黃 歡，肖志堅，廖 峰

(中國民用航空飛行學(xué)院 模擬機訓(xùn)練中心，四川 廣漢 618300)

0 引言

飛行模擬機具有飛行安全、訓(xùn)練成本低、訓(xùn)練受天氣環(huán)境影響小等特點，使其成為航空公司及航空院校培養(yǎng)飛行員的重要訓(xùn)練設(shè)備。飛行訓(xùn)練任務(wù)繁重，導(dǎo)致飛行模擬機中照明系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，影響飛行訓(xùn)練。通過對模擬機照明系統(tǒng)新型背光照明技術(shù)進(jìn)行研究，以波音737-800飛行訓(xùn)練器飛行方式的選擇面板(MCP)[1-2]為基礎(chǔ)，設(shè)計基于Arduino的飛行模擬機新型背光系統(tǒng)MCP電路板，基于格拉斯曼顏色混合定律理論，按照不同比例的三基色搭配，改變整體光譜分布，改變系統(tǒng)色溫、色域、亮度，達(dá)到與真飛機一樣的效果。

1 模擬機照明系統(tǒng)概述

模擬機照明系統(tǒng)主要為各儀表、組件及控制面板提供背光照明功能，讓機組在黑暗環(huán)境中查看操作儀表、組件及控制面板[3]。以某模擬機制造商的波音737-800模擬機為例，其有幾十個控制面板，超過300個“米?！蔽⑿蜔襞?，均采用普通白熾燈泡。由于使用頻率大及燈泡壽命有限，每3個月就要將所有燈泡更換一次。若返廠維修，每塊控制面板需400美元，而且維修時間都在半年以上，增加了很多成本。如果工程師手工更換，一般2年左右電路板覆銅焊點就已經(jīng)損壞、脫落，需要更換新的電路板。每塊電路板價格在1 000美元左右，也大大增加了后期的使用成本。

2 總體設(shè)計

自然界中的絕大部分色彩都可以由紅綠藍(lán)三種基色按照一定比例的混合得到。因此，本文采用紅綠藍(lán)三基色發(fā)光二極管作為光源，以MCP為研究對象，基于顏色混合定律理論，按照不同比例的三基色搭配，使用色溫的動態(tài)調(diào)節(jié)原理，通過高性能微控制器智能調(diào)節(jié)混合光源的各個分量的電流，改變整體的光譜分布，從而改變系統(tǒng)色溫、色域、亮度[4-6]，達(dá)到與真飛機一致的MCP背景照明效果。

2.1 色溫動態(tài)調(diào)節(jié)原理

根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律及國際發(fā)光照明委員會標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)所要表現(xiàn)的白光色坐標(biāo)為W(xw,yw)，使用的三原色R、G、B坐標(biāo)分別為R(xr,yr)，G(xg,yg)，B(xb,yb)，相應(yīng)的三刺激值分別為(Xw,Yw,Zw)，(Xr,Yr,Zr)，(Xg,Yg,Zg)，(Xb,Yb,Zb)，光通量分別為(lw，lr，lg，lb)，則：

(1)

(2)

其中，X，Z只代表色度，沒有亮度，光度量只與三刺激值Y成比例，則三刺激值用亮度和色度表示為：

(3)

整理式(1)～(3)得：

(4)

通過計算得到各種色溫下R、G、B三基色LED配比不同色溫的白光時光通量的比例。色坐標(biāo)只取決于紅、綠、藍(lán)三顏色的色坐標(biāo)和亮度。當(dāng)給出目標(biāo)色色溫時，通過查表得到它的色品坐標(biāo)，分別調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)各自的驅(qū)動電流，得到目標(biāo)色溫的白光。

2.2 設(shè)計方案

根據(jù)色溫的動態(tài)調(diào)節(jié)原理，通過調(diào)節(jié)混合光源的各個分量的能量，可改變整體的光譜分布，改變系統(tǒng)色溫。通過改變紅LED、綠LED、藍(lán)LED驅(qū)動電流的方式，來控制每種LED的發(fā)光亮度，調(diào)節(jié)色溫。系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計款圖

系統(tǒng)主要分為驅(qū)動模塊、控制模塊、光學(xué)模塊。電源通過驅(qū)動模塊給光學(xué)模塊提供合適的電流，驅(qū)動LED發(fā)光?？刂颇K通過PWM恒流調(diào)節(jié)電路輸出三路參考電壓來調(diào)節(jié)LED電流，調(diào)節(jié)其亮度組合，對每路驅(qū)動電路進(jìn)行控制改變色溫。光學(xué)模塊完成芯片排布方式，從物理上保證不同顏色光線混合后產(chǎn)生均勻的照明效果。

3 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計搭建MCP面板背光系統(tǒng)的電路，主要完成控制電路、驅(qū)動、光學(xué)電路、MCP照明面板設(shè)計。

3.1 控制電路

控制電路的核心是微控制，該微控制器選用的是Atmel公司的ATMEGA2560嵌入式微控制器。它具有54路數(shù)字輸入/輸出口(16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UARTs接口，F(xiàn)lash程序存儲器讀寫等強大的控制功能內(nèi)核，具有強大的數(shù)字信號處理能力，可采用USB接口直接供電工作，扛干擾能力強[7-8]。

3.2 驅(qū)動及光學(xué)電路

驅(qū)動電路主要采用的是MOS管來提高輸出電流，通過微控制器PWM輸出來控制MOS管的輸出電流大小，控制各個通道的電流，使光學(xué)電路發(fā)出相應(yīng)色溫的白光。光學(xué)電路主要采用的是3528RGB三色LED燈，該燈泡集紅、綠、藍(lán)三色為一體，根據(jù)電流大小控制各顏色通道的顯示。而驅(qū)動電流大小由每種顏色通道的壓降來決定。圖2為驅(qū)動及光學(xué)電路原理圖。

圖2 驅(qū)動及光學(xué)電路原理圖

3.3 MCP照明面板設(shè)計

737-800 MCP面板主要功能是控制主副駕駛的ND和自動飛行系統(tǒng)的控制面板，其開關(guān)、旋鈕多，功能繁雜，背光照明面板所需覆蓋廣，設(shè)計的照明系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 MCP照明面板電路原理圖

4 軟件設(shè)計

MCP照明背光系統(tǒng)軟件基于AVR Studio 4集成開發(fā)環(huán)境，利用C語言開發(fā)，使用編譯器編譯成ATMEGA2560機器碼文件[7]，并下載到微控制器中，完成開發(fā)。軟件設(shè)計主要完成微控制器脈寬調(diào)制PWM輸出相關(guān)的占空比，調(diào)節(jié)三色輸出電流。根據(jù)采集色溫數(shù)值，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再對轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行比較，計算是否需對色溫進(jìn)行調(diào)整，增加或減少相應(yīng)輸出電流，直到到達(dá)預(yù)設(shè)色溫值。整體軟件流程圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計流程圖

5 調(diào)試

本文所設(shè)計的基于ATMGA2560的737-800模擬機MCP面板照明系統(tǒng)，利用測光儀采集現(xiàn)有737-800模擬機背景照明系統(tǒng)色溫分布，通過公式計算得到R、G、B三色LED配比值，調(diào)整三色電路輸出電流控制PWM輸出占空比，使設(shè)計的MCP面板照明系統(tǒng)達(dá)到與真實模擬機上相似的色溫。其中，圖5為MCP面板背光照明系統(tǒng)測試平臺圖。

圖5 MCP面板背光照明系統(tǒng)測試平臺圖

通過測光儀對737-800模擬機MCP面板照明背光進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)色溫在2 200 K附近，調(diào)節(jié)設(shè)計的新照明背光系統(tǒng)控制色溫的PWM輸出電流，同樣使用測光儀對新照明背光面板進(jìn)行測試，不斷修正控制R、G、B三色的PWM帶寬，改變?nèi)炼龋蛊渖珳氐竭_(dá)與MCP面板照明背光系統(tǒng)具有相同的色溫值，使其具有與現(xiàn)有模擬機相同的照明效果。如圖6所示。

圖6 背光照明系統(tǒng)暖光測試

6 結(jié)論

本文以737-800模擬機MCP面板為基礎(chǔ)，設(shè)計適用于737-800模擬機的新型照明背光系統(tǒng)，使其能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)各種色溫和明暗程度，成功替代現(xiàn)有模擬機和訓(xùn)練器的照明背光系統(tǒng)。該照明背光技術(shù)已經(jīng)可以滿足模擬機和訓(xùn)練器的照明背光系統(tǒng)的設(shè)計需求。該技術(shù)抗干擾能力強、工作穩(wěn)定，并且能夠延長模擬機照明背光系統(tǒng)使用壽命，降低故障率，同時也可為國內(nèi)新型研制的模擬機、訓(xùn)練器照明背光系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)，使其具有廣泛的市場應(yīng)用前景和較高的科學(xué)研究價值。