（电力电子与电力传动专业论文）基于labview的飞机防滑刹车控制器测试系统设计.pdf

a b s t r a c t t h ca n t i s 姑db r a 虹n gc o n 七r 0 1 l e rt e s ts y s t e mi st h em a i ni n s 1 l 】_ i l e n to ft e s ta i l d e x p e r i m e n tf o ra n t i - 崩db r a l ( i n gc o m r o l l e r u t i l i z i n gi t sa c c u r a t es i m u l a t i o no fm e b r a k e dv e h i c l e t sm o v e m e n t ，i ti sp o s s i b l et ot e s t 也ep a 而衄锄c eo ft l l ec o n t r o l l e r w h a ti sm o r e ，i t 矾n g sh i 曲e re m c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ) r f i r s t l y ，t h ep a p e rn a m t e dt l l ew o r k 证gp r i n c i i d e sa n dc o n s t i n l t e so ft 1 1 ea n t i s k i d b r a k 蛔gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ef 曲m i o no ft h e 趾t i - s k j db r 蛐gc o m r o l l e r ，m e o v c r a l l s 仃a t e g y o ft l l e 搬缸n gs y s t e mw a sd e s i g l l e d 谢t l lt l l ev i 咖a lt e s t i n g t e c h n o l o 西e s s e c o n d l y t l l er e a l i 动t i o np r o c e s so fm e 枷- s 虹db m k i n gc o m r o l l e r t e s t i n gs y s t e mw a s 豳d u c e d i 1 1d “l sb ( ) 也证h a r d w a r e 飘ds o f t w a r e 1 1 1 et e s ts y s t e mc 咖s i s t so f 龇m c us y s t e ma n dp c 1 1 1 em c us y s t e mu s i n gm e t n i c r o p r o c e s s o r8 0 c 1 9 6 k b 镐也e 似ed i s p o s a l 幽pc a ns i “a t et h es i g n a i s ，a c q 妇 d a t a a c t u a l i z es e 血lp o r tc o m m l l l l j c a t i o n 、v i mt l 坨p cb yi 硌2 3 2a 1 1 dd i s p l a yn l e s i g n a l s0 np c 7 n l cb o t t 咖s o f i w 眦b a s e do n 矿a v e 6 0 0 0i n t e g r a c e dd e v e l o p i i l g e i i m i l e n t 、邪p r 0 粤m i l l e db yc 卸da s s e i n b l y1 a n g u a g ei nm o d l l l a r i z a t i o i l w h i c h i m p r o v e d 坞r e a d a b i l 姆，t e s t a b n 毋a n d 叫i l i t y 1 1 1 e t e s ts o 矗啪r c 邯c o m p i l e di n l a b v i e w ，w l l i c hi sd e v e l o p c db yn a t i o 矾li n s 衄珊e n t s 州i ) a i l dh 勰a9 0 0 d m 弛一h l a c ei 缸f a c e t h ed e s c r i 埘o no fs e r i e so fv i sf o r 删l 鼬m e n ta n d 鼬c t i o n e x p 柏d a b l ea b i l 时i sa l s o 百v c ni nd e p 出 a c c o r d i n gt ot h er e s u n so ft e s t i n g ，也et e s ts y s t e mc a i la c l l i e v ct h ed e s i g n e d r e q u i r c m e m s ，s a t i s 母埴l et c q u e s t so fa i r p l a n eb f a l 【i n gs y s t e mc o n 廿o l l e re x 锄i n a t i o n ， a n de r l h a n c et h et e s te 伍c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：锄t i - s k i d b r a k i n g ，t e s ts y s t e m ，v i n i l a lt e s ts y s t e m ，l 曲v i e w ，m i c r o c o n 仃o i l e r i i 西北工业大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 飞机刹车系统是飞机重要的机载设纠，它是一个具有相对独立功能的子 系统，其作用是承受飞机的静态重量、动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能， 实现飞机的起飞、着陆、滑行、转弯的制动和控制，对飞机的起飞、安全着陆起 着重要的作用，所以防滑刹车系统的安全性及可靠性变得尤为重要。 由于飞机着陆过程持续的时间比较短( 大约2 0 秒左右) ，要求防滑刹车系统 必须迅速做出反应，以确保飞机安全、可靠刹车。特别是对于军用机，很可能要 在恶劣的条件下起飞、着陆，如机场周围有比较大的侧风，跑道上有比较深的积 水或者覆盖着冰雪，这些都对防滑刹车系统提出了更高的要求。 对于飞机防滑刹车控制器的质量检测，主要有地面惯性试验台模拟试验和静 态测试两种。目前，国内飞机防滑刹车控制器还没有一个完整的测试系统对其进 行测试，只停留在用信号发生器、示波器、万用表等仪表对控制器元件进行静态 测试，操作麻烦，效率较低。 所以，希望提出一种便于测试防滑刹车控制器的方法，能够在飞机非刹车状 态下，对控制器进行有效性的测试，使防滑刹车系统安全、可靠、反应迅速，确 保飞机安全刹车，也是飞机防滑刹车系统的发展需要。本课题便是在这样的背景 之下展开的。 1 2 研究目的和意义 本课题基于陕西某航空单位的数字防滑刹车控制器，为了便于其功能检测， 研究开发的与其配套的控制器测试系统，并能扩展为通用的控制器测试系统。 由于受到各行各业，特别是军事领域的强有力的需求牵引，近十余年来自动 测试系统和自动测试设备技术发展十分迅速。总体说来，采用自动测试系统是为 达到这样的目的：高速、高效率的测试；快速诊断维护；复杂设备的综合检测 及过程监视。本课题也正是为航空机载设备一飞机防滑刹车控制器而设计的高 西北工业大学硕士论文 速、高效率的控制器测试系统，所以开展本课题的研究是有背景意义的。 本课题研究目的是在深入了解防滑刹车控制器的基础之上，进行控制器测试 系统的设计，以便于控制器的各种功能检测，课题意义在于为防滑刹车控制器提 供了一套完整的测试方案。 1 3 测试系统的发展 随着科学技术的飞速发展，航空航天设备、军用武器系统等高技术产品的复 杂程度日益提高，传统的人工检测维护手段已经无法满足现代化装备的支持保障 要求，自动测试系统口1 ( a t s ) 正逐步成为复杂系统与设备可靠运行的必要保证。 目前自动测试系统已经广泛应用于从产品研制、生产、存储到使用维护的各个环 节，在航空、航天、国防、交通、能源等重要领域发挥着关键的支持保障作用。 特别是航空机载设备a r e ( 自动测试设备) 技术，在国外已经发展许多年，美军对 a r e 十分重视，8 0 年代后更进一步规范了a r e 的发展。主要表现为美空军的 m a t e ( 模块化自动测试设备) 发展计划、美海军的c a s s ( 综合自动支援系统) 发展 计划、美陆军的i f t e ( 内场战场测试设备) 发展计划，通过这些计划规范了a r e 设备的标准，统一了测试软件、检测接口的要求，保证了在一个基地或一个军种 内a r e 设备的标准一致性、互换性一致。 由于传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理 十分困难。且传统仪器体积相对庞大，而利用集成的虚拟测量系统，不但简单， 而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。虚拟仪器强大的功能和价格 优势，使得它在仪器计量领域和教学科研领域具有很强的生命力和十分广阔的前 景。虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成，计算机与硬件模块又称为虚 拟仪器的通用仪器硬件平台，在这个平台上调用不同测量软件就构成了不同的功 能仪器。 在民用航空领域，自动测试设备技术己广泛应用于大型民航客机的维护过程 中，如法国宇航公司的a r e c 5 0 0 系统、美国霍尼威尔公司的s t s 1 0 0 0 系统。 这些测试系统的主体测试仪器普遍选用世界各专业仪器厂商提供的性能优越的 专用仪器，而系统的测试软件和被测对象与测试系统之间的对接接口适配器由公 司自身研制。这样做能够保证研制周期短、系统功能强、可靠性高、产品升级和 西北工业大学硕士论文 技术更新快、积极扩展能力强。 1 4 虚拟仪器技术和l a b v i e w 现代电子技术和计算机技术的迅猛发展和普及应用，使得以虚拟仪器为标志 的通用化、智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛的发展，使得测量仪 器和数据采集系统的设计方法和实现技术产生了深刻的变化。其中最显著的一点 就是虚拟仪器概念的出现与发展，以及虚拟仪器为提高生产率、测量精度及系统 性能方面做出的贡献。 1 4 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器【i ”( m l a lh l s 虮l i n e m ) 是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产 物，是当今计算机辅助测试( c 仰领域的一项重要技术。虚拟仪器利用加在计算 机上的一组软件与仪器模块相连接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图 形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器打破了传统仪器 功能为厂家定义，用户无法修改的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建 自己的自动测试系统。 电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器 ( v i m l a li n g m 瑚锄t ) 。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模 块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪 器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器 领域中发展方兴未艾的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和 潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估 量的影响。虚拟技术、计算机技术与网络技术被称为2 l 世纪科学技术中的三大 核心技术。 1 4 2l a b v i e w 简介 n i 公司的l a b v i e w 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达 西北工业大学硕士论文绪论 而设计的图形化编程软件5 卅。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的 硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将l a b v i e w 与一般的数据采集以及仪 器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不像传统 的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。 l a b v i e w 提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即 可构成程序。它的基本程序单位是。l a b v i e w 通过图形编程的方法，建立一 系列的v i ，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一个v i 完 成；对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变 成一系列的子任务。设计时，先设计各种v i 以完成每项子任务，然后把这些v i 组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括众多功能 子虚拟仪器的集合。 使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关心程 序流程方面的问题，还必须考虑用户界面、e 据同步、数据表达等复杂的问题， 这些问题在l a b v i e w 中都迎刃而解了。l a b v i e w 还带有多种基本的v i 库。其 中包括采用( 谬i b ，v i s a ，( i 和串行接口的仪器的驱动程序。l a b v i e w 还拥有 功能超强且庞大的分析函数库，其涵盖了统计、估计、回归分析、线性代数、信 号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。因此，基于l a b v i e w 的防 滑刹车测试系统具有开发周期短，可扩展性强，操作简单，界面友好，使用灵活 等特点。 目前，l a b v i e w 在道路车辆、航空航天、生物医学、工业控制、电子电信、 能源水利等各方面都有广泛的应用。 1 5 论文的主要工作 ( 1 ) 介绍了项目研究的背景和意义，分析了测试系统的发展历史和发展趋势， 并重点介绍了虚拟仪器技术及l a b v i e w 软件。 ( 2 ) 介绍了飞机防滑刹车系统的结构和工作原理，明确了防滑刹车控制器的基 i 本参量和其控制架构。 ( 3 ) 根据防滑刹车控制器测试系统的功能要求，确定了系统总体方案，设计了 系统硬件，并对各部分电路的原理和功能进行详细的分析和介绍。 西北工业大学硕士论文 ( 4 ) 介绍了控制器测试系统的软件设计思想，给出了总体框图和部分关键流程 图。下位机采用c 语言和汇编混合编程，上位机采用l a b v i e w 语言，实现飞机 防滑刹车控制器测试系统的各项功能。 ( 5 ) 对控制器测试系统软硬件的设计进行了总结，并为将来的进一步升级提出 了建议。 西北工业大学硕上论文飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 第二章飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 本章主要介绍了飞机防滑刹车控制系统的结构、原理以及功能，根据测试系 统的功能要求，确定了测试系统的总体方案，并阐述了测试系统的硬件结构和软 件设计思想。 2 1 防滑刹车控制系统的结构原理及其功能 2 1 1 防滑刹车控制系统结构 飞机防滑刹车控制系统主要有两大功斛1 2 】：飞机着陆时的刹车控制和防滑 控制，所以，防滑刹车系统由机轮刹车调节系统和防滑控制系统两部分组成。 对于数字防滑刹车控制控制系统来讲，防滑刹车系统的防滑和刹车很难严格 划分开来，具体主要包括刹车阀、刹车控制盒、电液伺服阀、刹车装置、机轮、 机轮速度传感器，图2 1 给出了某型飞机的防滑刹车系统原理结构框图。下面对 系统中各部件做简要的介绍： 图2 1飞机防滑刹车系统的结构框 ( 1 ) 刹车阀 刹车阀又称为刹车减压阀，它有进油口、回油口和刹车口三个进出口。进油 口接飞机主液压系统的油源，回油口接回油管路，刹车口输出刹车油源。刹车阀 的主要构成部件有阀芯、阀套、壳体和弹簧四个部分。刹车阀受飞行员的直接控 制，飞行员脚踩刹车时能将飞机主液压系统提供给刹车系统的油源压力降低一定 值，输出一个稳定的最大刹车压力，从而限制了输送给刹车装置的最大刹车压力， 也就限制了刹车系统的最大刹车力矩。最大刹车压力由飞行员来控制，它与飞行 6 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 员的脚蹬力成正比，减压弹簧使飞行员对刹车压力产生一定的位移感，飞行员对 刹车操纵的掌握更加灵活方便。对防滑控制系统来说，飞机着陆时允许飞行员将 刹车阀一脚踩到底，输出最大刹车压力，而由防滑控制器来调节最终输送给刹车 装置的刹车压力。 ( 2 ) 机轮速度传感器 机轮速度传感器是检测机轮速度的装置，采用电磁感应技术，主要有传感头 和传感器齿圈组成。当机轮转动时，固定在轮毂或者轮轴里齿圈也跟着转动，齿 圈上的轮齿不时接近、离开传感头的磁极，使得传感头中电磁感应线圈的磁场发 生周期性的变化，于是在线圈中感应出接近正弦波的电信号。此信号与机轮的转 速成正比，并以此代表机轮速度传送给防滑控制器。机轮速度传感器产生峰一峰 值为o 6 v 、频率为o 2 6 0 0 h z 近似正弦信号。 ( 3 ) 刹车指令传感器 刹车指令传感器的输出是一个可变的直流电压信号，幅值与驾驶员踩脚蹬的 位移和操纵力成正比。 ( 4 ) 防滑刹车控制器 防滑刹车控制器是整个刹车系统的核心控制部件，它接收指令传感器的刹车 信号和机轮速度传感器的速度信号，以此为依据产生相应的控制电信号，操纵伺 服阀去调节刹车盘刹车压力。 ( 5 ) 电液伺服阀 电液伺服阀主要由力矩马达、喷嘴挡板阀和滑阀放大器组成，将控制盒输出 的防滑刹车电流转换为刹车压力，两者是一种正比例关系，即控制盒输出的刹车 电流越大，那么输出的刹车压力也越大；输出的刹车电流越小，输出的刹车压力 也越小；如果没有刹车电流输出时，电液伺服阀输出的刹车压力为零。因此我们 又把电液伺服阀称为卸压阀。它的应用可以提高刹车系统对刹车压力的控制能力 和各种不同跑道表面状态的自适应能力，使刹车系统保持较高的刹车效率。 ( 6 ) 刹车装置 刹车装置位于机轮轮毂内，飞机着陆时其动盘由轮毂带动并随机轮一起转 动，静盘通过刹车壳体与轮轴相连，不随机轮转动，多片动盘与静盘相互交错装 配以增大摩擦面，当刹车压力输送到刹车装置的汽缸座时，汽缸座活塞移动，传 7 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 力至承压盘，由于承压盘将力均匀地作用到动静盘上，使动盘和静盘相互挤压， 由于动盘和静盘之间存在相对运动，因此可以产生很大的摩擦力矩即刹车力矩， 使机轮制动。由此可见，刹车装置的主要功能就是把输送来的刹车压力转换成刹 车力矩。动盘和静盘上装有特制的摩擦材料，以最大限度的增大摩擦系数。 ( 7 ) 开关量信号 飞机防滑刹车控制器的开关量输入主要包括静刹开关、轮载开关、起落架收 上刹车开关、故障检测开关。防滑刹车控制器通过检测开关量的状态，实施各种 刹车功能。 2 1 2 防滑刹车控制器工作原理 飞机着陆时，机轮将承受刹车压力产生的刹车力矩和地面对飞机机轮的结合 力矩作用。当刹车力矩大于结合力矩时，机轮便会打滑，刹车机轮的速度降低， 防滑刹车系统需解除打滑；当机轮打滑解除后，防滑刹车系统又会使刹车压力按 一定规律上升，重新寻找与地面结合力矩相适应的刹车力矩。 防滑刹车系统正常工作时，飞行员可以脚踩刹车到底，刹车阀产生最大的刹 车压力，防滑刹车控制器通过速度传感器检测当前的机轮速度，并根据此时的落 地开关、检测开关等状态和机轮速度，实施防滑操作，向伺服阀输出一定的防滑 电流。通过伺服阀的调压作用，在通过连接管路给刹车装置施加一定的刹车压力， 对机轮刹车。伺服阀输出的压力是刹车阀给它的压力和刹车控制盒的防滑信号的 要求输出压力的叠加。 2 1 3 防滑刹车控制器的功能要求 ( 1 ) 正常刹车 当接通轮载开关，刹车信号为( 4 1 7 ) v 时，对应刹车电流为( o 7 5 ) i l 徂。如果无防滑电流，防滑刹车控制器应根据刹车压力输出相应的刹车电流； 如果有防滑电流，控制器应综合防滑信号后再输出给电液伺服阀电流。 ( 2 ) 有效防滑 防滑系统主要有两大功能：一是防止机轮锁死，使机轮打滑，导致方向失控， 拖胎抱死，造成轮胎严重磨损甚至爆胎；二是充分利用地面结合系数，提高飞机 8 西北工业大学硕士论文 飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 的刹车效率，缩短着陆距离。在飞机着陆滑跑过程中，机轮速传感器时刻检测机 轮速度，并将速度信号送入控制器，控制器根据速度信号的变化趋势，判断机轮 是否产生或接近打滑。如果产生或接近打滑，控制器将控制液压阀进行适当松刹， 及时释放刹车压力，避免因刹车压力过大而刹死机轮，造成轮胎爆破，保障飞机 着陆安全。 ( 3 ) 故障检测 防滑刹车系统要求具有完备的故障检测与显示功能，实时检测系统的各种工 作状态，并进行故障报警，供维修人员检测具体的故障部位。故障检测功能不用 操作任何开关，要求在防滑刹车的任一时刻均能实时检测。 “) 静刹功能 飞机在起飞线上准备起飞时，控制盒接收静刹车开关信号，强制刹车，使飞 机处于静止状态，等到发动机推力已经上升到某一值时，再解除刹车，其目的就 是缩短起飞距离。静刹开关接通时，控制器向伺服阀输出静态电流( 2 0 2 2 ) m a 。 ( 5 ) 起落架收上刹车 飞机刚起飞后，在起落架收起的过程中，接收起落架收起信号，输出刹车电 流，实施刹车，使机轮停止转动，以便于将起落架收回机身内部。在起落架收上 刹车时控制器向伺服阀输出静态电流( 2 3 ) n a ( 6 ) 完善的保护功能 1 接地保护 由于飞机着陆时前机轮是静止不动的，接地开关处于常开状态，待主轮落地 后，该开关闭合，延时1 5 s 刹车系统进入防滑刹车工作状态。 低速探测 由于防滑刹车系统在工作的后期变得不灵敏，不能对机轮的打滑予以解除， 造成机轮严重拖胎，因此，控制器应在机轮速度达到设置的失效速度( 2 2 公里， 小时) 时，强制防滑刹车系统停止工作。 i i i 轮问保护 由于刹车机轮的载荷分配不均、刹车盘摩擦材料的摩擦系数不可能完全一致 及其他一些客观存在的不对称因素，使飞机产生偏离航向的侧转运动，所以将高 速轮的参考速度乘8 5 作为低速轮的参考速度，使低速轮快速解除打滑，避免 9 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 飞机发生偏航。 开关失效保护 如果起落架着地时，接地开关失效，那么飞机有可能刹不了车，所以系统应 有应对这种特殊情况的措施。当任意三组机轮参考速度大于5 0 k r n m ，就认为飞 机已经着陆，而不再考虑接地开关的状态如何，直接进行防滑刹车。 2 2 防滑刹车控制器测试系统方案设计 2 2 1 防滑刹车控制器测试系统的功能要求 为了保证防滑刹车控制器在飞机刹车过程中正常工作，有必要在飞机起飞前 或地勤检修时对其进行测试。由上述飞机防滑刹车控制器的工作原理可以看出， 要完成控制器的测试工作，测试系统应具备以下功能： 1 模拟功能 ( 1 ) 模拟防滑刹车控制器所需的机轮速度信号、刹车指令传感器信号、压力传 感器信号和温度传感器信号，为防滑刹车控制器提供输入信号。 ( 2 ) 模拟飞机各种刹车状态，即地面静刹车、起落架收上刹车、空中刹车和正 常刹车的状态。地面静刹车状态指轮载开关一直接通以及静刹开关也是接通时刹 车状态；起落架收上刹车状态指轮载开关由接通至断开以及起落架收上开关由断 开至接通时刹车状态；空中刹车状态指轮载开关一直断开时刹车状态；正常刹车 状态指轮载开关由断开至接通时刹车状态。 ( 3 ) 模拟飞机防滑刹车系统附件的故障状态。包括机轮速度传感器器开短路状 态、刹车指令传感器开短路状态和电液伺服阀开短路状态。 ( 4 ) 模拟测试防滑刹车控制器的轮间保护和低速检测功能。 2 监测及显示功能 上位机用户界面可以直观地显示模拟机轮速度信号的频率，刹车指令传感器 、压力传感器、温度传感器的电压值和各种模拟的开关量状态。下位机采集阀门 电压信号，并通过串口传给上位机以图形方式显示，以便于操作人员直观的了解 控制器的运行状态，并能实现对防滑刹车控制器测试系统历史试验数据的保存和 回放。 1 0 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 2 2 2 防滑刹车控制器测试系统总体方案 根据防滑刹车控制器的功能要求，要完成其功能检测，测试系统需能够为控 制器提供四路开关量信号、左右刹车指令传感器信号、左右机轮转速信号、温度 传感器信号和压力传感器信号。下面分别对它们进行介绍： 开关量信号：主要包括静刹开关、轮载开关、起落架收上刹车开关、故障检 测开关。故障检测开关接通时，输出+ 5 v 直流信号；静刹开关、轮载开关、起 落架收上刹车开关接通时输出的是+ 2 8 v 的直流信号。 刹车指令传感器信号、温度传感器信号和压力传感器信号：都是直流电压信 号，其值可由上位机设定，经串口传送给8 0 c 1 9 6 k b ，再通过a 转换器a d 5 5 8 转换为模拟信号。 机轮速度模拟信号：包括左机轮速度和右机轮速度。轮速信号是由轮速传感 器产生的正弦信号，其频率与速度呈线性关系，测试系统需为控制器提供类似频 率的正弦信号。 阀门电压：电液伺服阀是电流型元件，主要是检测流过它们的电流大小，在 设计中用一定功率的电阻来模拟，通过采样电阻两端的电压，除以电阻的阻值， 就可以计算出流过该电阻的电流，即流过伺服阀的电流。 测试系统由上位p c 机和下位机组成。在测试开始，上位机进行飞机防滑刹 车的机轮速度信号、刹车指令传感器信号，压力传感器信号，温度传感器信号和 各开关量信号的设定，并通过串口通信传给下位机；下位机接收到指令，进行信 号模拟，并传给控制器；同时，下位机可对私服阀电压信号进行采集和预处理， 再经串口通信传给上位p c 机。 上位机以虚拟测试系统思想进行设计，以l a b v i e w 为软件平台，开发控制 器的模拟检测系统，建立良好的人机界面，通过对采集数据、分析和处理，实现 飞机防滑刹车控制器的工作状况检测，并对数据进行保存，调取，打印等操作。 测试系统的总体方案如图2 2 所示。 西北工业大学硕士论文 飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 左轮阀门电压 l = 右轮阀门电压 ：一渊h 飞机 一左渊嚣i 防滑 8 0 c 1 9 6 k b 刹车 。静剥开关l 开关i 一温度嚣茅信号l 控制 嚣 f 。上开关i 拟电广 丢蚓路j一助销斛h 【l开关一 i f 管 图2 - 2测试系统总体方案图 2 2 3 防滑刹车控制器测试系统软件设计 1 软件设计思想 为了优化程序设计，系统的软件采用模块化设计，实现功能细分，一方面可 提高软件的移植性和升级性，另一方面增强软件的易测试性。 本系统软件设计分为单片机软件和计算机软件处理两个部分。其中单片机软 件主要是针对系统硬件特点写的，主要采用c 9 6 语言编程，部分子程序采用汇 编语言编程，软件结构是以主程序为主，通过函数调用和全局变量与子程序进行 参数传递，主要实现数据采集及串行通信两个功能，有单片机处理模块、采样控 制模块、串行通信模块等。而计算机软件部分主要实现串行通讯、数据显示、存 储、回放等功能，有以下几个主要模块：串行通信模块、数据存储模块、数据处 理模块、数据回放模块。 在该系统中用户对界面进行操作，操作指令通过串口传送给单片机，由单片 机完成相应的工作，从而实现对单片机系统的控制。其具体工作流程如下，首先 用户执行复位操作，单片机响应复位命令后，进行程序的各项初始化。调用相应 子程序执行模数转换，所得数字信号由串口发送到计算机。计算机接收到数据后， 首先进行原始数据的预处理，经过处理的数据由l a b v i e w 的实时趋势图控件 ( w a v e f o mc h a n ) 显示出信号曲线。系统软件结构如图2 3 。 西北工业大学硕士论文 飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 图2 - 3系统软件结构图 2 开发工具i a b v i e w 忉 系统测控软件开发初始也尝试了，v c 等基于文本的编程语言的软件， 其程序的执行依赖于文本所描述的指令，而l a b v i e w 使用g 语言图形化编程， 是用数据流编程方法来描述程序的执行，执行顺序是依方块图间数据的传递来决 定的。与之相比，l a b v i e w 更是具有以下优势： 简单的方案即使没有多少编程经验，仍可以很方便的使用l a b v i e w ，因 为它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了大量仪器面板中的 控制对象。 不需预先编译就存在语法检测，便于程序的调试，l a b v i e w 有真正的编 译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行。 提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数库，用户可以 创建3 2 位的编译速度，从而为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行 速度。 利用l a b v i e w 可以在计算机的屏幕上形象地模拟仪器的面板( 如显示器、 开关、按键、旋钮等) 以及相应功能。用户通过鼠标或健盘操作虚拟仪器面板上 的旋钮、开关和按健，进行仪器功能选用，设置工作参数，启动或停上仪器的工 作等。 采用子函数以实现各种功能减少同样功能的重复编写，减少代码，简化了 操作和提高了开发及操作效率。 3 基于l a b v i e w 的测试系统软件结构 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 建立应用程序的结构是进行程序设计的必经之路。基于l a b v i e w 的应用程 序通常采用递进式结构，该结构可以划分为三个层次。第一层称为“主程序层”， 由用户界面和测试执行部分构成；第二层是“测试层”，负责逻辑关系的验证以 及相关决策的制定：最底层叫做“驱动层”，负责与仪器、被测试设备以及其它 应用程序之间的通信。如图2 - 4 所示。 三层递进式结构有较其它结构明显的优势。首先，严格划分各个层次及其功 能。可以实现程序重用性的最大化。对于每一个v i 都对应明确的应用范围，所 以某一具体功能或程序可以在系统的不同地方被重用。其次，采用三层递进式结 构的另一个好处是可以实现程序维护时间的最小化。当应用程序完成后，维护和 修改上作常常是必要的。对于三层递进式结构的各个层次不同，所以可以很轻松 地识别和定位需要修改的v i 。再者，严格分层和三层递进式方法的另一个显著 优点就是实现了应用程序的抽象化。其中的每一层都能够为下一层次提供抽象信 息。例如主程序可以通过用户界面向子程序或测试层提供必要的抽象信息。 图2 4l a b v l e w 软件结构示意图 在前面提到过，我们的系统软件分为上位机部分和下位机部分。在每一个部 分都是采用的三层式的结构，只不过在下位机部分，省略掉了用户界面。 ( _ ) 主程序层 主程序层与用户需求紧密相关，是程序之间交互和控制的有效手段。我们在 编写主程序层时，不但要满足功能需求，而且应当充分考虑到用户的需求。本系 统的功能主要为：为用户提供简单、美观的操作虚拟界面；为完成测试任务，调 用测试层的各个子v i ，管理测试流程；解决程序所出现的错误。 o 测试层 测试层由主程序驱动，并且在编程上测试层的“应当尽量相互独立进而实 现重用性。每个测试层的v l 应当仅仅负责一项测试或整个测试的一部分。所以 1 4 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统方案设计 应当以适当的方式分解整个程序，从而使需要执行的每一项测试能够以独立 的形式编写。 基于上述观点，本系统将测试层划分成以下几个模块：数据处理模块、数据 显示模块、数据存储和回放模块。后面将详细讨论各个模块的实现。 o 驱动层 驱动层是底层仪器通信程序抽象化的结果，它有助于对测试层程序的理解。 驱动层时用户隐藏了模糊的g p i b ，串口或v 命令，能够完成与所使用的仪器 和设备之间的必要通信。 l a b v l e w 仪器驱动库虽然提供了丰富的设备驱动程序，但程序库却只支持 大公司的硬件产品，而这类硬件产品价格昂贵。对实验室里原有的多功能板及自 制的采集卡，【曲v i e w 均不支持。但本系统的采集部分都是自己设计的，因此 我们需要利用l a b v i e w 软件提供的相关v i 进行驱动程序的编写，以实现设备 硬件的驱动。 西北工业大学硕士论文 飞机舫滑刹车控制器测试系统硬件设计 第三章飞机防滑刹车控制器测试系统硬件设计 本章详细介绍了测试系统的核心处理芯片8 0 c 1 9 6 k b ，以及信号模拟和数据 传输等部分电路的设计，并对其中关键器件的选择作了必要的说明。 3 1 下位机的选择 系统选用的8 0 c 1 9 6 k b 微控制驯1 研是m c s 9 6 系列中最早的产品，外部晶振 频率可为1 2 m 或1 6 m h z ，具有6 4 k b 的统一寻址空间和2 8 个中断源，其高 速的运算能力和丰富的内部资源适用于机轮速度的快速检测、计算。 此外，8 0 c 1 9 6 k b 还具有以下几方面优点： ( 1 ) m c u 的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器，消除了一般m c u 结构中存在 的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力； ( 2 ) 2 5 6 字节寄存器中，2 4 字节是专用寄存器，其余2 3 2 字节均为通用寄存器。 其通用寄存器的数量远比一般m c u 的寄存器数量多。这样就有可能为个中断服 务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器现场 和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序设计； ( 3 ) 有一套效率更高、执行速度更快的指令系统。可以对带符号数和不带符号 数进行操作，1 6 位乘1 6 位指令的执行时间为1 4 6 2 5 筇( 对不同型号的芯片) ， 3 2 位除1 6 位指令的执行时间为2 4 6 2 5 s ；还有符号扩展、数据规格化( 用 十浮点计算中) 等指令。此外，3 操作数指令大大提高了指令效率； ( 4 ) 8 0 c 1 9 6 总线控制其可以用程序控制等待时间，这样m c u 可和其他外设 方便联接，总线宽度也可以在8 位或1 6 位之间任意切换； ( 5 ) m c s - 9 6 系列微控制器还集成了更为丰富的外设装置。如： i 8 路8 位或1 0 位逐次比较式，采样和转换时间可选择山d ； i i 1 6 位的看门狗，5 个8 位i o 口2 个定时器，1 个实现异步，同步及多址 的串行通信接口； i i i 高速输入输出器( h s l 0 ) 或事件处理器阵列( e p a ) ，用于记载引脚上 1 6 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统硬件设计 输入事件( 信号电平的跳变) 的发生是可和按预定时间执行操作。 3 2c p u 硬件电路 8 0 c 1 9 6 k b 有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，即数据地址空间与程序地 址空间是混用的，可寻址空间为6 4 i ( b 。为了设计方便，系统采用了8 位标准系 统总线控制方式。8 0 c 1 9 6 k bp o 口作8 路a d 通道使用，p l 及p 2 的部分i o 口作为数字量的输入输出口，p 3 与p 4 作地址数据线使用。本测试系统最小系 统用到的数字器件有锁存器，数据存储器和程序存储器，如图3 1 所示。 ( 1 ) 锁存器 8 0 c 1 9 6 k b 的p 3 口用作数据地址复用总线，其先传送地址码的低8 位，而 后再传送8 位的数据码。为了将地址线和数据线分离开来，用了5 4 h c 5 7 3 锁存 器，其作用是锁存p 3 口送出的低8 位地址码。这时，a l e 锁存信号为高，地址 码即进入锁存器，而后a l e 锁存信号变低，地址码便被锁存在锁存器的输出端， 与p 4 口送出的高8 位地址码组成完整的1 6 位地址码。之后p 3 口传送指令或数 据代码。， 在用5 4 h c 5 7 3 作地址锁存器时，d c 接地，c 接单片机的a l e 信号，5 4 h c 5 7 3 的数据输入端d 0 d 7 接p 3 口，5 4 h c 5 7 3 的数据输出端q 1 q 8 接存储器的地 址线a o a 7 。这样，当a l e 高电平时5 4 h c 5 7 3 自通，使p 3 口输出的低8 位地 址和p 4 口输出的高位地址同时到达外部程序存贮器的地址线；而当a l e 降为低 电平时，p 3 口低8 位地址被5 4 h c 5 7 3 锁存保持，使外部程序存贮器的低8 位地 址信息维持不变，p 3 口读到可靠的信息。 ( 2 ) 程序存储器 8 0 c 1 9 6 k b 不带程序存储器，所以要加外部程序存储器。为了满足以后软件 升级的需要，我们采用大容量的存储器2 7 c 2 5 6 ，它是3 2 k 8 位的紫外线擦除、 电可编程只读存储器，单+ 5 v 供电。 在接线时，使c e 片选端接a d l 5 ，即当a d l 5 为o 时选中芯片，2 7 c 2 5 6 的存 储空问为o o o o h 7 f f f h ，正好3 2 k b y t e 。 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统硬件设计 i藏 i ；i l i 蓑 l u。2l =：1 j 睡裁! 知霉耩 盎“i w 亦1 ，w w r l 广 蛰h - 9 日! z ： 鬈 d ” 一 罡末 蕃辅蛙 叠 号焉 土 l ”。 = 麦一 蓁 一硫k 番嚣 鱼霉 j 高。，料 p 平 篮 生旷景4 置 g l l 图3 一lc p u 硬件电路图 ( 3 ) 数据存储器 在程序运行中，有大量的临时数据要暂存在存储器中，将其存入单片机内显 然是不合理的，因此选用3 2 k 的c y 7 c 1 1 9 9 作为数据存储器。 c y 7 c l l 9 9 是3 2 k 8 静态r a m 芯片，采用c m o s 制作，双列自插式2 8 引脚封装，a 1 4 a o 为1 5 位地址线，其寻址范围为3 2 k 。 片选端接c s ，当c s 为o 时选通芯片，存储数据空间为8 0 0 0 h f f f f h ， 大小3 2 k 。 ( 4 ) ( 认l 当芯片所需的片选信号较多时，我们可以选择g a l 芯片。g a l ( g e l l e r i c 枷 l o g 是8 0 年代初美国l a 砸c c 公司推出的通用逻辑阵列，是一种新型的p l d 器 件，采用e 2 c m o s 工艺和灵活的输出结构，有电擦写反复编程的特性，比p a l 使用更灵活，所以得到了广泛应用。它是实现数字系统设计的理想器件。在数字 系统中，可用g a l 代替标准的5 4 7 4 系列的r r l 器件，它具有许多优点： 减小系统体积：单片p l d 有很高的密度，可容纳中小规模集成电路的几 片到十几片； 增强逻辑设计的灵活性：使用p l d 器件设计的系统，可以不受标准系列 器件在逻辑功能上的限制； 缩短设计周期：由于可编程特性，用p l d 设计一个系统所需时间比传统 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统硬件设计 方式大为缩短； 提高系统处理速度：用p l d 与或两级结构实现任何逻辑功能，比用中小 规模器件所需的逻辑级数少。这不仅简化了系统设计，而且减少了级间延迟，提 高了系统的处理速度； 降低系统成本：由于p l d 集成度高，测试与装配的量大大减少，避免了 改变逻辑带来的重新设计和修改，有效地降低了成本； 提高系统的可靠性：用p l d 器件设计的系统减少了芯片数量和印制板面 积，减少相互间的连线，增加了平均寿命，提高抗干扰能力，从而增加了系统的 可靠性； 总之，g a l 器件是一种理想的p l d 器件，它可以取代大部分中小规模数字 集成电路和p a l 器件其价格便宜，开发工具简单，是实现数字系统设计的优 选元件。特别是在测控系统研制中，g a l 器件起着其它p l d 器件无法比拟的重 要作用。 矾o ，l k 矾11 0 0 矾21 0 1 n 31 0 2 n 4 1 0 3 酣51 04 n 6i o5 7i o6 矾8 i o7 烈9 ，d e 吲u 图3 - 2 g a l 接口电路图 本系统中数字逻辑部分采用g a l l 6 v 8 b 来完成，接口电路如图3 2 。编程软 件采用s y n a r i o 软件平台，这类软件的特点是待实现的逻辑电路由设计者根据软 件平台规定的图形输入文件或可编程逻辑设计语言编写的语言输入文件进行描 述，然后软件平台对设计者的电路描述进行转换，分析，简化，自动进行错误定 位等。 3 3 机轮速度信号模拟 飞机防滑刹车测试系统利用正弦信号来模拟机轮速度传感器产生的信号，核 1 9 西北工业大学硕士论文飞机舫滑刹车控制器测试系统硬件设计 心电路是采用美国马克西姆公司开发的新一代函数信号发生器i c m a x 0 3 8 1 2 2 剀。 系统通过单片机和d ，a 转换器输出肚1 0 v 电压，经过v 九转换，控制m a x 0 3 8 ，埘引脚的电流，从而控制输出波形的频率。输出波形具有频率范围宽、稳定度 高、失真小等优点。测试系统可为控制器提供两路模拟机轮速度信号，电路原理 框图如图3 3 所示，下面将详细地分析其内部电路。 8 0 c 1 9 6 k b 形 出 图3 3 机轮速度模拟信号产生电路原理框图 ( 1 ) d a 转换器一a d 5 5 8 d ，a 转换器件a d 5 5 8 是一个并行8 位数模转换器，内部包括输出滤波器， 完善的微处理器接口和高精度电压参考源，不需要外接器件或微调部件。其具有 以下特点： 8 位1 2 l 输入寄存器，具备微处理器相兼容的控制逻辑，使a d 5 5 8 可直 接与8 位或1 6 位数据总线相连； 单片激光微调薄膜电阻能对a d 5 5 8 的绝对精度和线性度进行校准； 内部配备精密低电压能带隙参考源，无需外接独立参考源： 电压开关结构连同高速输出滤波器和激光微调电阻使得用户可选择o + 2 5 6 v 或o + 1 0 v 输出电压。在两个范围内，电路能在最短过渡时间内得到 内部补偿，是在8 0 0 i i s 时间内，对全刻度2 5 5 v 电压典型值补偿值l 2 l s b ； a d 5 5 8 采用单电压供电，供电电压范围为+ 4 5 v + 1 6 5 v 。 西北工业大学硕士论文飞机防滑刹车控制器测试系统硬件设计 图3 - 4a d 5 5 8 内部结构图 a d 5 5 8 的配置让用户使用非常方便，内置参考，输出放