王昊

【摘 要】飛機(jī)輪胎是飛機(jī)的重要組成部分，其可靠性和安全性將直接關(guān)系到乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，本文提出了一種飛機(jī)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Aircraft Tire Pressure Monitoring System，ATPMS），采用高集成度的SP37芯片用于飛機(jī)輪胎壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與發(fā)送，采用MAX1473進(jìn)行無線信號(hào)的接收，采用MSP430芯片實(shí)現(xiàn)輪胎壓力數(shù)據(jù)的解析和對(duì)該系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示各個(gè)輪胎的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警。本文重點(diǎn)介紹了ATPMS系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；SP37；MAX1473；MSP430

0 引言

飛機(jī)輪胎是飛機(jī)的重要組成部分，其主要作用是支撐飛機(jī)重量，緩沖飛機(jī)結(jié)構(gòu)著陸過程中受到的沖擊并幫助吸收沖擊能量，在剎車時(shí)提供足夠的摩擦力以便飛機(jī)在著陸后及時(shí)停住等，所以飛機(jī)輪胎的可靠性和安全性將直接關(guān)系到乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

飛機(jī)輪胎常見的故障有輪胎磨損故障和輪胎爆胎故障[1]。輪胎磨損的主要原因是輪胎壓力不當(dāng)，包括輪胎壓力過大、過小和各輪胎壓力差較大。當(dāng)輪胎壓力過大時(shí)，輪冠部位受力偏大先磨損；當(dāng)輪胎壓力過小時(shí)，輪冠凹陷，造成輪肩及其鄰近部位先磨損；對(duì)于成對(duì)的輪子，如果兩個(gè)輪胎壓力相差過大，既會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)輪胎磨損不同步，還會(huì)導(dǎo)致輪胎的偏磨。飛機(jī)輪胎的壓力除了受到自身充氣過程影響外，還與所處環(huán)境的溫度和飛機(jī)的重量有關(guān)：所處環(huán)境的溫度越高，輪胎壓力越大；飛機(jī)的重量越大，輪胎壓力越大。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)輪胎的壓力具有重要的意義。

目前， ATPMS系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)外先進(jìn)的民用和軍用飛機(jī)中得到普遍采用，如空客公司、波音公司和達(dá)索公司的諸多機(jī)型中，包括最新的A380飛機(jī)也裝配了ATPMS系統(tǒng)。另外，國(guó)外部分公司也開展了此方面的研究，如FINNISH公司、Crane aerospace & electronics公司、Melexis公司等也開發(fā)了ATPMS系統(tǒng)[2]。

本文提出了一種ATPMS系統(tǒng)的方案，該系統(tǒng)：（1）將壓力傳感器置入飛機(jī)輪胎直接測(cè)量飛機(jī)輪胎的壓力；（2）無線傳輸輪胎壓力數(shù)據(jù)；（3）建立輪胎壓力的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)輪胎壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和傳輸；（4）設(shè)立閾值對(duì)不在正常范圍內(nèi)的輪胎壓力報(bào)警。本文重點(diǎn)介紹了該ATPMS系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)和軟件通訊協(xié)議設(shè)計(jì)。

1 ATPMS系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ATPMS系統(tǒng)采用無線的方式傳輸監(jiān)測(cè)的飛機(jī)輪胎壓力數(shù)據(jù)，因此ATPMS系統(tǒng)可以分成采集發(fā)射模塊和接收處理模塊。其中，采集發(fā)射模塊包含了飛機(jī)輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊和無線射頻發(fā)射模塊，接收處理模塊包含了無線射頻接收模塊、系統(tǒng)主機(jī)模塊和駕駛艙顯示模塊，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總架構(gòu)圖

飛機(jī)輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)輪胎壓力，飛機(jī)輪胎壓力監(jiān)測(cè)主要有：（1）基于輪速傳感器的間接監(jiān)測(cè)方案和；（2）基于壓力傳感器直接監(jiān)測(cè)的方案兩種。間接監(jiān)測(cè)方案的缺點(diǎn)在于其輪胎壓力的監(jiān)測(cè)必須伴隨著輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，且無法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況情況進(jìn)行判斷，因此本文選用基于壓力傳感器直接監(jiān)測(cè)飛機(jī)輪胎壓力。無線射頻發(fā)射模塊和無線射頻接收模塊主要用于胎壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線傳輸；系統(tǒng)主機(jī)模塊連接飛機(jī)的數(shù)據(jù)總線和無線射頻接收模塊，用于飛機(jī)胎壓監(jiān)測(cè)無線網(wǎng)絡(luò)的控制和飛機(jī)胎壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的解析處理；駕駛艙顯示模塊安裝在駕駛艙內(nèi)部，用于與機(jī)組人員進(jìn)行交互。其工作流程為：系統(tǒng)通過安裝在每個(gè)飛機(jī)輪胎上的壓力傳感器連續(xù)實(shí)時(shí)地測(cè)量每個(gè)飛機(jī)輪胎的壓力數(shù)據(jù)，然后以無線方式傳輸至信號(hào)接收器，然后直接顯示在顯示器上供駕駛員查看。如果出現(xiàn)飛機(jī)輪胎壓力數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)將自動(dòng)警報(bào)從而提醒飛機(jī)駕駛員。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

由于ATPMS系統(tǒng)的采集發(fā)射模塊是直接安裝在飛機(jī)輪胎上，且由電池供電，因此決定了采集發(fā)射模塊必須滿足功耗低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、體積小和無線傳輸性能強(qiáng)等要求。Infineon公司開發(fā)的SP37憑借其將壓力傳感器、MCU和RF射頻發(fā)射器集成的特點(diǎn)，正好滿足上述的要求。SP37的MCU采用了8051內(nèi)核；其RF射頻的中心頻率有315MHz和434MHz兩種；RF發(fā)射的最大功率為8dBm；該芯片的最低工作電壓為1.9 V；系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變?nèi)缦到y(tǒng)的定期喚醒、低頻接收喚醒等都可以由軟件控制來實(shí)現(xiàn)，可以通過編寫軟件使系統(tǒng)在 ASK/FSK 兩種調(diào)制方式間自由切換。SP37搭配阻抗匹配電路和小型微帶天線用于發(fā)送射頻信號(hào)。

2.2 接收處理模塊設(shè)計(jì)

接收處理模塊包含了無線射頻接收模塊、系統(tǒng)主機(jī)模塊和駕駛艙顯示模塊。選擇Maxim公司的MAX1473芯片作為無線射頻接收模塊的射頻芯片。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頻率范圍的幅度鍵控（ASK）數(shù)據(jù)信號(hào)。MAX1473外圍電路主要包括LNA調(diào)諧電路、輸入匹配電路和振蕩電路三部分[3-4]。主機(jī)控制模塊中的MCU選用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位混合信號(hào)處理器，其通常工作在8MHz時(shí)鐘頻率，且具有多種低功耗模式可供選擇。在本系統(tǒng)中，其主要功能是對(duì)MAX1473接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理和壓力值實(shí)時(shí)刷新顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)輪胎壓力的監(jiān)測(cè)、發(fā)送與接收，數(shù)據(jù)的處理、和系統(tǒng)的報(bào)警提示。ATPMS系統(tǒng)軟件也可分為采集發(fā)射模塊程序和接收處理模塊程序兩部分。

3.1 采集發(fā)射模塊軟件的設(shè)計(jì)

采集發(fā)射模塊的主要任務(wù)是對(duì)飛機(jī)輪胎壓力的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。采集發(fā)射模塊為電池供電，為了需要降低系統(tǒng)功耗，采集發(fā)射模塊軟件需要控制采集發(fā)射模塊在休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)下不停切換。另外，飛機(jī)輪胎都裝有采集發(fā)射模塊，若同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻信號(hào)之間相互干擾，導(dǎo)致接收處理模塊無法獲得全部的輪胎壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。為了解決上述的問題，采集發(fā)射模塊軟件采用延時(shí)發(fā)送的方法，即系統(tǒng)在發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)前增加一段固定延時(shí)，錯(cuò)開發(fā)送時(shí)間以減小了數(shù)據(jù)沖突的概率。采集發(fā)射模塊的軟件流程如圖2所示。

3.2 接收處理模塊軟件設(shè)計(jì)

接收處理模塊的軟件的主要作用是對(duì)接收到的無線數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)顯示接收到的飛機(jī)輪胎壓力數(shù)據(jù)，如果飛機(jī)輪胎壓力數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)將定位壓力數(shù)據(jù)異常的輪胎并警報(bào)。接收處理部分的軟件流程如圖3所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種ATPMS系統(tǒng)，主要進(jìn)行了ATPMS系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。采用高集成度的SP37芯片實(shí)現(xiàn)飛機(jī)輪胎壓力的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的發(fā)送；接收處理模塊采用MAX1473芯片與MSP430微控制器分別用于信號(hào)的接收與解析。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)輪胎壓力數(shù)據(jù)，保障飛機(jī)的安全，同時(shí)也能減小輪胎維護(hù)的工作量。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]王躍飛，侯亮，劉菲，等.基于FPGA的汽車CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27（8）：721-728.

[4]陳良琳.基于TDA5210的868MHz無線接收模塊設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011， 19（5）：162-164.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]