā)生在飛機(jī)起飛或著陸階段，其中，由于飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)未能正常工作的事故占很大比例。因此，如何有效提高飛機(jī)起飛與著陸的安全性和剎車(chē)效率，縮短滑跑距離，提高飛機(jī)對(duì)各種載荷狀況、跑道狀況、氣候條件的適應(yīng)能力，提高飛機(jī)起飛前的安全檢查的效率和有效性，成為飛機(jī)剎車(chē)系統(tǒng)健康管理的主要研究目標(biāo)[1-2]。在飛機(jī)地面試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行剎車(chē)試驗(yàn)時(shí)，或者在外場(chǎng)飛機(jī)起飛前進(jìn)行檢查、大修廠的飛機(jī)維修時(shí)，防滑剎車(chē)控制單元的性能檢測(cè)設(shè)備必不可少。外場(chǎng)檢測(cè)的需求中要求相關(guān)檢測(cè)設(shè)備具有一體化，體積小、質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸攜帶等特點(diǎn)，要承受外場(chǎng)的惡劣測(cè)試環(huán)境，并且提出了故障預(yù)測(cè)和狀態(tài)管理技術(shù)(Prognostic and Health Management，PHM)，以實(shí)現(xiàn)視情維修，從而降低飛機(jī)的維護(hù)費(fèi)用和難度[3-4]。

1 現(xiàn)行技術(shù)問(wèn)題分析

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于防滑剎車(chē)控制單元的檢測(cè)設(shè)備諸多，對(duì)于便攜式的檢測(cè)儀設(shè)備，以往機(jī)型的剎車(chē)控制器是基于模擬電路的剎車(chē)控制單元?？刂茊卧δ芎?jiǎn)單，因此相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備功能也相對(duì)簡(jiǎn)單，一般采用單片機(jī)或者DSP作為主控制器，外加信號(hào)調(diào)理電路即可完成剎車(chē)控制單元的常規(guī)性能檢測(cè)。隨著航空領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，防滑剎車(chē)控制單元需完成的功能越來(lái)越多，其具備的智能化程度越來(lái)越高，控制精度高，控制邏輯復(fù)雜，并配備GJB289A或者HB6096總線信號(hào)與飛控/航電等機(jī)載系統(tǒng)交聯(lián)，因此，傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備已滿足不了智能化的數(shù)字防滑剎車(chē)控制單元性能檢測(cè)需求。

基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般外形為19 in標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜或者操作臺(tái)樣式，采用PCI總線或PXI總線架構(gòu)來(lái)完成測(cè)試測(cè)量和控制任務(wù)的檢測(cè)設(shè)備倍受推廣?，F(xiàn)有機(jī)型的剎車(chē)控制單元便攜式檢測(cè)設(shè)備，原理是采用便攜式的多槽PCI工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，內(nèi)插相應(yīng)的模擬量I/O板卡、數(shù)字量I/O板卡、各總線板卡等，外部配置一個(gè)電源箱和信號(hào)調(diào)理箱；電源箱用于對(duì)被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行DC 28 V供電及其他測(cè)試電路供電；信號(hào)調(diào)理箱和工控機(jī)板卡配合完成對(duì)剎車(chē)控制單元的激勵(lì)和數(shù)據(jù)采集。以上設(shè)計(jì)方式并未完成檢測(cè)設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，信號(hào)調(diào)理箱和便攜式工控機(jī)之間有相當(dāng)煩瑣的線纜連接，導(dǎo)致設(shè)備的可移動(dòng)性、可靠性均大打折扣。另外，基于金手指連接的PCI總線板卡在插拔頻繁或移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)均可造成PCI總線板卡接觸不良等故障，極大地降低了平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure,MTBF)性能指標(biāo)以及使用壽命期限指標(biāo)[5]。

安裝條件苛刻、拆卸煩瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致設(shè)備實(shí)用性、可靠性、移動(dòng)性降低。以上缺陷使得此方案只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，無(wú)法適應(yīng)外場(chǎng)苛刻的工作環(huán)境。因此為了適應(yīng)新一代飛機(jī)的技術(shù)性能要求，作為地面保障設(shè)備不可或缺的新一代便攜式檢測(cè)設(shè)備必然要有很高的可靠性，可實(shí)現(xiàn)精確采集，且便于維修、移動(dòng)，連接方便，有外場(chǎng)工作能力、故障定位等智能化能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PXI總線平臺(tái)架構(gòu)便攜式檢測(cè)設(shè)備。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮測(cè)試設(shè)備在外場(chǎng)的實(shí)際使用環(huán)境，基于PXI總線平臺(tái)構(gòu)架設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)由主控單元、人機(jī)交互接口、信號(hào)仿真單元、信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、故障仿真單元、直流供電單元和接口適配單元所組成，用于剎車(chē)控制單元測(cè)試，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)控制單元輸入和輸出接口功能、性能測(cè)試、故障定位等功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示[3]。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

(1) 主控單元。

PXI總線框架中的主控單元由PXI總線控制器和PXI總線背板組成，主控單元安裝有Windows操作系統(tǒng)和測(cè)試應(yīng)用軟件，完成仿真單元、采集單元等資源調(diào)用執(zhí)行工作，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出測(cè)試結(jié)論。

(2) 人機(jī)交互接口。

該單元主要由一體化鍵盤(pán)鼠標(biāo)顯示器套件組成，主要完成操作人員與測(cè)試設(shè)備的信息交互，包括測(cè)試命令操作、測(cè)試結(jié)果顯示等功能。

(3) 信號(hào)仿真單元。

該單元由電流輸出模塊、電壓輸出模塊、頻率輸出等模塊組成，主要完成剎車(chē)壓力傳感器、機(jī)輪速度傳感器、剎車(chē)指令傳感器等信號(hào)的仿真功能。

(4) 信號(hào)采集單元。

該單元由主要由模擬量采集模塊組成，配合信號(hào)調(diào)理模塊完成剎車(chē)控制電流、剎車(chē)切斷閥線圈電流等信號(hào)的采集功能。

(5) 負(fù)載仿真信號(hào)調(diào)理單元。

該單元主要完成兩部分功能，一是實(shí)現(xiàn)剎車(chē)控制閥線圈、剎車(chē)切斷閥線圈等模擬負(fù)載的仿真；二是將剎車(chē)控制電流、剎車(chē)切斷閥線圈電流等信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～10 V電壓信號(hào)，供信號(hào)采集單元采集。

(6) 故障仿真單元。

該單元主要由機(jī)械式繼電器矩陣模塊組成，完成各信號(hào)線路斷路和短路故障仿真。

(7) 總線仿真單元。

該單元由1553B總線和ARINC429總線等模塊組成，主要仿真與剎車(chē)控制器進(jìn)行交聯(lián)通信的飛控/航電系統(tǒng)。

(8) 直流供電電源。

該單元由直流電源組成，為被測(cè)件和其他信號(hào)調(diào)理等模塊供電。設(shè)備可通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)控制電源通、斷電，加以配備的功率采集功能模塊，聯(lián)合上位機(jī)監(jiān)控程序，完成被測(cè)件正常工作功率測(cè)試和故障狀態(tài)下的自動(dòng)斷電功能。

(9) 接口適配單元。

本單元主要將測(cè)試板卡接口轉(zhuǎn)換成可以與被測(cè)件直接連接的航空插座，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與被測(cè)件之間快速可靠連接。同時(shí)該單元布置短接端子實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)試、排故及計(jì)量校準(zhǔn)等功能。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

外場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備使用環(huán)境比較復(fù)雜，出現(xiàn)故障時(shí)需要及時(shí)解決，然而常規(guī)檢測(cè)設(shè)備體積和質(zhì)量都很大，不易移動(dòng)，并且長(zhǎng)期在極端惡劣環(huán)境中使用，不但影響性能穩(wěn)定性，還會(huì)縮短使用壽命。因此，外場(chǎng)檢測(cè)儀設(shè)備在功能、使用和環(huán)境方面的要求非常嚴(yán)格[6]。

在系統(tǒng)硬件選型時(shí)，必須基于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，選用商用貨架(COTS)產(chǎn)品，確保最低的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和較短的開(kāi)發(fā)時(shí)間，保證檢測(cè)設(shè)備的通用性、兼容性、可移植性、可互換性，再配合模塊化設(shè)計(jì)，在設(shè)備需維修時(shí)，定位出現(xiàn)故障的模塊后直接更換，做到最快速的維修維護(hù)。

圖2為系統(tǒng)電氣原理圖，采用的PXI總線是一種PCI總線在測(cè)試設(shè)備上的拓展總線，其不但具有PCI總線的高帶寬，并將PCI電氣總線與CompactPCI中堅(jiān)固的、模塊化的歐式機(jī)械封裝結(jié)合在一起，使其具有抗強(qiáng)沖擊力和震動(dòng)的特性。

圖2 系統(tǒng)電氣原理圖

采用8插槽的PXI機(jī)箱和相應(yīng)3U標(biāo)準(zhǔn)PXI I/O板卡，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成所需的信號(hào)類(lèi)型。選用1553B、ARINC429等總線板卡，滿足GJB289A、HB6096等協(xié)議信號(hào)的接收及仿真航電等系統(tǒng)的總線信號(hào)。

選用專用的工業(yè)顯示屏，可在外場(chǎng)的強(qiáng)光環(huán)境下取得更好的視覺(jué)效果。

為使得檢測(cè)設(shè)備方便校準(zhǔn)和維護(hù)，在測(cè)試面板上對(duì)每一路信號(hào)通道留有校驗(yàn)端子。校驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的采集精度時(shí)，使用外部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源注入相應(yīng)信號(hào)，通過(guò)校驗(yàn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)，如校驗(yàn)本設(shè)備的輸出精度，則運(yùn)行本設(shè)備的校驗(yàn)程序輸出相應(yīng)信號(hào)，使用外部標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)程序包含每個(gè)通道的KB校準(zhǔn)系數(shù)，軟件可根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成相應(yīng)KB值并保存，可保證電氣設(shè)備在全生命周期內(nèi)信號(hào)采集和輸出精度達(dá)標(biāo)，避免因電路老化等原因造成的采集或輸出精度漂移問(wèn)題。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本檢測(cè)設(shè)備外觀為一整體拉桿箱式，主體分為箱蓋和箱體，箱體將計(jì)算機(jī)、I/O板卡、被測(cè)件激勵(lì)電源、數(shù)據(jù)調(diào)理板、接插件等集成一體。箱蓋上嵌入工業(yè)顯示屏。檢測(cè)設(shè)備外觀如圖3所示。

圖3 檢測(cè)設(shè)備外觀圖

箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。為減小檢測(cè)設(shè)備體積，采用8槽PXI總線背板，摒棄PXI機(jī)箱外部結(jié)構(gòu)件，另行設(shè)計(jì)可與檢測(cè)面板融為一體的多層機(jī)箱。機(jī)箱從上至下依次為測(cè)試面板、PXI總線背板安裝層、電源安裝層、信號(hào)調(diào)理層、模擬負(fù)載和故障層。

圖4 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試面板上布置了UUT接口、計(jì)量端子、通風(fēng)孔、工業(yè)一體式滾輪鼠標(biāo)鍵盤(pán)等，并預(yù)留了網(wǎng)口和USB接口，方便數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出和試驗(yàn)報(bào)表的打印。

對(duì)于熱設(shè)計(jì)，根據(jù)GJB/Z27—1992《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》所規(guī)定的程序?qū)﹄娮釉O(shè)備中的耗熱器件及整機(jī)系統(tǒng)的溫升進(jìn)行控制，避免電子設(shè)備因溫度超過(guò)規(guī)定的值而發(fā)生故障。

① 合理布置元器件，發(fā)熱量大的元器件分散放置。

② 使用金屬材料制作腔體，通過(guò)傳導(dǎo)、輻射方式散發(fā)模塊熱量，并采用風(fēng)冷方式，充分利用金屬機(jī)殼散熱。

③ 增加器件與散熱面的面積，采用熱阻極低內(nèi)腔體傳導(dǎo)散熱，合理控制發(fā)熱器件的功率，并采用過(guò)溫告警和保護(hù)措施。

④ 在設(shè)備的一側(cè)安裝風(fēng)扇，面板以及整體結(jié)構(gòu)件采用鋁合金，如圖4所示，整體上組合為一體，右側(cè)設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，面板左側(cè)設(shè)置出風(fēng)口，通風(fēng)口下裝有散熱風(fēng)扇。

被測(cè)產(chǎn)品和本檢測(cè)設(shè)備通過(guò)面板上的航插進(jìn)行連接測(cè)試，檢測(cè)設(shè)備布局緊湊簡(jiǎn)潔、體積小，拉桿箱設(shè)計(jì)便于移動(dòng)。

2.4 控制軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)選用WINDOWS XP，數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件選用ACESS 2000，上位機(jī)控制軟件采用NI LabVIEW 2018 編寫(xiě)。

系統(tǒng)測(cè)控軟件基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，采用LabVIEW高級(jí)語(yǔ)言混合編程、主要功能是完成剎車(chē)控制系統(tǒng)相應(yīng)的性能測(cè)試、控制和故障定位。除此之外，系統(tǒng)軟件還應(yīng)具有使用方便、操作靈活的人機(jī)界面、豐富的畫(huà)面顯示，便于技術(shù)人員操作使用。系統(tǒng)測(cè)控軟件力求功能完善、有較好的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，保證合理、安全、可靠地檢測(cè)剎車(chē)系統(tǒng)各部分狀態(tài)，并具備故障檢測(cè)和故障定位的功能，為維護(hù)人員的快速修理起重要的指導(dǎo)作用。

其檢測(cè)系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)圖

以某機(jī)型的剎車(chē)控制單元檢測(cè)設(shè)備為例，測(cè)控軟件主界面示意圖如圖6所示。

圖6 某機(jī)型防滑剎車(chē)控制單元檢測(cè)軟件主界面

防滑剎車(chē)控制單元性能試驗(yàn)的測(cè)試界面包含了對(duì)被測(cè)件的激勵(lì)控制、被測(cè)件輸出信號(hào)的采集以及1553B、ARINC429、RS422/485等協(xié)議總線的解析、仿真，單擊右側(cè)相應(yīng)測(cè)試按鈕，可在子程序框內(nèi)完成對(duì)應(yīng)的諸如各總線測(cè)試、數(shù)據(jù)回放、分析等界面的切換。在測(cè)試過(guò)程中，程序自動(dòng)以測(cè)試日期和時(shí)間為索引存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和查詢。

3 測(cè)試分析

本設(shè)計(jì)在參照傳統(tǒng)測(cè)試方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的迭代，優(yōu)化了測(cè)試電路和測(cè)試方法，相比以往類(lèi)似的檢測(cè)設(shè)備，有針對(duì)性地解決了部分測(cè)試難題。

以往檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于0～50 mA剎車(chē)電流信號(hào)的采集一般使用電流傳感器轉(zhuǎn)換成0～10 V電壓，再通過(guò)模擬量采集板卡進(jìn)行采集，采集成本高，傳感器精度受溫漂影響較大，且傳感器體積大，不便于安裝，單端采集使得設(shè)備整體精度無(wú)法保證。本設(shè)計(jì)對(duì)于剎車(chē)電流的檢測(cè)使用了1 Ω的高精度、低溫漂精密采樣電阻，采集通道采用差分采集，使得電流采集精度達(dá)到了5‰以上的精度，在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，加上對(duì)設(shè)備良好的散熱設(shè)計(jì)，使得其采集精度受溫度的影響可忽略不計(jì)，此方案具有很高穩(wěn)定性和可靠性[8]。

以往技術(shù)在進(jìn)行0～3000 Hz速度信號(hào)激勵(lì)時(shí)，采用信號(hào)發(fā)生器或者波形發(fā)生板卡給定固定幅值的調(diào)頻正弦波模擬機(jī)輪速度傳感器，而實(shí)際機(jī)輪速度傳感器信號(hào)為近似正弦波，峰峰值≥0.6 V，且信號(hào)峰峰值隨旋轉(zhuǎn)速度的增大而增大。本設(shè)計(jì)采用高速的模擬量輸出板卡，使用高速畫(huà)點(diǎn)的方式輸出近似正弦波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)特定值電容給定控制盒機(jī)輪速度信號(hào)激勵(lì)。此特定值電容使用串聯(lián)方法，由于電容的特性，隔離了原本激勵(lì)信號(hào)的直流分量，并使得高頻時(shí)幅值隨之增大，可基本模擬機(jī)輪速度傳感器實(shí)際工況中的隨變信號(hào)。

針對(duì)外場(chǎng)翻蓋式檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了翻蓋式箱體鉸鏈，是此類(lèi)設(shè)備研制的特制鉸鏈。顯示器電源線可從長(zhǎng)鉸鏈支柱桿內(nèi)部走線，合蓋后鉸鏈處于折疊收納狀態(tài)，開(kāi)蓋后的箱體面板成為一個(gè)整體，開(kāi)蓋角度為108°，美觀大方且位于操作人員的最佳觀察角度。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于PXI總線平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)的便攜式檢測(cè)設(shè)備，主要用于某型剎車(chē)控制單元測(cè)試的外場(chǎng)檢測(cè)、排故，廠內(nèi)產(chǎn)品調(diào)試、性能驗(yàn)收試驗(yàn)。設(shè)備配備相應(yīng)測(cè)試測(cè)量板卡，調(diào)理、激勵(lì)電路，激勵(lì)電源，并集成在一拉桿箱內(nèi)，采用一體化設(shè)計(jì)，方便運(yùn)輸攜帶，且具有一定抗強(qiáng)沖擊力和震動(dòng)的特性，有很高的安全性、可靠性，數(shù)據(jù)采集精度高而且安裝方便、簡(jiǎn)單可靠，有外場(chǎng)工作能力和對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的故障檢測(cè)及故障定位功能。

本設(shè)計(jì)也可用于飛機(jī)剎車(chē)試驗(yàn)臺(tái)、飛機(jī)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)中對(duì)剎車(chē)控制單元提供激勵(lì)和監(jiān)測(cè)；可對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)全/半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改良；可以為飛機(jī)剎車(chē)系統(tǒng)的研制提供準(zhǔn)確可信的測(cè)試信號(hào)。為全面檢查飛機(jī)電子防滑剎車(chē)控制系統(tǒng)在飛機(jī)起飛、著陸時(shí)，電子防滑剎車(chē)控制系統(tǒng)的防滑剎車(chē)性能、匹配性及系統(tǒng)的改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供了必要的試驗(yàn)條件，縮短了研制周期，極大地提高了飛機(jī)機(jī)輪剎車(chē)系統(tǒng)研發(fā)和試驗(yàn)的綜合水平。另外低成本和低功耗設(shè)計(jì)，減小了經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，還具有節(jié)能降耗的示范意義和推廣價(jià)值。

本便攜式的設(shè)計(jì)、即插即用的安裝方式和基于PC的檢測(cè)架構(gòu)，可與機(jī)場(chǎng)建立雙向通信系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)收集飛機(jī)被測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，及時(shí)獲取飛機(jī)的健康狀態(tài)；同時(shí)可對(duì)飛機(jī)剎車(chē)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)進(jìn)行有效管理[7]；在作為地面保障設(shè)備應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)內(nèi)飛機(jī)起飛前防滑剎車(chē)控制單元性能現(xiàn)場(chǎng)檢查，或作為檢修設(shè)備應(yīng)用于飛機(jī)大修廠時(shí)，可提高飛機(jī)檢修效率，保障飛機(jī)起飛著陸的安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。