波音737-NG模擬機雙指針指示器設(shè)計

肖志堅

(中國民用航空飛行學(xué)院模擬機訓(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)雜時尤為重要。目前，飛行模擬機指示器大都為飛機真表，價格昂貴［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)難點多［3］。為此，模擬機雙指針仿真指示器研究項目逐漸成型，其目的是研制一種全新的模擬機雙指針仿真指示器。由于該指示器采用數(shù)字信號處理器和高性能微型步進(jìn)電機，其功能與現(xiàn)有全任務(wù)飛行訓(xùn)練模擬機(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指示器功能相當(dāng)，但價格低廉、工作穩(wěn)定、安裝簡易。

本文設(shè)計制作了波音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)飛行員模擬機培訓(xùn)機構(gòu)或國內(nèi)模擬機生產(chǎn)廠家研制新型飛行模擬機提供功能完備、價格低廉的模擬機雙指針指示器，也可為現(xiàn)有技術(shù)落后的飛行模擬機或固定飛行練習(xí)器升級改造提供強有力的技術(shù)支持。

1 真飛機指示器原理

通過對波音737-NG全任務(wù)飛行模擬機中襟翼飛機真表的詳細(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驅(qū)動［6］。波音737-NG全任務(wù)飛行模擬機中真飛機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)計算機發(fā)出指示器轉(zhuǎn)動的信號指令后，放大器將信號放大，然后驅(qū)動伺服電機，電機再帶動指示器雙指針偏轉(zhuǎn)。

為滿足模擬機接口系統(tǒng)的相關(guān)要求，設(shè)計的模擬機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［7］、補償完全不同的設(shè)計。指示器采用高性能數(shù)字信號處理器dsPIC30F3014來實現(xiàn)多種模擬機輸入信號的采集和處理，經(jīng)過處理器計算后再驅(qū)動步進(jìn)電機，電機再帶動雙指針指示。該技術(shù)數(shù)字化程度高，具有數(shù)字系統(tǒng)抗干擾能力強和工作穩(wěn)定的特點，外部擴展電路的電阻、電容器件較少，系統(tǒng)故障機率也大大降低。設(shè)計時考慮到指示器機心作為雙指針執(zhí)行部件或機構(gòu)，為提高其工作可靠程度、降低制造難度，取消了齒輪傳動機構(gòu);同時，該指示器應(yīng)具備快速360°旋轉(zhuǎn)能力和一定的轉(zhuǎn)動力矩，所以采用技術(shù)成熟的1024步微型步進(jìn)電機。飛行模擬機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)字信號處理器dsPIC30F3014對整個系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過后，數(shù)字信號處理器自動驅(qū)動步進(jìn)電機順時針轉(zhuǎn)動到指示器表盤零刻度，然后對內(nèi)部位置寄存器清零。當(dāng)模擬機飛行程序運行后，通過接口電路驅(qū)動雙指針指示器的模擬信號經(jīng)過數(shù)字信號處理器內(nèi)高速A/D采集，送入數(shù)字信號處理器內(nèi)的數(shù)據(jù)單元;數(shù)字信號處理器內(nèi)部固化程序?qū)凑镇?qū)動信號的種類(兩相正交信號、雙路模擬信號)選擇合適的處理程序;程序處理計算得出步進(jìn)電機應(yīng)該前進(jìn)或后退的步數(shù)，再驅(qū)動步進(jìn)電機運動到指示位置。數(shù)字信號處理器不斷重復(fù)執(zhí)行上述過程，完成雙指針指示器的實時指示。對于新型飛行模擬機，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)字信號處理器，由處理器進(jìn)行處理。此時該數(shù)字信號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?；驁缶畔?反饋給飛行模擬機工作狀態(tài)檢測程序，從而為模擬機維護(hù)提供參考信息。該特點在以往的任何類型的國外飛行模擬機中都尚未采用，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)動電路設(shè)計

在具體設(shè)計上，電路設(shè)計采用Altium Designer 6輔助設(shè)計［8］，設(shè)計的電路采用計算機進(jìn)行模擬仿真和調(diào)試運行［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)字信號處理器［10］，選用該芯片的44腳TQFP封裝。電機驅(qū)動采用一款專為驅(qū)動微型雙路步進(jìn)電機而設(shè)計的CMOS集成電路芯片VID6608，該驅(qū)動芯片可同時驅(qū)動兩路電機，這就可以同時驅(qū)動雙指針指示器。dsPIC30F3014的I/O引腳接驅(qū)動芯片的頻率控制端輸入脈沖序列F(scx)，并由dsPIC30F3014輸出信號控制頻率。dsPIC30F3014的I/O引腳輸出信號控制電機的轉(zhuǎn)動方向;輸出端控制步進(jìn)電機的輸出軸微步轉(zhuǎn)動。每個脈沖對應(yīng)電機輸出軸轉(zhuǎn)動(1/12)°，最大角速度可達(dá) 600°/s。

3 軟件設(shè)計

模擬機雙指針襟翼仿真指示器的軟件設(shè)計主要是對dsPIC30F3014數(shù)字信號處理器進(jìn)行內(nèi)置固件(軟件)設(shè)計［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)飛行模擬機上電工作時，模擬機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回零。此時，數(shù)字信號處理器進(jìn)行信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換;對轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行比較，并計算電機轉(zhuǎn)動的步進(jìn)數(shù);設(shè)定電機轉(zhuǎn)動的方向，再驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一步，步進(jìn)數(shù)減1，直到步進(jìn)數(shù)為0，電機停止運動，雙指針穩(wěn)定下來。當(dāng)采集到的信號發(fā)生變化時，電機又開始轉(zhuǎn)動。這樣不停地循環(huán)工作，雙指針就可以隨時指示到正確的位置。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，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機器碼文件［12-13］。

4 測試結(jié)果

將設(shè)計好的雙指針指示器接入波音737-NG飛行模擬機進(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)動平滑，無跳動現(xiàn)象。測試結(jié)果表明，波音737-NG模擬機雙指針襟翼仿真指示器滿足波音737-NG襟翼指示器的設(shè)計需求，其能成功地替代現(xiàn)有模擬機用真飛機襟翼指示器的工作。從而成功完成對波音737-NG模擬機雙指針襟翼仿真指示器的設(shè)計研究。

波音737-NG模擬機雙指針襟翼仿真指示器主要特點如下:①指示器結(jié)構(gòu)簡單，價格相對于進(jìn)口模擬機指示器較低廉;②采用高性能步進(jìn)電機，精度較高;③采用數(shù)字信號處理器，采樣精度高，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強;④可以滿足不同飛機模擬機、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)動平滑，無跳動現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

分析了波音737-NG飛行模擬機雙指針仿真指示器設(shè)計的意義，并對波音737-NG模擬機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模擬機的雙指針襟翼仿真指示器，試驗效果符合預(yù)期設(shè)想。由于采用了高性能數(shù)字信號處理器和高精度微型步進(jìn)電機，該指示器工作穩(wěn)定、價格便宜。該項目研究成果可替代國外引進(jìn)的飛行練習(xí)器、飛行模擬機的雙指針指示器，也可為舊的飛行模擬機升級改造提供相應(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。

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