大型客机起落架系统机上地面试验接口测试设备系统设计及研究
摘要：文章源于实际项目，为了加快推动起落架设备的故障诊断和分析，研发一款适用于大型客机的起落架系统机上地面试验接口测试设备具有很强的现实意义。文章提出可行的技术方案，通过信号隔离、提取、模拟，实现起落架机上地面检测实验。采用 DDS 原理，降低设备成本和功耗的同时，提高其高分辨率和缩短转换时间。软件部分采用可图标视化友好界面，方便检测工人使用，并根据需要可添加附加的功能。
关键词：起落架控制；DDS；检测；信号模拟；信号隔离.
0 引言
目前，美国波音和欧洲空客公司的一系列机型代表了大型民用客机的发展趋势。虽然两个公司的设计理念和技术侧重有所不同，但在起落架的设计上却采用相同的技术。众所周知, 起落架的正常是支撑飞机安全运营最重要的条件之一。波音的 787 及空客的 A380 起落架都采用小车式多轮起落，但仍没有统一的起落架系统在环检测设备。随着国产大型客机 C919 的问世，对我国自主起落架检测设备的诉求日益高涨。因而，研制一款大型客机起落架测试设备，使其能够实现全自动测试，将极大提高我国 C919 飞机起落架系统机上地面试验效率，最大限度地减小试验人员出错的概率，有效降低了对试验人员的技术要求，减轻了试验人员的工作任务，对我国尽快实现大飞机翱翔蓝天的“大国崛起”之梦将起推动作用。
1 测试设备的总体设计及其功能
大型客机总控制系统复杂，由总线 ARINC429 输出信号控制起落架控制盒，经该控制盒给出命令来驱动起落架的动作。在大型客机中，不允许任何外接设备对飞机总线输入信号，因此，测试设备必须具备信号隔离功能。本方案采用三通隔离方式形成两路在环控制模式，即飞机总线通过测试设备与起落架控制盒形成在环，测试设备与起落架控制盒形成在环，而测试设备与飞机总线为隔断状态。
测试设备可如下图 1 所示。
测试设备用于采集、记录和部分模拟起落架控制系统试验过程中与起落架控制系统相关的各种总线信号、传感器信号、控制命令输入和输出、LGCU 的输出激励信号、LGCU 的供电信号以及发送给其他系统的传感器信号。测试设备可实现起落架机上地面试验、OATP 和起落架铁鸟试验的前期调试、试验支持和过程排故,并实现故障数据库 2 测试设备技术原理测试设备是独立的，为便于携带，采用分体机箱配合专用高性能笔记本计算机的结构，有良好的人机交互界面，能够实现可配置的全自动测试，支持测试数据的实时显示和记录，支持测试记录查询；试验时，测试设备需采集被测设备的信号、电源状态，能够模拟被测设备的 ARINC429 输入总线信号和输入传感器信号，能够通过控制策略实现被测设备、飞机其他系统和测试设备信号模拟子系统的连接切换，能够控制被测设备电源的通断时间，并能检测、判断被测设备的工作状态，实现自动测试和故障定位功能。测试设备的原理框图如下图2 所示。
ATE Enclosure Box 作为测试设备的核心硬件部分，实现对被测设备的信号隔离和电源转接，控制被测设备总线输入信号和传感器输入信号与飞机其他系统、测试设备信号模拟子系统的连接，采集起落架控制系统的输入、输出信号和电源状态，并将采集到的信息通过网口送到 ATE Laptop 进行再处理。为提高测试设备的抗震能力，系统选用 CPCI 背 板作为各功能板卡的连接背板。
ATE Laptop 作为测试设备的数据处理中心，为试验人员提供易于交互的人机界面，控制 ATE Enclosure Box 执行试验项目，接收、记录 ATE Enclosure Box 采集的试验数据，并可根据试验人员指令选择部分信号的实时可视化显示。系统支持试验项目定制和全自动测试，并能根据预设判据来判定起落架控制系统的工作状态，支持试验结果的记录、查询。
3 信号模拟子系统设计
模拟量输入板卡输出 18 路差分 17.66 mA ±0.2 Ma/1035Hz ±10 Hz 信号，4 路差分 50 A 信号，用于模拟和起落架控制系统交联的模拟量输入信号。模拟量输入板卡以 FPGA 为核心控制器，采用 DDS 技术实现 4 路任意波形输出，并经过高精度 sensor 电阻转换为所需的电流信号，并可通过 CPCI 总线与CPU 板卡进行数据交互，由CPU板卡配置模拟量输入板卡输出的模拟量信号的波形、频率。
DDS 是利用采样定理，根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在 EPROM 中构成一个正弦查询表，通过查表法产生波形。它是由参考时钟、相位累加器、正弦查询表和 D/A 转换器组成，如下图 3 所示。 模拟量输入板卡基于 DDS 的基本原理，将波形采样点的值依次通过数模转换器（MDAC）转换成模拟量输出。其基本环节由计数器（Counter）、只读存储器（EPROM）、数模转换器（MDAC）和滤波器等组成（同 DDS 原理）。具体方案如下：累加器由加法器和 D 触发器级联组成。在时钟脉冲 fc 的控制下，对输入频率控制字 K 进行累加，累加满量时产生溢出。相位累加器的输出对应于该合成周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在 0 ～ 2 范围内起变化。相位累加器位数为N，最大输出为 2n-1；对应于 2 的相位，累加一次就输出一个相 应的相位码，通过查表得到正弦信号的幅度，然后经D/A转换及低通滤波器滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。
模拟量采集板卡采集被测设备的 30 路模拟量信号。模拟量采集板卡以 FPGA 为核心控制器，带有 16 个 16 位 A/D转换器，保证了模拟量信号的采样精度，设计使用通用 CPCI总线接口与外部进行数据交互，并兼容 3.3V 和传统 5V 信号系统。
测试设备提供接插接面板，在设计时使用防插错设计，保证每个接插件的键位独立。接插件设计在机箱后面板，校验点和电源开关都放在机柜前面板上。
4 软件设计
测试设备在上电后完成系统自身资源的自检，检查完成并且正常时，进入测试状态，等待试验人员通过软件测试平台下发测试命令。而对于不同的测试命令，测试系统根据通信协议，完成对命令的解析与判断，并调用对应的资源对被测模块进行测试。
根据需要，软件部分还可加入不同功能模块，提供权限管理，起落架控制系统信号分项测试和故障定位，起落架控制系统故障模拟，故障数据库，周期校验等功能。
5 结语
大型客机起落架的故障检测与诊断是一项大而复杂的工程，且目前国内还未能提出建设性强的方案。本设计源于与上海商用飞机研究设计院合作项目，设计方案可行性强，已得到设计院认可。但因大型飞机起落架检测设备建设周期长，实地测试难，实验测试及优化仍需一定时日。但此方案先在理论上提出解决方案，后期可先利用半实物仿真实验进一步印证。
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