刹车控制单元便携式检测设备的设计与实现

陆 峰， 邓伟林， 张博强， 黄 星， 马晓军

(航空工业西安航空制动科技有限公司,陕西 西安 710072)

随着航空业的发展，飞机起飞与着陆速度以及起飞质量都在逐渐增加，起飞与着陆过程中的安全问题日益突出，对刹车系统性能和可靠性的要求也越来越高。因此，设计的刹车系统功能越来越完善，构成也越来越复杂,它关系到飞机的安全返航、持续作战能力和适应机场的能力。从国内和国外的飞机事故报道及统计数据来看，事故大多数都发生在飞机起飞或着陆阶段，其中，由于飞机防滑刹车系统未能正常工作的事故占很大比例。因此，如何有效提高飞机起飞与着陆的安全性和刹车效率，缩短滑跑距离，提高飞机对各种载荷状况、跑道状况、气候条件的适应能力，提高飞机起飞前的安全检查的效率和有效性，成为飞机刹车系统健康管理的主要研究目标[1-2]。在飞机地面试验台进行刹车试验时，或者在外场飞机起飞前进行检查、大修厂的飞机维修时，防滑刹车控制单元的性能检测设备必不可少。外场检测的需求中要求相关检测设备具有一体化，体积小、质量轻，便于运输携带等特点，要承受外场的恶劣测试环境，并且提出了故障预测和状态管理技术(Prognostic and Health Management，PHM)，以实现视情维修，从而降低飞机的维护费用和难度[3-4]。

1 现行技术问题分析

目前国内关于防滑刹车控制单元的检测设备诸多，对于便携式的检测仪设备，以往机型的刹车控制器是基于模拟电路的刹车控制单元。控制单元功能简单，因此相应的检测设备功能也相对简单，一般采用单片机或者DSP作为主控制器，外加信号调理电路即可完成刹车控制单元的常规性能检测。随着航空领域的技术发展，防滑刹车控制单元需完成的功能越来越多，其具备的智能化程度越来越高，控制精度高，控制逻辑复杂，并配备GJB289A或者HB6096总线信号与飞控/航电等机载系统交联，因此，传统的检测设备已满足不了智能化的数字防滑刹车控制单元性能检测需求。

基于PC的数据采集系统，一般外形为19 in标准机柜或者操作台样式，采用PCI总线或PXI总线架构来完成测试测量和控制任务的检测设备倍受推广。现有机型的刹车控制单元便携式检测设备，原理是采用便携式的多槽PCI工业控制计算机，内插相应的模拟量I/O板卡、数字量I/O板卡、各总线板卡等，外部配置一个电源箱和信号调理箱；电源箱用于对被测产品进行DC 28 V供电及其他测试电路供电；信号调理箱和工控机板卡配合完成对刹车控制单元的激励和数据采集。以上设计方式并未完成检测设备一体化设计，信号调理箱和便携式工控机之间有相当烦琐的线缆连接，导致设备的可移动性、可靠性均大打折扣。另外，基于金手指连接的PCI总线板卡在插拔频繁或移动过程中产生的振动均可造成PCI总线板卡接触不良等故障，极大地降低了平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure,MTBF)性能指标以及使用寿命期限指标[5]。

安装条件苛刻、拆卸烦琐、结构复杂导致设备实用性、可靠性、移动性降低。以上缺陷使得此方案只能在实验室内使用，无法适应外场苛刻的工作环境。因此为了适应新一代飞机的技术性能要求，作为地面保障设备不可或缺的新一代便携式检测设备必然要有很高的可靠性，可实现精确采集，且便于维修、移动，连接方便，有外场工作能力、故障定位等智能化能力。

2 系统设计

为解决现有技术中存在的问题，设计了一种基于PXI总线平台架构便携式检测设备。

2.1 系统架构

考虑测试设备在外场的实际使用环境，基于PXI总线平台构架设计了一个测试平台，测试平台由主控单元、人机交互接口、信号仿真单元、信号采集单元、信号调理单元、故障仿真单元、直流供电单元和接口适配单元所组成，用于刹车控制单元测试，实现刹车控制单元输入和输出接口功能、性能测试、故障定位等功能。系统的总体结构原理框图如图1所示[3]。

图1 系统原理框图

(1) 主控单元。

PXI总线框架中的主控单元由PXI总线控制器和PXI总线背板组成，主控单元安装有Windows操作系统和测试应用软件，完成仿真单元、采集单元等资源调用执行工作，对测试数据进行分析后得出测试结论。

(2) 人机交互接口。

该单元主要由一体化键盘鼠标显示器套件组成，主要完成操作人员与测试设备的信息交互，包括测试命令操作、测试结果显示等功能。

(3) 信号仿真单元。

该单元由电流输出模块、电压输出模块、频率输出等模块组成，主要完成刹车压力传感器、机轮速度传感器、刹车指令传感器等信号的仿真功能。

(4) 信号采集单元。

该单元由主要由模拟量采集模块组成，配合信号调理模块完成刹车控制电流、刹车切断阀线圈电流等信号的采集功能。

(5) 负载仿真信号调理单元。

该单元主要完成两部分功能，一是实现刹车控制阀线圈、刹车切断阀线圈等模拟负载的仿真；二是将刹车控制电流、刹车切断阀线圈电流等信号转换成标准的0～10 V电压信号，供信号采集单元采集。

(6) 故障仿真单元。

该单元主要由机械式继电器矩阵模块组成，完成各信号线路断路和短路故障仿真。

(7) 总线仿真单元。

该单元由1553B总线和ARINC429总线等模块组成，主要仿真与刹车控制器进行交联通信的飞控/航电系统。

(8) 直流供电电源。

该单元由直流电源组成，为被测件和其他信号调理等模块供电。设备可通过继电器开关控制电源通、断电，加以配备的功率采集功能模块，联合上位机监控程序，完成被测件正常工作功率测试和故障状态下的自动断电功能。

(9) 接口适配单元。

本单元主要将测试板卡接口转换成可以与被测件直接连接的航空插座，实现设备与被测件之间快速可靠连接。同时该单元布置短接端子实现信号测试、排故及计量校准等功能。

2.2 系统硬件设计

外场检测设备使用环境比较复杂，出现故障时需要及时解决，然而常规检测设备体积和质量都很大，不易移动，并且长期在极端恶劣环境中使用，不但影响性能稳定性，还会缩短使用寿命。因此，外场检测仪设备在功能、使用和环境方面的要求非常严格[6]。

在系统硬件选型时，必须基于开放式体系结构，选用商用货架(COTS)产品，确保最低的开发费用和较短的开发时间，保证检测设备的通用性、兼容性、可移植性、可互换性，再配合模块化设计，在设备需维修时，定位出现故障的模块后直接更换，做到最快速的维修维护。

图2为系统电气原理图，采用的PXI总线是一种PCI总线在测试设备上的拓展总线，其不但具有PCI总线的高带宽，并将PCI电气总线与CompactPCI中坚固的、模块化的欧式机械封装结合在一起，使其具有抗强冲击力和震动的特性。

图2 系统电气原理图

采用8插槽的PXI机箱和相应3U标准PXI I/O板卡，经信号调理电路转换成所需的信号类型。选用1553B、ARINC429等总线板卡，满足GJB289A、HB6096等协议信号的接收及仿真航电等系统的总线信号。

选用专用的工业显示屏，可在外场的强光环境下取得更好的视觉效果。

为使得检测设备方便校准和维护，在测试面板上对每一路信号通道留有校验端子。校验检测设备的采集精度时，使用外部标准信号源注入相应信号，通过校验程序进行校准，如校验本设备的输出精度，则运行本设备的校验程序输出相应信号，使用外部标准万用表进行校准。校准程序包含每个通道的KB校准系数，软件可根据校准数据，自动生成相应KB值并保存，可保证电气设备在全生命周期内信号采集和输出精度达标，避免因电路老化等原因造成的采集或输出精度漂移问题。

2.3 系统结构设计

本检测设备外观为一整体拉杆箱式，主体分为箱盖和箱体，箱体将计算机、I/O板卡、被测件激励电源、数据调理板、接插件等集成一体。箱盖上嵌入工业显示屏。检测设备外观如图3所示。

图3 检测设备外观图

箱体结构设计如图4所示。为减小检测设备体积，采用8槽PXI总线背板，摒弃PXI机箱外部结构件，另行设计可与检测面板融为一体的多层机箱。机箱从上至下依次为测试面板、PXI总线背板安装层、电源安装层、信号调理层、模拟负载和故障层。

图4 箱体结构设计

测试面板上布置了UUT接口、计量端子、通风孔、工业一体式滚轮鼠标键盘等，并预留了网口和USB接口，方便数据的导入导出和试验报表的打印。

对于热设计，根据GJB/Z27—1992《电子设备可靠性热设计手册》所规定的程序对电子设备中的耗热器件及整机系统的温升进行控制，避免电子设备因温度超过规定的值而发生故障。

① 合理布置元器件，发热量大的元器件分散放置。

② 使用金属材料制作腔体，通过传导、辐射方式散发模块热量，并采用风冷方式，充分利用金属机壳散热。

③ 增加器件与散热面的面积，采用热阻极低内腔体传导散热，合理控制发热器件的功率，并采用过温告警和保护措施。

④ 在设备的一侧安装风扇，面板以及整体结构件采用铝合金，如图4所示，整体上组合为一体，右侧设置进风口，面板左侧设置出风口，通风口下装有散热风扇。

被测产品和本检测设备通过面板上的航插进行连接测试，检测设备布局紧凑简洁、体积小，拉杆箱设计便于移动。

2.4 控制软件设计

软件系统采用统一标准：计算机操作系统选用WINDOWS XP，数据库管理软件选用ACESS 2000，上位机控制软件采用NI LabVIEW 2018 编写。

系统测控软件基于计算机系统强大的运算能力，采用LabVIEW高级语言混合编程、主要功能是完成刹车控制系统相应的性能测试、控制和故障定位。除此之外，系统软件还应具有使用方便、操作灵活的人机界面、丰富的画面显示，便于技术人员操作使用。系统测控软件力求功能完善、有较好的可维护性和扩展性，保证合理、安全、可靠地检测刹车系统各部分状态，并具备故障检测和故障定位的功能，为维护人员的快速修理起重要的指导作用。

其检测系统的软件体系结构如图5所示。

图5 检测系统的软件体系结构图

以某机型的刹车控制单元检测设备为例，测控软件主界面示意图如图6所示。

图6 某机型防滑刹车控制单元检测软件主界面

防滑刹车控制单元性能试验的测试界面包含了对被测件的激励控制、被测件输出信号的采集以及1553B、ARINC429、RS422/485等协议总线的解析、仿真，单击右侧相应测试按钮，可在子程序框内完成对应的诸如各总线测试、数据回放、分析等界面的切换。在测试过程中，程序自动以测试日期和时间为索引存储试验数据至数据库，方便后续的数据分析和查询。

3 测试分析

本设计在参照传统测试方式的基础上进行了相应的迭代，优化了测试电路和测试方法，相比以往类似的检测设备，有针对性地解决了部分测试难题。

以往检测设备，对于0～50 mA刹车电流信号的采集一般使用电流传感器转换成0～10 V电压，再通过模拟量采集板卡进行采集，采集成本高，传感器精度受温漂影响较大，且传感器体积大，不便于安装，单端采集使得设备整体精度无法保证。本设计对于刹车电流的检测使用了1 Ω的高精度、低温漂精密采样电阻，采集通道采用差分采集，使得电流采集精度达到了5‰以上的精度，在长时间使用过程中，加上对设备良好的散热设计，使得其采集精度受温度的影响可忽略不计，此方案具有很高稳定性和可靠性[8]。

以往技术在进行0～3000 Hz速度信号激励时，采用信号发生器或者波形发生板卡给定固定幅值的调频正弦波模拟机轮速度传感器，而实际机轮速度传感器信号为近似正弦波，峰峰值≥0.6 V，且信号峰峰值随旋转速度的增大而增大。本设计采用高速的模拟量输出板卡，使用高速画点的方式输出近似正弦波信号，再经过一个特定值电容给定控制盒机轮速度信号激励。此特定值电容使用串联方法，由于电容的特性，隔离了原本激励信号的直流分量，并使得高频时幅值随之增大，可基本模拟机轮速度传感器实际工况中的随变信号。

针对外场翻盖式检测设备的应用，设计了翻盖式箱体铰链，是此类设备研制的特制铰链。显示器电源线可从长铰链支柱杆内部走线，合盖后铰链处于折叠收纳状态，开盖后的箱体面板成为一个整体，开盖角度为108°，美观大方且位于操作人员的最佳观察角度。

4 结束语

基于PXI总线平台架构设计的便携式检测设备，主要用于某型刹车控制单元测试的外场检测、排故，厂内产品调试、性能验收试验。设备配备相应测试测量板卡，调理、激励电路，激励电源，并集成在一拉杆箱内，采用一体化设计，方便运输携带，且具有一定抗强冲击力和震动的特性，有很高的安全性、可靠性，数据采集精度高而且安装方便、简单可靠，有外场工作能力和对被测系统的故障检测及故障定位功能。

本设计也可用于飞机刹车试验台、飞机综合性能试验台中对刹车控制单元提供激励和监测；可对现有飞机全/半物理仿真试验台进行改良；可以为飞机刹车系统的研制提供准确可信的测试信号。为全面检查飞机电子防滑刹车控制系统在飞机起飞、着陆时，电子防滑刹车控制系统的防滑刹车性能、匹配性及系统的改进和参数优化提供了必要的试验条件，缩短了研制周期，极大地提高了飞机机轮刹车系统研发和试验的综合水平。另外低成本和低功耗设计，减小了经济费用，还具有节能降耗的示范意义和推广价值。

本便携式的设计、即插即用的安装方式和基于PC的检测架构，可与机场建立双向通信系统的健康管理系统，实现收集飞机被测系统的状态数据信息，及时获取飞机的健康状态；同时可对飞机刹车系统全寿命周期内的健康状态进行有效管理[7]；在作为地面保障设备应用于机场内飞机起飞前防滑刹车控制单元性能现场检查，或作为检修设备应用于飞机大修厂时，可提高飞机检修效率，保障飞机起飞着陆的安全，具有广阔的应用前景。