飞机轮胎压力监测系统的设计研究

王昊

【摘 要】飞机轮胎是飞机的重要组成部分，其可靠性和安全性将直接关系到乘客的生命和财产安全。因此，本文提出了一种飞机轮胎压力监测系统（Aircraft Tire Pressure Monitoring System，ATPMS），采用高集成度的SP37芯片用于飞机轮胎压力数据的实时采集与发送，采用MAX1473进行无线信号的接收，采用MSP430芯片实现轮胎压力数据的解析和对该系统的控制。该系统能够实时显示各个轮胎的测量数据，并对危险情况进行报警。本文重点介绍了ATPMS系统的硬件和软件的设计。

【关键词】飞机轮胎压力监测系统；SP37；MAX1473；MSP430

0 引言

飞机轮胎是飞机的重要组成部分，其主要作用是支撑飞机重量，缓冲飞机结构着陆过程中受到的冲击并帮助吸收冲击能量，在刹车时提供足够的摩擦力以便飞机在着陆后及时停住等，所以飞机轮胎的可靠性和安全性将直接关系到乘客的生命和财产安全。

飞机轮胎常见的故障有轮胎磨损故障和轮胎爆胎故障[1]。轮胎磨损的主要原因是轮胎压力不当，包括轮胎压力过大、过小和各轮胎压力差较大。当轮胎压力过大时，轮冠部位受力偏大先磨损；当轮胎压力过小时，轮冠凹陷，造成轮肩及其邻近部位先磨损；对于成对的轮子，如果两个轮胎压力相差过大，既会导致两个轮胎磨损不同步，还会导致轮胎的偏磨。飞机轮胎的压力除了受到自身充气过程影响外，还与所处环境的温度和飞机的重量有关：所处环境的温度越高，轮胎压力越大；飞机的重量越大，轮胎压力越大。因此，实时监测飞机轮胎的压力具有重要的意义。

目前， ATPMS系统已经在国外先进的民用和军用飞机中得到普遍采用，如空客公司、波音公司和达索公司的诸多机型中，包括最新的A380飞机也装配了ATPMS系统。另外，国外部分公司也开展了此方面的研究，如FINNISH公司、Crane aerospace & electronics公司、Melexis公司等也开发了ATPMS系统[2]。

本文提出了一种ATPMS系统的方案，该系统：（1）将压力传感器置入飞机轮胎直接测量飞机轮胎的压力；（2）无线传输轮胎压力数据；（3）建立轮胎压力的无线网络，实现多个轮胎压力数据的实时测量和传输；（4）设立阈值对不在正常范围内的轮胎压力报警。本文重点介绍了该ATPMS系统的系统架构，硬件设计和软件通讯协议设计。

1 ATPMS系统总体设计

ATPMS系统采用无线的方式传输监测的飞机轮胎压力数据，因此ATPMS系统可以分成采集发射模块和接收处理模块。其中，采集发射模块包含了飞机轮胎压力监测模块和无线射频发射模块，接收处理模块包含了无线射频接收模块、系统主机模块和驾驶舱显示模块，系统的总体架构如图1所示。

图1 系统总架构图

飞机轮胎压力监测模块用于实时监测飞机轮胎压力，飞机轮胎压力监测主要有：（1）基于轮速传感器的间接监测方案和；（2）基于压力传感器直接监测的方案两种。间接监测方案的缺点在于其轮胎压力的监测必须伴随着轮胎的转动，且无法对两个以上轮胎同时缺气的状况情况进行判断，因此本文选用基于压力传感器直接监测飞机轮胎压力。无线射频发射模块和无线射频接收模块主要用于胎压监测数据的无线传输；系统主机模块连接飞机的数据总线和无线射频接收模块，用于飞机胎压监测无线网络的控制和飞机胎压监测数据的解析处理；驾驶舱显示模块安装在驾驶舱内部，用于与机组人员进行交互。其工作流程为：系统通过安装在每个飞机轮胎上的压力传感器连续实时地测量每个飞机轮胎的压力数据，然后以无线方式传输至信号接收器，然后直接显示在显示器上供驾驶员查看。如果出现飞机轮胎压力数据异常，系统将自动警报从而提醒飞机驾驶员。

2 系统硬件设计

2.1 采集发射模块设计

由于ATPMS系统的采集发射模块是直接安装在飞机轮胎上，且由电池供电，因此决定了采集发射模块必须满足功耗低、环境适应性强、体积小和无线传输性能强等要求。Infineon公司开发的SP37凭借其将压力传感器、MCU和RF射频发射器集成的特点，正好满足上述的要求。SP37的MCU采用了8051内核；其RF射频的中心频率有315MHz和434MHz两种；RF发射的最大功率为8dBm；该芯片的最低工作电压为1.9 V；系统工作状态的改变如系统的定期唤醒、低频接收唤醒等都可以由软件控制来实现，可以通过编写软件使系统在 ASK/FSK 两种调制方式间自由切换。SP37搭配阻抗匹配电路和小型微带天线用于发送射频信号。

2.2 接收处理模块设计

接收处理模块包含了无线射频接收模块、系统主机模块和驾驶舱显示模块。选择Maxim公司的MAX1473芯片作为无线射频接收模块的射频芯片。MAX1473芯片是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，它用于接收300MHz～450MHz频率范围的幅度键控（ASK）数据信号。MAX1473外围电路主要包括LNA调谐电路、输入匹配电路和振荡电路三部分[3-4]。主机控制模块中的MCU选用MSP430F1611微控制器。MSP430系列微控制器是TI公司推出的超低功耗、高性能的16位混合信号处理器，其通常工作在8MHz时钟频率，且具有多种低功耗模式可供选择。在本系统中，其主要功能是对MAX1473接收到的数据进行解析处理和压力值实时刷新显示。

3 系统软件设计

系统软件主要实现对飞机轮胎压力的监测、发送与接收，数据的处理、和系统的报警提示。ATPMS系统软件也可分为采集发射模块程序和接收处理模块程序两部分。

3.1 采集发射模块软件的设计

采集发射模块的主要任务是对飞机轮胎压力的监测，监测数据的处理和发送。采集发射模块为电池供电，为了需要降低系统功耗，采集发射模块软件需要控制采集发射模块在休眠状态和工作状态下不停切换。另外，飞机轮胎都装有采集发射模块，若同时发送数据，射频信号之间相互干扰，导致接收处理模块无法获得全部的轮胎压力监测数据，即产生数据冲突。为了解决上述的问题，采集发射模块软件采用延时发送的方法，即系统在发送每个数据前增加一段固定延时，错开发送时间以减小了数据冲突的概率。采集发射模块的软件流程如图2所示。

3.2 接收处理模块软件设计

接收处理模块的软件的主要作用是对接收到的无线数据包进行解析。系统将实时显示接收到的飞机轮胎压力数据，如果飞机轮胎压力数据异常，系统将定位压力数据异常的轮胎并警报。接收处理部分的软件流程如图3所示。

4 结束语

本文提出了一种ATPMS系统，主要进行了ATPMS系统总体架构设计、硬件设计和软件设计。采用高集成度的SP37芯片实现飞机轮胎压力的监测和数据的发送；接收处理模块采用MAX1473芯片与MSP430微控制器分别用于信号的接收与解析。该设计能够实时监测飞机轮胎压力数据，保障飞机的安全，同时也能减小轮胎维护的工作量。

【参考文献】

[1]龚荣亮.飞机轮胎的结构及常见故障探究[J].中国高新技术企业，2011（27）： 81-82.

[2]肖园.轮胎压力调控系统在民用飞机维修信息采集中的应用研究[D].电子科技大学，2012.

[3]王跃飞，侯亮，刘菲，等.基于FPGA的汽车CAN网络实时管理系统设计[J].电子测量与仪器学报，2013，27（8）：721-728.

[4]陈良琳.基于TDA5210的868MHz无线接收模块设计[J].电子设计工程，2011， 19（5）：162-164.

[责任编辑：杨玉洁]