肖志堅(jiān)

(中國民用航空飛行學(xué)院模擬機(jī)訓(xùn)練中心，四川 廣漢 618307)

0 引言

指示器是飛行員的眼睛，在氣象情況復(fù)雜時(shí)尤為重要。目前，飛行模擬機(jī)指示器大都為飛機(jī)真表，價(jià)格昂貴［1-2］。國內(nèi)對單指針航空指示器的研究尚少，且雙指針指示器的技術(shù)難點(diǎn)多［3］。為此，模擬機(jī)雙指針仿真指示器研究項(xiàng)目逐漸成型，其目的是研制一種全新的模擬機(jī)雙指針仿真指示器。由于該指示器采用數(shù)字信號(hào)處理器和高性能微型步進(jìn)電機(jī)，其功能與現(xiàn)有全任務(wù)飛行訓(xùn)練模擬機(jī)(full flight simulator，F(xiàn)FS)［4］和固定飛行練習(xí)器(flight training device，F(xiàn)TD)［5］上使用的指針式真飛機(jī)指示器功能相當(dāng)，但價(jià)格低廉、工作穩(wěn)定、安裝簡易。

本文設(shè)計(jì)制作了波音737-NG雙指針仿真襟翼指示器，其功能與現(xiàn)有真飛機(jī)雙指針指示器系統(tǒng)功能一致。雙指針仿真襟翼指示器的成功研制，可為國內(nèi)飛行員模擬機(jī)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)或國內(nèi)模擬機(jī)生產(chǎn)廠家研制新型飛行模擬機(jī)提供功能完備、價(jià)格低廉的模擬機(jī)雙指針指示器，也可為現(xiàn)有技術(shù)落后的飛行模擬機(jī)或固定飛行練習(xí)器升級改造提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 真飛機(jī)指示器原理

通過對波音737-NG全任務(wù)飛行模擬機(jī)中襟翼飛機(jī)真表的詳細(xì)研究可以發(fā)現(xiàn)，該指示器具有接近360°的指針旋轉(zhuǎn)指示范圍或能力;通過對其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)工作原理的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)該雙指針指示器采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)［6］。波音737-NG全任務(wù)飛行模擬機(jī)中真飛機(jī)襟翼指示器的工作原理圖如圖1所示。

圖1 指示器原理圖Fig.1 Schematic of the indicator

指示器由±15 V提供電源。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出指示器轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)指令后，放大器將信號(hào)放大，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，電機(jī)再帶動(dòng)指示器雙指針偏轉(zhuǎn)。

為滿足模擬機(jī)接口系統(tǒng)的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)的模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器核心采用與傳統(tǒng)雙指針指示器系統(tǒng)模擬電路驅(qū)動(dòng)［7］、補(bǔ)償完全不同的設(shè)計(jì)。指示器采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器dsPIC30F3014來實(shí)現(xiàn)多種模擬機(jī)輸入信號(hào)的采集和處理，經(jīng)過處理器計(jì)算后再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)再帶動(dòng)雙指針指示。該技術(shù)數(shù)字化程度高，具有數(shù)字系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)和工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，外部擴(kuò)展電路的電阻、電容器件較少，系統(tǒng)故障機(jī)率也大大降低。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到指示器機(jī)心作為雙指針執(zhí)行部件或機(jī)構(gòu)，為提高其工作可靠程度、降低制造難度，取消了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu);同時(shí)，該指示器應(yīng)具備快速360°旋轉(zhuǎn)能力和一定的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，所以采用技術(shù)成熟的1024步微型步進(jìn)電機(jī)。飛行模擬機(jī)雙指針仿真指示器工作模塊框圖如圖2所示。

圖2 仿真指示器工作框圖Fig.2 Work block diagram of emulated indicator

在指示器上電后，數(shù)字信號(hào)處理器dsPIC30F3014對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過后，數(shù)字信號(hào)處理器自動(dòng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到指示器表盤零刻度，然后對內(nèi)部位置寄存器清零。當(dāng)模擬機(jī)飛行程序運(yùn)行后，通過接口電路驅(qū)動(dòng)雙指針指示器的模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)高速A/D采集，送入數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)的數(shù)據(jù)單元;數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)部固化程序?qū)凑镇?qū)動(dòng)信號(hào)的種類(兩相正交信號(hào)、雙路模擬信號(hào))選擇合適的處理程序;程序處理計(jì)算得出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該前進(jìn)或后退的步數(shù)，再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指示位置。數(shù)字信號(hào)處理器不斷重復(fù)執(zhí)行上述過程，完成雙指針指示器的實(shí)時(shí)指示。對于新型飛行模擬機(jī)，可以采用RS-232或RS-485或其他串行總線直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器，由處理器進(jìn)行處理。此時(shí)該數(shù)字信號(hào)處理器利用串行總線雙向傳輸?shù)奶匦?，將指示器工作狀態(tài)(特別是指示器工作異?；驁?bào)警信息)反饋給飛行模擬機(jī)工作狀態(tài)檢測程序，從而為模擬機(jī)維護(hù)提供參考信息。該特點(diǎn)在以往的任何類型的國外飛行模擬機(jī)中都尚未采用，且對快速診斷指示器故障很有幫助，更具有新意。

2 指示器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在具體設(shè)計(jì)上，電路設(shè)計(jì)采用Altium Designer 6輔助設(shè)計(jì)［8］，設(shè)計(jì)的電路采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真和調(diào)試運(yùn)行［9］。在元件選擇上，將使用貼片元件，力求電路小型化、標(biāo)準(zhǔn)化。

模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器核心采用的是Microchip公司的 dsPIC30F3014數(shù)字信號(hào)處理器［10］，選用該芯片的44腳TQFP封裝。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用一款專為驅(qū)動(dòng)微型雙路步進(jìn)電機(jī)而設(shè)計(jì)的CMOS集成電路芯片VID6608，該驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)，這就可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)雙指針指示器。dsPIC30F3014的I/O引腳接驅(qū)動(dòng)芯片的頻率控制端輸入脈沖序列F(scx)，并由dsPIC30F3014輸出信號(hào)控制頻率。dsPIC30F3014的I/O引腳輸出信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向;輸出端控制步進(jìn)電機(jī)的輸出軸微步轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)脈沖對應(yīng)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)(1/12)°，最大角速度可達(dá) 600°/s。

3 軟件設(shè)計(jì)

模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器的軟件設(shè)計(jì)主要是對dsPIC30F3014數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行內(nèi)置固件(軟件)設(shè)計(jì)［11］。其軟件工作流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flowchart of software

當(dāng)飛行模擬機(jī)上電工作時(shí)，模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器開始工作。指示器開始上電自檢，系統(tǒng)初始化后指示器雙指針同時(shí)回零。此時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換;對轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行比較，并計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)數(shù);設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，步進(jìn)數(shù)減1，直到步進(jìn)數(shù)為0，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，雙指針穩(wěn)定下來。當(dāng)采集到的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)又開始轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣不停地循環(huán)工作，雙指針就可以隨時(shí)指示到正確的位置。這就是內(nèi)置固件的工作原理。

數(shù)字信號(hào)處理器的固件代碼使用MPLAB IDE V8.53集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言進(jìn)行開發(fā)，并使用C32編譯器編譯。開發(fā)時(shí)，C語音代碼通過MPLAB調(diào)用C32編譯器，編譯生成HEX后綴名的dsPIC30F3014機(jī)器碼文件［12-13］。

4 測試結(jié)果

將設(shè)計(jì)好的雙指針指示器接入波音737-NG飛行模擬機(jī)進(jìn)行測試，測試結(jié)果與預(yù)期相同，指示重復(fù)性好、指示器指針轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，無跳動(dòng)現(xiàn)象。測試結(jié)果表明，波音737-NG模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器滿足波音737-NG襟翼指示器的設(shè)計(jì)需求，其能成功地替代現(xiàn)有模擬機(jī)用真飛機(jī)襟翼指示器的工作。從而成功完成對波音737-NG模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器的設(shè)計(jì)研究。

波音737-NG模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器主要特點(diǎn)如下:①指示器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格相對于進(jìn)口模擬機(jī)指示器較低廉;②采用高性能步進(jìn)電機(jī)，精度較高;③采用數(shù)字信號(hào)處理器，采樣精度高，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng);④可以滿足不同飛機(jī)模擬機(jī)、飛行練習(xí)器的需求;⑤即插即用，不用擔(dān)心指示器燒毀;⑥提供自檢和回零功能;⑦指針轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，無跳動(dòng)現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

分析了波音737-NG飛行模擬機(jī)雙指針仿真指示器設(shè)計(jì)的意義，并對波音737-NG模擬機(jī)雙指針襟翼仿真指示器原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析;制作了適用于波音737-NG模擬機(jī)的雙指針襟翼仿真指示器，試驗(yàn)效果符合預(yù)期設(shè)想。由于采用了高性能數(shù)字信號(hào)處理器和高精度微型步進(jìn)電機(jī)，該指示器工作穩(wěn)定、價(jià)格便宜。該項(xiàng)目研究成果可替代國外引進(jìn)的飛行練習(xí)器、飛行模擬機(jī)的雙指針指示器，也可為舊的飛行模擬機(jī)升級改造提供相應(yīng)的技術(shù)支持。該雙指針指示器適用范圍廣，有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］劉國慶，李哲煜.某型飛機(jī)模擬訓(xùn)練器虛擬儀表系統(tǒng)的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(6-1):110-111.

［2］陳又軍.現(xiàn)代飛行模擬機(jī)技術(shù)發(fā)展概述［J］.中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，22(2):25-27.

［3］閆智武，李成貴.飛機(jī)座艙儀表顯示器的發(fā)展概況［J］.現(xiàn)代顯示，2005(1):22-25.

［4］蒲堃，陳又軍.CJ1飛行模擬機(jī)座艙設(shè)備仿真實(shí)現(xiàn)及常見故障排除［J］.航空維修與工程，2011(2):66-68.

［5］蘇彬，陳紅英，劉渡輝.飛行模擬練習(xí)器中自動(dòng)飛行系統(tǒng)建模方法［J］.中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，18(5):9-13.

［6］吳東巖.飛行模擬器座艙儀表驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［D］.長春:吉林大學(xué)，2006.

［7］王行仁.飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1998:44-53.

［8］張惠崢，張鵬.基于Altium Designer的電子產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)［J］.無線電通信技術(shù)，2008，34(6):56-58.

［9］承浩.Altium Designer在電工電子教學(xué)中的虛擬仿真應(yīng)用與研究［J］.沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，12(3):28-31.

［10］李銀華，楊存祥，包空軍.基于dsPIC30F3014冷媒填充裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2007，30(3):931-933.

［11］劉和平，鄭群英，江渝.dsPIC通用數(shù)字信號(hào)控制器原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:77-97.

［12］王立文，周海波.飛行模擬機(jī)精密進(jìn)近航道指示器仿真設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2010(5):70-73.

［13］吳森堂，費(fèi)玉華.飛行控制系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.