陸 峰， 鄧偉林， 張博強， 黃 星， 馬曉軍

(航空工業(yè)西安航空制動科技有限公司,陜西 西安 710072)

隨著航空業(yè)的發(fā)展，飛機起飛與著陸速度以及起飛質(zhì)量都在逐漸增加，起飛與著陸過程中的安全問題日益突出，對剎車系統(tǒng)性能和可靠性的要求也越來越高。因此，設(shè)計的剎車系統(tǒng)功能越來越完善，構(gòu)成也越來越復(fù)雜,它關(guān)系到飛機的安全返航、持續(xù)作戰(zhàn)能力和適應(yīng)機場的能力。從國內(nèi)和國外的飛機事故報道及統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，事故大多數(shù)都發(fā)生在飛機起飛或著陸階段，其中，由于飛機防滑剎車系統(tǒng)未能正常工作的事故占很大比例。因此，如何有效提高飛機起飛與著陸的安全性和剎車效率，縮短滑跑距離，提高飛機對各種載荷狀況、跑道狀況、氣候條件的適應(yīng)能力，提高飛機起飛前的安全檢查的效率和有效性，成為飛機剎車系統(tǒng)健康管理的主要研究目標[1-2]。在飛機地面試驗臺進行剎車試驗時，或者在外場飛機起飛前進行檢查、大修廠的飛機維修時，防滑剎車控制單元的性能檢測設(shè)備必不可少。外場檢測的需求中要求相關(guān)檢測設(shè)備具有一體化，體積小、質(zhì)量輕，便于運輸攜帶等特點，要承受外場的惡劣測試環(huán)境，并且提出了故障預(yù)測和狀態(tài)管理技術(shù)(Prognostic and Health Management，PHM)，以實現(xiàn)視情維修，從而降低飛機的維護費用和難度[3-4]。

1 現(xiàn)行技術(shù)問題分析

目前國內(nèi)關(guān)于防滑剎車控制單元的檢測設(shè)備諸多，對于便攜式的檢測儀設(shè)備，以往機型的剎車控制器是基于模擬電路的剎車控制單元。控制單元功能簡單，因此相應(yīng)的檢測設(shè)備功能也相對簡單，一般采用單片機或者DSP作為主控制器，外加信號調(diào)理電路即可完成剎車控制單元的常規(guī)性能檢測。隨著航空領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，防滑剎車控制單元需完成的功能越來越多，其具備的智能化程度越來越高，控制精度高，控制邏輯復(fù)雜，并配備GJB289A或者HB6096總線信號與飛控/航電等機載系統(tǒng)交聯(lián)，因此，傳統(tǒng)的檢測設(shè)備已滿足不了智能化的數(shù)字防滑剎車控制單元性能檢測需求。

基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般外形為19 in標準機柜或者操作臺樣式，采用PCI總線或PXI總線架構(gòu)來完成測試測量和控制任務(wù)的檢測設(shè)備倍受推廣?，F(xiàn)有機型的剎車控制單元便攜式檢測設(shè)備，原理是采用便攜式的多槽PCI工業(yè)控制計算機，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，外部配置一個電源箱和信號調(diào)理箱；電源箱用于對被測產(chǎn)品進行DC 28 V供電及其他測試電路供電；信號調(diào)理箱和工控機板卡配合完成對剎車控制單元的激勵和數(shù)據(jù)采集。以上設(shè)計方式并未完成檢測設(shè)備一體化設(shè)計，信號調(diào)理箱和便攜式工控機之間有相當(dāng)煩瑣的線纜連接，導(dǎo)致設(shè)備的可移動性、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過程中產(chǎn)生的振動均可造成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間(Mean Time Between Failure,MTBF)性能指標以及使用壽命期限指標[5]。

安裝條件苛刻、拆卸煩瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致設(shè)備實用性、可靠性、移動性降低。以上缺陷使得此方案只能在實驗室內(nèi)使用，無法適應(yīng)外場苛刻的工作環(huán)境。因此為了適應(yīng)新一代飛機的技術(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設(shè)備必然要有很高的可靠性，可實現(xiàn)精確采集，且便于維修、移動，連接方便，有外場工作能力、故障定位等智能化能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，設(shè)計了一種基于PXI總線平臺架構(gòu)便攜式檢測設(shè)備。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮測試設(shè)備在外場的實際使用環(huán)境，基于PXI總線平臺構(gòu)架設(shè)計了一個測試平臺，測試平臺由主控單元、人機交互接口、信號仿真單元、信號采集單元、信號調(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，用于剎車控制單元測試，實現(xiàn)剎車控制單元輸入和輸出接口功能、性能測試、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，對測試數(shù)據(jù)進行分析后得出測試結(jié)論。

(2) 人機交互接口。

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

(3) 信號仿真單元。

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，主要完成剎車壓力傳感器、機輪速度傳感器、剎車指令傳感器等信號的仿真功能。

(4) 信號采集單元。

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

(5) 負載仿真信號調(diào)理單元。

該單元主要完成兩部分功能，一是實現(xiàn)剎車控制閥線圈、剎車切斷閥線圈等模擬負載的仿真；二是將剎車控制電流、剎車切斷閥線圈電流等信號轉(zhuǎn)換成標準的0～10 V電壓信號，供信號采集單元采集。

(6) 故障仿真單元。

該單元主要由機械式繼電器矩陣模塊組成，完成各信號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，主要仿真與剎車控制器進行交聯(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，為被測件和其他信號調(diào)理等模塊供電。設(shè)備可通過繼電器開關(guān)控制電源通、斷電，加以配備的功率采集功能模塊，聯(lián)合上位機監(jiān)控程序，完成被測件正常工作功率測試和故障狀態(tài)下的自動斷電功能。

(9) 接口適配單元。

本單元主要將測試板卡接口轉(zhuǎn)換成可以與被測件直接連接的航空插座，實現(xiàn)設(shè)備與被測件之間快速可靠連接。同時該單元布置短接端子實現(xiàn)信號測試、排故及計量校準等功能。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

在系統(tǒng)硬件選型時，必須基于開放式體系結(jié)構(gòu)，選用商用貨架(COTS)產(chǎn)品，確保最低的開發(fā)費用和較短的開發(fā)時間，保證檢測設(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，在設(shè)備需維修時，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。

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中堅固的、模塊化的歐式機械封裝結(jié)合在一起，使其具有抗強沖擊力和震動的特性。

圖2 系統(tǒng)電氣原理圖

采用8插槽的PXI機箱和相應(yīng)3U標準PXI I/O板卡，經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成所需的信號類型。選用1553B、ARINC429等總線板卡，滿足GJB289A、HB6096等協(xié)議信號的接收及仿真航電等系統(tǒng)的總線信號。

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

為使得檢測設(shè)備方便校準和維護，在測試面板上對每一路信號通道留有校驗端子。校驗檢測設(shè)備的采集精度時，使用外部標準信號源注入相應(yīng)信號，通過校驗程序進行校準，如校驗本設(shè)備的輸出精度，則運行本設(shè)備的校驗程序輸出相應(yīng)信號，使用外部標準萬用表進行校準。校準程序包含每個通道的KB校準系數(shù)，軟件可根據(jù)校準數(shù)據(jù)，自動生成相應(yīng)KB值并保存，可保證電氣設(shè)備在全生命周期內(nèi)信號采集和輸出精度達標，避免因電路老化等原因造成的采集或輸出精度漂移問題。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本檢測設(shè)備外觀為一整體拉桿箱式，主體分為箱蓋和箱體，箱體將計算機、I/O板卡、被測件激勵電源、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。檢測設(shè)備外觀如圖3所示。

圖3 檢測設(shè)備外觀圖

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

圖4 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試面板上布置了UUT接口、計量端子、通風(fēng)孔、工業(yè)一體式滾輪鼠標鍵盤等，并預(yù)留了網(wǎng)口和USB接口，方便數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出和試驗報表的打印。

對于熱設(shè)計，根據(jù)GJB/Z27—1992《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊》所規(guī)定的程序?qū)﹄娮釉O(shè)備中的耗熱器件及整機系統(tǒng)的溫升進行控制，避免電子設(shè)備因溫度超過規(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，并采用過溫告警和保護措施。

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。

被測產(chǎn)品和本檢測設(shè)備通過面板上的航插進行連接測試，檢測設(shè)備布局緊湊簡潔、體積小，拉桿箱設(shè)計便于移動。

2.4 控制軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用統(tǒng)一標準：計算機操作系統(tǒng)選用WINDOWS XP，數(shù)據(jù)庫管理軟件選用ACESS 2000，上位機控制軟件采用NI LabVIEW 2018 編寫。

系統(tǒng)測控軟件基于計算機系統(tǒng)強大的運算能力，采用LabVIEW高級語言混合編程、主要功能是完成剎車控制系統(tǒng)相應(yīng)的性能測試、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、操作靈活的人機界面、豐富的畫面顯示，便于技術(shù)人員操作使用。系統(tǒng)測控軟件力求功能完善、有較好的可維護性和擴展性，保證合理、安全、可靠地檢測剎車系統(tǒng)各部分狀態(tài)，并具備故障檢測和故障定位的功能，為維護人員的快速修理起重要的指導(dǎo)作用。

其檢測系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 檢測系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)圖

以某機型的剎車控制單元檢測設(shè)備為例，測控軟件主界面示意圖如圖6所示。

圖6 某機型防滑剎車控制單元檢測軟件主界面

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

3 測試分析

本設(shè)計在參照傳統(tǒng)測試方式的基礎(chǔ)上進行了相應(yīng)的迭代，優(yōu)化了測試電路和測試方法，相比以往類似的檢測設(shè)備，有針對性地解決了部分測試難題。

以往檢測設(shè)備，對于0～50 mA剎車電流信號的采集一般使用電流傳感器轉(zhuǎn)換成0～10 V電壓，再通過模擬量采集板卡進行采集，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)備整體精度無法保證。本設(shè)計對于剎車電流的檢測使用了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到了5‰以上的精度，在長時間使用過程中，加上對設(shè)備良好的散熱設(shè)計，使得其采集精度受溫度的影響可忽略不計，此方案具有很高穩(wěn)定性和可靠性[8]。

以往技術(shù)在進行0～3000 Hz速度信號激勵時，采用信號發(fā)生器或者波形發(fā)生板卡給定固定幅值的調(diào)頻正弦波模擬機輪速度傳感器，而實際機輪速度傳感器信號為近似正弦波，峰峰值≥0.6 V，且信號峰峰值隨旋轉(zhuǎn)速度的增大而增大。本設(shè)計采用高速的模擬量輸出板卡，使用高速畫點的方式輸出近似正弦波信號，再經(jīng)過一個特定值電容給定控制盒機輪速度信號激勵。此特定值電容使用串聯(lián)方法，由于電容的特性，隔離了原本激勵信號的直流分量，并使得高頻時幅值隨之增大，可基本模擬機輪速度傳感器實際工況中的隨變信號。

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

4 結(jié)束語

基于PXI總線平臺架構(gòu)設(shè)計的便攜式檢測設(shè)備，主要用于某型剎車控制單元測試的外場檢測、排故，廠內(nèi)產(chǎn)品調(diào)試、性能驗收試驗。設(shè)備配備相應(yīng)測試測量板卡，調(diào)理、激勵電路，激勵電源，并集成在一拉桿箱內(nèi)，采用一體化設(shè)計，方便運輸攜帶，且具有一定抗強沖擊力和震動的特性，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、簡單可靠，有外場工作能力和對被測系統(tǒng)的故障檢測及故障定位功能。

本設(shè)計也可用于飛機剎車試驗臺、飛機綜合性能試驗臺中對剎車控制單元提供激勵和監(jiān)測；可對現(xiàn)有飛機全/半物理仿真試驗臺進行改良；可以為飛機剎車系統(tǒng)的研制提供準確可信的測試信號。為全面檢查飛機電子防滑剎車控制系統(tǒng)在飛機起飛、著陸時，電子防滑剎車控制系統(tǒng)的防滑剎車性能、匹配性及系統(tǒng)的改進和參數(shù)優(yōu)化提供了必要的試驗條件，縮短了研制周期，極大地提高了飛機機輪剎車系統(tǒng)研發(fā)和試驗的綜合水平。另外低成本和低功耗設(shè)計，減小了經(jīng)濟費用，還具有節(jié)能降耗的示范意義和推廣價值。

本便攜式的設(shè)計、即插即用的安裝方式和基于PC的檢測架構(gòu)，可與機場建立雙向通信系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)收集飛機被測系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，及時獲取飛機的健康狀態(tài)；同時可對飛機剎車系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的健康狀態(tài)進行有效管理[7]；在作為地面保障設(shè)備應(yīng)用于機場內(nèi)飛機起飛前防滑剎車控制單元性能現(xiàn)場檢查，或作為檢修設(shè)備應(yīng)用于飛機大修廠時，可提高飛機檢修效率，保障飛機起飛著陸的安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。