（海軍航空大學教練機模擬訓練中心 葫蘆島 125001）

1 引言

作為飛機與飛行員之間信息的傳遞紐帶，座艙儀表在飛行模擬訓練中起著至關重要的作用，飛行員需要通過儀表來掌握飛機的姿態(tài)、發(fā)動機工作狀態(tài)、飛機飛行環(huán)境等重要參數的變化。飛行模擬訓練器座艙儀表實現方式為兩種，一種是實裝儀表進行改裝，另外一種是利用虛擬現實技術制作出圖形儀表進行仿真。為了達到比較逼真的顯示效果，目前座艙儀表基本都采用實裝改制和圖形儀表相結合的方式。本文設計的實裝儀表系統已成功地應用在某型飛機飛行訓練模擬器上，空速表、地平儀、升降速度表、氣壓高度表、轉彎側滑儀、發(fā)動機三用表采用圖形儀表，進氣壓力表、無線電羅盤、磁羅盤、發(fā)動機轉速表、冷氣壓力表、氣缸溫度表、進氣溫度表、油量表、電流電壓表采用飛機真實儀表改制。

2 通信協議及接口

通訊方式采用RS-422雙工串行數據總線、波特率115200Kbps、8位數據位、1位起始位、1位停止位，無奇偶校驗。采用觸發(fā)應答方式。

2.1 數據通訊協議

數據通訊協議設計思路：

1）上位機發(fā)給設備的數據包格式為55 AA ID C0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 5A，共13個字節(jié)，其中ID為設備的編號，當設備檢測到ID號和本機ID號一致時對命令進行解析和響應。ID為0xF5表示通用ID號，下位機檢測到ID為0xF5時對命令進行解析，設置此ID的目的是為了查詢本機ID號。

其中C0為命令字，含義如表1所示。

表1 發(fā)送數據格式

2）設備發(fā)給上位機的數據包格式為AA 55 ID C0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A5，共13個字節(jié)，任何情況下，當設備的開關、按鈕或旋鈕等輸入設備狀態(tài)發(fā)生改變后（或設備在收到有效的查詢命令后），設備向外發(fā)送面板狀態(tài)數據包。數據包數據格式如表2。

表2 接收數據格式

2.2 外部接口設計

電源及通信接口：電器接口使用航空插座各引腳定義如表3所示。電源接口（航空插座）：工作電源DC24V。

表3 航插接口定義

DB9引腳定義如表4所示。

表4 DB9接口定義

3 組成及工作原理

3.1 實裝儀表模擬原理

主仿真計算機通過接口送出模擬量到驅動板，由驅動板上單片機根據主仿真計算機模擬量大小、變化率等，轉換成對應的頻率和脈沖，通過驅動、放大，控制相應的電流、電壓或驅動伺服電機運動，其中，汽缸頭溫度表、進氣溫度表、伏安表，根據各表的驅動需求，為其提供相應的驅動電流、電壓。進氣壓力表、轉速表、油量表利用伺服電機或步進電機控制，工作原理如圖1所示。

圖1 伺服電機工作原理圖

3.2 實裝儀表系統組成

實裝儀表通過RS422總線連接到主控計算機，驅動電路中的單片機接收主控計算機送來的指示數據，處理后驅動該儀表指示。其主要由指示器、連動機構（減速齒輪）、步進電機、單片機驅動電路以及連接電纜組成。其組成及與系統連接框圖如圖2所示。

圖2 應急地平表組成及與系統連接

3.3 驅動電路結構及組成

實裝儀表為單片機控制的步進電機驅動儀表。驅動電路包括電機控制模塊、電機驅動模塊和接口電源模塊。

3.3.1 電路原理

考慮到實裝儀表結構的復雜性，電路設計如圖3、圖4所示。

圖3 驅動電路結構電路圖

圖4 數據采集電路

3.3.2 控制模塊設計

控制模塊主要是一只基于CAN總線的步進電機控制器，用于控制步進電機等。選擇CAN總線是因為在目前常用的工業(yè)現場總線中，CAN總線具有實時性好、抗干擾性和可靠性高、機制靈活和易于擴充等優(yōu)點。

控制模塊的硬件設計主要是指節(jié)點微處理器與CAN總線通信控制器之間的接口電路、CAN總線通信控制器與收發(fā)器之間的接口電路以及微處理器與步進電機驅動器之間的接口電路設計。單片機首先通過CAN收發(fā)器接收飛行模擬器主控系統發(fā)出的控制信號，計算出步進電機所需動作的脈沖數，然后控制步進電機進行動作，使儀表指示出當前的俯仰、傾斜及告警旗狀態(tài)?？刂颇K所采用的CAN收發(fā)器為PCA82C250，模塊控制器采用80C51單片機，總線控制器為SJA1000。

步進電機的選擇有兩種，其中，單針儀表所選的電機旋轉一周需要200步，多針儀表所選電機旋轉一周需要400步，驅動電路設計為16細分模式，即表針旋轉一周應產生3200或6400個脈沖。

圖5 控制模塊程序流程圖

控制模塊的軟件設計包括四部分內容：系統初始化、數據接收、數據采集和步進電機控制。流程圖如圖5所示。

4 結語

在儀表仿真系統的設計過程中，盡可能運用實裝儀表進行模擬，達到最有效的逼真效果。但改裝實裝儀表驅動控制電路復雜、開發(fā)周期長、價格高。本文在對儀表原理及結構具體分析研究的基礎上，以某型飛機飛行模擬器為例，把進氣壓力表、無線電羅盤、磁羅盤、發(fā)動機轉速表、冷氣壓力表、氣缸溫度表、進氣溫度表、油量表、電流電壓表采用飛機真實儀表改制，完成接口電路，驅動電路和控制模塊各模塊的設計，使實裝儀表的虛擬參數顯示達到了真實飛機性能指標的要求。