基于DSP+FPGA的飞机防滑刹车控制器系统设计

吕俊　王晓勇　王俊中航工业西安航空计算技术研究所



基于DSP+FPGA的飞机防滑刹车控制器系统设计

吕俊王晓勇王俊
中航工业西安航空计算技术研究所

刹车控制器是飞机刹车系统的核心部件，其功能是控制液压电磁阀和压力伺服阀输出刹车压力，为飞机着陆滑跑提供刹车制动和防滑控制，实现各种不同模式的刹车功能。刹车控制器的性能优劣将会直接影响到飞机的刹车性能乃至飞机的安全。文章介绍了一种刹车控制器的设计与实现。此刹车控制器选用DSP作为主控处理器，用来控制刹车控制器离散量和模拟量接口电路，选用FPGA作为总线和轮速采集控制。此产品已成功在飞机上应用，工作稳定可靠，因此具有较高的参考性。

刹车控制器 防滑控制

飞机刹车系统是飞机各子系统中的一个关键系统，在飞机起飞和降落中起着重要的作用，其主要任务是缩短飞机的着陆滑跑距离，操纵地面滑行方向，以及在终止起飞（RTO）也称放弃起飞等异常情况下，保证安全地将飞机制动停止。本文提出了一种采用DSP+FPGA结构的刹车控制器，这种结构控制器既具有DSP处理器所拥有的体积小、集成度高、功耗低等特点，同时又具有FPGA可独立处理总线通信和频率采集的特点，两者的结合有效地降低了DSP处理器的负荷，提高了刹车控制器的实时性和可靠性。

1　系统结构及工作原理

1.1系统架构

刹车控制器在总体设计上为了保障外场维修采用LRU结构，产品内部将刹车系统的需求分解为不同的功能要求，由各种不同功能的模块来实现，这些模块包括：中央处理器模块（CPU）、输入输出模块（IOM）、总线通讯模块（CIM）、电源模块（PS）和母板（MB）。

1.2系统功能

刹车控制器为飞机液压刹车系统提供如下的控制信号：1）前/左/右轮载信号；2）左支柱放下到位信号；3）右支柱放下到位信号；4）液压电磁阀开关信号；5）左/右轮速传感器电源；6）左/右轮速传感器频率；7）左/右液压传感器电源；8）左/右压力伺服阀控制电流；9）左/右液压传感器信号；10）RS一422信号。

2　刹车控制器硬件设计

2.1液压传感器压力采集

刹车控制器通过提供两路O～10V模拟量输入采集电路来完成液压传感器信号的采集，通过液压压力的采集完成刹车控制器防滑控制的闭环处理。处理的压力信号为2路OV～10V差分电压输入信号。预处理电路主要完成模拟量信号的分压；差模干扰的抑制；二阶压控电压源低通滤波；使信号的电压范围与采集特性满足后端采集的要求。经过处理后的电压信号经过多路选择器连接至A/D转换芯片完成模拟量的采集。

2.2传感器电源电路

刹车控制器可为轮速传感器和压力传感器进行供电，刹车控制器传感器供电电路选用NSC公司的三端稳压器LMl l7实现，LMl l7可把+15V电源转换为+10V电源输出，最大输出电流为0.5A，LMl l7本身自带有过流保护功能，同时刹车控制器将输出电压通过分压处理后经过DSP处理器进行回绕测试，对输出电压进行实时监控。

轮载信号在飞机上为地/开信号，地/开输入信号通过光电隔离电路转为TTL电平，CPU模块通过机内总线读取该信号来判断外部信号状态。地/开输入信号通过光耦器件实现信号的内外隔离功能，光耦器件选取公司的6N140A，输入端工作电流为0.5mA～5mA。在光耦输入低端设计有稳压管，防止输入端为地时干扰信号引起光耦误导通，同时此电路通过继电器可实现地状态和开路状态的BIT测试。

2.3液压电磁阀控制电路

液压电磁阀控制电路通过地/开离散量输出电路实现，输出电路包括输出锁存和功率驱动电路。刹车控制器输出电路通过273锁存器实现控制指令的保持，通过MOS管实现1.5A的功率输出功能。输出电路上设计有过压泄放二极管，避免电磁阀关闭时的高电压对输出电路造成的危害。28V地/开电路由锁存器输出“0”或“l”状态，其中“0”代表开路状态，“1”代表接地状态，地/开输出原理。

2.4RS一422A接口电路

RS一422A接口的协议功能采用FPGA实现，后端的总线电平转换使用美信公司的收发器MAX488MJA实现。收到的数据经电平转换驱动器后进入FPGA，由FPGA进行数据存储，DSP处理器通过查询FPGA的状态寄存器实现RS.422A总线的收发功能并转发给处理器模块，实现数据接收。由于飞机上电磁环境复杂，在RS.422A总线的接收电路上增加了信号的上下拉电阻，提高信号的质量。

2.5频率采集接口

频率采集电路由频率信号输入处理和频率识别两部分组成。频率信号输入处理电路是要把外部输入的低伏值、不规整的模拟频率信号转变成规整的数字式矩形波信号。该电路由放大器电路N1、比较器电路N2和反相器电路N3组成，通过滤波、信号运放和信号转换，将轮速传感器发送的信号调理成FPGA的I /O接口可接收的方波信号。

3　刹车系统的软件设计

刹车控制器通过软件控制接收来自飞控系统的飞机数据，并采集电气系统和刹车系统内部的各种离散量、模拟量、频率信号等。刹车控制器机载软件常驻于刹车控制器的CPU模块的FLASH中。软件的主要功能是将采集、记录、处理系统中的传感器信号和各种输入的数字信号，根据设置好的刹车控制律输出电流控制压力伺服阀，完成整个防滑刹车功能。当刹车控制器上电后，首先调用初始化函数，对系统硬件接口和定义的全局变量进行初始化，然后进行系统的上电BIT检测，判断其是否正常，若正常无故障则将中断使能。

在刹车任务中首先对接口和总线进行采集，判断刹车系统的状态和刹车指令，确定刹车状态，以此来实施防滑刹车的具体分支操作。随后调用故障监控子程序来进行故障判断与处理，然后进入防滑刹车程序。由防滑刹车控制率计算需要输出的结果，产品继而调用接口输出，并同时通过RS一422A总线对飞控计算机发送刹车信息。

4　结语

本文分析了飞机刹车控制系统的组成及工作原理，详细论述了其核心部分刹车控制系统的软硬件设计。目前产品已完成地面试验和飞行试验，其结果表明，该防滑刹车控制器工作稳定可靠、结构合理、易于实现，能够满足飞机防滑刹车的要求。

［1］王晓勇，吕俊，王俊.基于DSP+FPGA的飞机轮速测量系统设计［J］.电子测量技术，2014（7）：62—65.

［2］刘研，李玉忍，梁波，基于双余度飞机防滑刹车控制系统的设计与实现［J］.现代电子技术，2012（15）：100-102.

［3］施建洪，漆云海，李建海，等.飞机数字化全电刹车系统的设计［J］.海军航空工程学院学报，2014（4）：351—354.