飛行模擬器實裝儀表系統(tǒng)仿真設(shè)計?

（海軍航空大學(xué)教練機模擬訓(xùn)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(xùn)練中起著至關(guān)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(shù)的變化。飛行模擬訓(xùn)練器座艙儀表實現(xiàn)方式為兩種，一種是實裝儀表進(jìn)行改裝，另外一種是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作出圖形儀表進(jìn)行仿真。為了達(dá)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(jié)合的方式。本文設(shè)計的實裝儀表系統(tǒng)已成功地應(yīng)用在某型飛機飛行訓(xùn)練模擬器上，空速表、地平儀、升降速度表、氣壓高度表、轉(zhuǎn)彎側(cè)滑儀、發(fā)動機三用表采用圖形儀表，進(jìn)氣壓力表、無線電羅盤、磁羅盤、發(fā)動機轉(zhuǎn)速表、冷氣壓力表、氣缸溫度表、進(jìn)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(xié)議及接口

通訊方式采用RS-422雙工串行數(shù)據(jù)總線、波特率115200Kbps、8位數(shù)據(jù)位、1位起始位、1位停止位，無奇偶校驗。采用觸發(fā)應(yīng)答方式。

2.1 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

數(shù)據(jù)通訊協(xié)議設(shè)計思路：

1）上位機發(fā)給設(shè)備的數(shù)據(jù)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(shè)備的編號，當(dāng)設(shè)備檢測到ID號和本機ID號一致時對命令進(jìn)行解析和響應(yīng)。ID為0xF5表示通用ID號，下位機檢測到ID為0xF5時對命令進(jìn)行解析，設(shè)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(shù)據(jù)格式

2）設(shè)備發(fā)給上位機的數(shù)據(jù)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(dāng)設(shè)備的開關(guān)、按鈕或旋鈕等輸入設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變后（或設(shè)備在收到有效的查詢命令后），設(shè)備向外發(fā)送面板狀態(tài)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式如表2。

表2 接收數(shù)據(jù)格式

2.2 外部接口設(shè)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(qū)動板，由驅(qū)動板上單片機根據(jù)主仿真計算機模擬量大小、變化率等，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率和脈沖，通過驅(qū)動、放大，控制相應(yīng)的電流、電壓或驅(qū)動伺服電機運動，其中，汽缸頭溫度表、進(jìn)氣溫度表、伏安表，根據(jù)各表的驅(qū)動需求，為其提供相應(yīng)的驅(qū)動電流、電壓。進(jìn)氣壓力表、轉(zhuǎn)速表、油量表利用伺服電機或步進(jìn)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(tǒng)組成

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

圖2 應(yīng)急地平表組成及與系統(tǒng)連接

3.3 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)及組成

實裝儀表為單片機控制的步進(jìn)電機驅(qū)動儀表。驅(qū)動電路包括電機控制模塊、電機驅(qū)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，電路設(shè)計如圖3、圖4所示。

圖3 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)電路圖

圖4 數(shù)據(jù)采集電路

3.3.2 控制模塊設(shè)計

控制模塊主要是一只基于CAN總線的步進(jìn)電機控制器，用于控制步進(jìn)電機等。選擇CAN總線是因為在目前常用的工業(yè)現(xiàn)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(kuò)充等優(yōu)點。

控制模塊的硬件設(shè)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(jìn)電機驅(qū)動器之間的接口電路設(shè)計。單片機首先通過CAN收發(fā)器接收飛行模擬器主控系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，計算出步進(jìn)電機所需動作的脈沖數(shù)，然后控制步進(jìn)電機進(jìn)行動作，使儀表指示出當(dāng)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(jìn)電機的選擇有兩種，其中，單針儀表所選的電機旋轉(zhuǎn)一周需要200步，多針儀表所選電機旋轉(zhuǎn)一周需要400步，驅(qū)動電路設(shè)計為16細(xì)分模式，即表針旋轉(zhuǎn)一周應(yīng)產(chǎn)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(shè)計包括四部分內(nèi)容：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)采集和步進(jìn)電機控制。流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語

在儀表仿真系統(tǒng)的設(shè)計過程中，盡可能運用實裝儀表進(jìn)行模擬，達(dá)到最有效的逼真效果。但改裝實裝儀表驅(qū)動控制電路復(fù)雜、開發(fā)周期長、價格高。本文在對儀表原理及結(jié)構(gòu)具體分析研究的基礎(chǔ)上，以某型飛機飛行模擬器為例，把進(jìn)氣壓力表、無線電羅盤、磁羅盤、發(fā)動機轉(zhuǎn)速表、冷氣壓力表、氣缸溫度表、進(jìn)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(qū)動電路和控制模塊各模塊的設(shè)計，使實裝儀表的虛擬參數(shù)顯示達(dá)到了真實飛機性能指標(biāo)的要求。