飛機(jī)新型頻閃燈控制策略研究

于子淇 周壁和 趙子磊 占 俊 杜海龍（指導(dǎo)教師）

（中國(guó)民航大學(xué)，天津300300）

1 研究背景

最初的防撞燈是采用白色旋轉(zhuǎn)信標(biāo)，但隨著使用后人們逐漸發(fā)現(xiàn)，過亮的白色燈光會(huì)射入駕駛艙內(nèi)產(chǎn)生使人暈眩的散射光，這會(huì)讓機(jī)組人員無(wú)法看清儀器儀表并長(zhǎng)期工作于疲憊狀態(tài)，嚴(yán)重影響飛行安全，所以人們選擇使用紅色的濾光器來(lái)降低白光對(duì)機(jī)組人員的影響，隨著燈光技術(shù)的發(fā)展，防撞燈的功能和種類也得以擴(kuò)展，如今的防撞燈主要分為旋轉(zhuǎn)信標(biāo)和頻閃燈兩大類[1]。

如今，根據(jù)飛機(jī)取得合格證的時(shí)間不同，對(duì)防撞燈也有不同的審定要求，1977 年7 月18 日以后獲得審批的飛機(jī)，對(duì)防撞燈的各個(gè)方面都有了更加嚴(yán)格規(guī)范的要求。

2 頻閃燈概述

2.1 頻閃燈功能

頻閃燈常用于作飛機(jī)的防撞燈，作為飛機(jī)航行燈系統(tǒng)的組成之一，每架飛機(jī)都配備了兩個(gè)防撞燈，分別被設(shè)置在機(jī)身頂部與機(jī)腹部。按照規(guī)定，防撞燈一般情況下采用紅色燈光，只要飛機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，防撞燈就須工作。

2.2 頻閃燈的組成

頻閃組件由透鏡組件、組件模塊、監(jiān)控模塊三部分組成，組件模塊由兩串，每串13 個(gè)的LED 和用來(lái)將LED 燈光分配到指定方向的反射器組成，透鏡組件用來(lái)增強(qiáng)射出的燈光。監(jiān)控模塊包括了壽命計(jì)時(shí)和溫度檢測(cè)兩種功能，防撞燈壽命計(jì)時(shí)器都有經(jīng)過預(yù)先編程，使得LED 燈在達(dá)到使用壽命時(shí)失效，根據(jù)對(duì)飛機(jī)的飛行計(jì)劃進(jìn)行LED 壽命預(yù)測(cè)，每組LED 燈在符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下將可以使用40000 小時(shí)，微處理器在監(jiān)控LED 使用時(shí)間的同時(shí)監(jiān)控LED 在整個(gè)使用周期內(nèi)的溫度。

3 仿真模型

3.1 仿真軟件的選擇

本次設(shè)計(jì)將運(yùn)用EDA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻閃燈電路的仿真，目前在市面上被廣泛使用的EDA 仿真軟件有：PROTEL、EWB、VIEWLOGIC、PSPICS、GRAPHICS、LSLLOGIC 等等，本文選用的軟件是PROTEUS，PROTEUS 相較其它幾款軟件，可以仿真51系列、AVR、ARM 等常用的主流單片機(jī)，同時(shí)它還支持KEIL、MATLAB 等多種編譯器，功能完備且容易上手[2]。

3.2 變壓控制盒部分

3.2.1 變壓整流

頻閃燈變壓控制盒的控制電路主要功能是對(duì)飛機(jī)提供的115V，400Hz 的交流電進(jìn)行變壓整流，為頻閃燈正常工作提供的所需直流電壓。

當(dāng)飛機(jī)電源接入控制盒的控制電路時(shí)，最先進(jìn)行的是對(duì)交流電的變壓和整流處理。頻閃燈組件由13 個(gè)額定電壓為5V 的LED 組件串聯(lián)而成，根據(jù)技術(shù)手冊(cè)規(guī)定，頻閃燈最低工作電壓為65VDC，變壓器次級(jí)繞組感量的計(jì)算公式如下

其中V1 是原邊電壓，V2 是副邊電壓，n1 為原邊匝數(shù)，n2 為副邊匝數(shù)，L1 為初級(jí)繞組感量，L2 為次級(jí)繞組感量。

經(jīng)過變壓處理的電源需通過整流處理成為直流電以驅(qū)動(dòng)LED。整流是利用二極管的單向?qū)ㄐ詫?shí)現(xiàn)的，常用的整流方式有半波整流、全波整流和橋式整流三種方法。其中，橋式整流作為二極管半波整流的一種改進(jìn)類型，具有整流效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 橋式整流電路原理圖

圖2 經(jīng)各方式整流后的波形

對(duì)比半波整流的輸出波形，橋式整流將交流輸入小于零的部分全都變?yōu)檎?，半波整流則直接將交流輸入小于零的部分全部截止。橋式整流的輸出波形圖與全波整流的波形圖完全一致，但橋式整流電路中的每一只二極管所承受的最大反向電壓為變壓器次級(jí)電壓的最大值，僅為全波電路中的一半，經(jīng)各方式整流后的波形如圖2 所示，圖中自上而下第一條為輸入的交流電的波形，第二條是交流電經(jīng)半波整流的波形，第三條是交流電經(jīng)全波整流后的波形，第四條為交流電經(jīng)橋式整流的波形。

輸入的交流電經(jīng)橋式整流后的電壓計(jì)算公式如下。

式中Vo是經(jīng)整流后輸出直流電壓，Vi是整流前的交流電壓。

由此公式（1）、（2）、（3）計(jì)算可得，飛機(jī)提供給頻閃燈系統(tǒng)的電壓是115V、400Hz 交流電，當(dāng)次級(jí)繞組感量為0.165H 時(shí)，變壓后電壓為46.3VAC，整流后輸出的直流電壓可滿足65VDC，即滿足頻閃燈正常工作時(shí)的需求。

3.2.2 放大電路

放大電路可以增加信號(hào)的輸出功率，它通常通過外部電源獲得能量，輸出與輸入信號(hào)一致的波形，但振幅要更強(qiáng)于輸入信號(hào)。推挽電路作為一種常用的放大電路，被廣泛的應(yīng)用于各式開關(guān)電路及功放電路中，其電路主要由兩個(gè)參數(shù)相同、極性相反的晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管相連而成，其電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 推挽電路的基本結(jié)構(gòu)

圖5 輸出波形圖

兩只極性相反的三極管均工作在線性放大區(qū)，共基極、共發(fā)射極，當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周期時(shí)，上方的NPN 管工作在導(dǎo)通狀態(tài)負(fù)責(zé)放大并將信號(hào)從發(fā)射極輸出，此時(shí)下方PNP 管處于截止?fàn)顟B(tài)；而當(dāng)輸入信號(hào)處于負(fù)半周期時(shí)，下方三極管導(dǎo)通，放大后的信號(hào)從發(fā)射極輸出，此時(shí)NPN 型三極管截止[3]。兩只三極管分別工作半個(gè)周期，其輸出的ic2、ic3波形分別如圖5 所示。

LED 組件需要較高的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，故需要外加一偏置電路建立一定的直流偏置，使三極管工作在甲乙類狀態(tài)下，其電路結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 甲乙類電源互補(bǔ)對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電路處于靜態(tài)時(shí)波形如下，其上為單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)的波形，其下經(jīng)放大電路放大后的波形。

圖7 放大電路的工作波形

3.2.3 單片機(jī)控制

單片機(jī)是一種超大規(guī)模集成電路技術(shù)，將具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM等功能集成到一塊芯片上，是一個(gè)體積雖小但功能完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。選用單片機(jī)作為控制器的主要原因是單片機(jī)具有集成度高、存儲(chǔ)空間大、外圍可擴(kuò)展能力強(qiáng)以及控制能力出眾的優(yōu)點(diǎn)。作為應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)之一，51 單片機(jī)系列一直廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，其穩(wěn)定可靠的電路結(jié)構(gòu)使它成為頻閃燈控制器的不二選擇[4]。

51 單片機(jī)作為電路的核心控制器，起到控制LED 組件閃光速度，閃光頻率及故障判斷的作用，需要使用到單片機(jī)自帶的定時(shí)器。51 單片機(jī)的定時(shí)器共有四種工作方式，本次設(shè)計(jì)選擇使定時(shí)器0 工作在方式1 來(lái)產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)。

圖8 PWM 信號(hào)產(chǎn)生的原理框圖

由于51 單片機(jī)外接的晶振頻率為11.0592MHz，所以51 單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期為12/11.0592 微秒，為方便計(jì)時(shí)，需為定時(shí)器0 需要裝載一個(gè)初值，設(shè)每50 毫秒計(jì)入一次中斷程序，則這個(gè)初值應(yīng)為0.05/（12/（11.0592*10^6）），即初值約為46080，設(shè)置好中斷定時(shí)后，根據(jù)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)，頻閃燈的閃光頻率應(yīng)在每分鐘42+3/-2 次之間，所以一個(gè)閃光周期約為1.43 秒且每個(gè)周期內(nèi)LED 發(fā)光時(shí)間約為250 毫秒，閃光的占空比為15.5%～17.8%，對(duì)于單片機(jī)而言，由于每次中斷的定時(shí)為50 毫秒，所以大約每進(jìn)入29 次中斷完成一個(gè)閃光周期，每次進(jìn)入中斷后計(jì)數(shù)器加一，當(dāng)計(jì)數(shù)器所計(jì)的變量Time 小于24 時(shí)，單片機(jī)通過2.1 腳輸出一個(gè)高電平，當(dāng)變量Time 大于24 而小于29 時(shí)，單片機(jī)2.1 腳輸出低電平信號(hào)，當(dāng)Time 等于29 時(shí)表明一個(gè)閃光周期結(jié)束，計(jì)數(shù)器歸零后重復(fù)上述操作，按控制規(guī)律變化的電位信號(hào)就是所需的PWM控制信號(hào)。

當(dāng)PWM波輸出為高時(shí)，單片機(jī)會(huì)輸出一個(gè)+5V 的電信號(hào)，電流無(wú)法流通場(chǎng)效應(yīng)管，LED 處于熄滅，當(dāng)PWM 波輸出為低時(shí)，單片機(jī)引腳等效接地，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流流經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管加在LED 組件兩端，LED 正常工作，至此一個(gè)閃光周期工作結(jié)束。

3.3 監(jiān)控部分

3.3.1 溫度檢測(cè)

盡管LED 作為一種冷光源，它的發(fā)熱量相較白熾燈和氙燈有了顯著的下降，但狹小的安裝空間導(dǎo)致LED 燈及其電路中的電阻等元器件在工作時(shí)依然會(huì)積累不小的熱量，若溫度過高則會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生損傷，甚至還會(huì)影響到飛機(jī)的安全飛行。為了保證頻閃燈能工作在正常溫度下，LED 組件需要對(duì)LED 燈串的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖9 DS18B20 的封裝圖

DS18B20 作為最常用的數(shù)字溫度傳感器，具有抗干擾、體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，其工作范圍在-55℃～+125℃，更高的分辨率賦予它更高的測(cè)溫精度，獨(dú)特的單線接口方式且不需要任何外圍元件的輔助使得檢測(cè)電路無(wú)需設(shè)計(jì)的過于冗雜，十分適合作為頻閃燈系統(tǒng)的溫度檢測(cè)傳感器。（圖9）

當(dāng)監(jiān)控單片機(jī)所讀取的溫度超過預(yù)先設(shè)定的溫度值時(shí)，監(jiān)控單片機(jī)的2.1 腳會(huì)被拉低至低電平監(jiān)控用單片機(jī)的2.1 腳與控制電路的單片機(jī)的2.2 腳相連，當(dāng)控制電路的單片機(jī)檢測(cè)到失效信號(hào)后，將會(huì)改變頻閃燈的工作周期及閃光頻率，并在閃爍約5 秒后熄滅。發(fā)生改變后的波形如圖10 所示，其中第一個(gè)是失效信號(hào)的波形，第二個(gè)是控制信號(hào)的波形，橫坐標(biāo)每格為450 毫秒。

圖10 失效前后控制波形的對(duì)比

3.3.2 壽命監(jiān)控

本設(shè)計(jì)選用51 單片機(jī)作為頻閃燈工作狀態(tài)的監(jiān)控器。為了記錄頻閃燈的工作時(shí)長(zhǎng)，首先需要51 單片機(jī)的計(jì)數(shù)器0 工作在方式1，依舊設(shè)置每50 毫秒進(jìn)入一次中斷，當(dāng)頻閃燈開啟時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)的最小單位為秒，所以每進(jìn)入二十次中斷程序后，秒數(shù)自加1，若變量秒數(shù)大于等于60，則將變量秒數(shù)置零，變量分自加一，當(dāng)變量分大于等于60 時(shí)，將變量分清零，變量時(shí)自加1，當(dāng)工作40000 小時(shí)后，LED 開始逐漸出現(xiàn)光強(qiáng)不達(dá)標(biāo)等失效表現(xiàn)，所以在變量時(shí)累加到大于等于40000 時(shí)，單片機(jī)的2.1 腳也會(huì)被拉低至低電平，頻閃燈的工作周期及閃光頻率發(fā)生改變并在持續(xù)約5 秒后熄滅，這一行為將保持到更換新的LED 組件為止。

3.4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)仿真電路進(jìn)行檢測(cè)，使用直流電源替換交流電源接入頻閃等電路，開始仿真，當(dāng)直流電源設(shè)置為65V 時(shí)，LED 燈組正常閃爍，將電壓升至100v 時(shí)，LED 亮度增加，閃爍頻率依舊為每分鐘42 次。在檢測(cè)變壓控制盒時(shí)，將輸入控制盒的交流電壓設(shè)置為115V、400Hz，使用示波器對(duì)控制盒輸出的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀察其波形符合圖11 要求，測(cè)試使用的負(fù)載燈滿足按每分鐘40～45 次的頻率標(biāo)準(zhǔn)閃爍，所以仿真電路整體設(shè)計(jì)滿足使用頻閃燈的使用需求。

圖11

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)所做的是對(duì)飛機(jī)新型頻閃燈控制策略的研究及建模仿真，為了使頻閃燈能精準(zhǔn)可靠的工作，頻閃燈控制電路需要完成對(duì)輸入交流電的整流、變壓、產(chǎn)生控制信號(hào)和對(duì)控制信號(hào)的放大等功能。

首先，控制電路需要將輸入的交流電變壓整流成電路所需的直流電提供給單片機(jī)和LED 燈，控制芯片需要實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)多諧振蕩的功能來(lái)輸出符合要求的PWM信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)放大電路放大后控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，進(jìn)而控制頻閃燈的閃爍周期及閃光時(shí)長(zhǎng)，監(jiān)控芯片則需要實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器的功能并且需要與頻閃燈同步工作，當(dāng)不滿足頻閃燈正常工作的條件時(shí)發(fā)出失效信號(hào)表明頻閃燈處于失效狀態(tài)，而控制芯片則需要對(duì)失效信號(hào)做出相應(yīng)的反應(yīng)以提醒機(jī)組和維修人員頻閃燈故障。