波音737-NG模擬機雙指針指示器設計

肖志堅

(中國民用航空飛行學院模擬機訓練中心，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］。國內對單指針航空指示器的研究尚少，且雙指針指示器的技術難點多［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字信號處理器和高性能微型步進電機，其功能與現有全任務飛行訓練模擬機(full flight simulator，FFS)［4］和固定飛行練習器(flight training device，FTD)［5］上使用的指針式真飛機指示器功能相當，但價格低廉、工作穩定、安裝簡易。

本文設計制作了波音737-NG雙指針仿真襟翼指示器，其功能與現有真飛機雙指針指示器系統功能一致。雙指針仿真襟翼指示器的成功研制，可為國內飛行員模擬機培訓機構或國內模擬機生產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，也可為現有技術落后的飛行模擬機或固定飛行練習器升級改造提供強有力的技術支持。

1 真飛機指示器原理

通過對波音737-NG全任務飛行模擬機中襟翼飛機真表的詳細研究可以發現，該指示器具有接近360°的指針旋轉指示范圍或能力;通過對其內部驅動工作原理的詳細分析，發現該雙指針指示器采用伺服電機驅動［6］。波音737-NG全任務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。當計算機發出指示器轉動的信號指令后，放大器將信號放大，然后驅動伺服電機，電機再帶動指示器雙指針偏轉。

為滿足模擬機接口系統的相關要求，設計的模擬機雙指針襟翼仿真指示器核心采用與傳統雙指針指示器系統模擬電路驅動［7］、補償完全不同的設計。指示器采用高性能數字信號處理器dsPIC30F3014來實現多種模擬機輸入信號的采集和處理，經過處理器計算后再驅動步進電機，電機再帶動雙指針指示。該技術數字化程度高，具有數字系統抗干擾能力強和工作穩定的特點，外部擴展電路的電阻、電容器件較少，系統故障機率也大大降低。設計時考慮到指示器機心作為雙指針執行部件或機構，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;同時，該指示器應具備快速360°旋轉能力和一定的轉動力矩，所以采用技術成熟的1024步微型步進電機。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，數字信號處理器dsPIC30F3014對整個系統進行自檢，自檢通過后，數字信號處理器自動驅動步進電機順時針轉動到指示器表盤零刻度，然后對內部位置寄存器清零。當模擬機飛行程序運行后，通過接口電路驅動雙指針指示器的模擬信號經過數字信號處理器內高速A/D采集，送入數字信號處理器內的數據單元;數字信號處理器內部固化程序將按照驅動信號的種類(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電機應該前進或后退的步數，再驅動步進電機運動到指示位置。數字信號處理器不斷重復執行上述過程，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據發送給數字信號處理器，由處理器進行處理。此時該數字信號處理器利用串行總線雙向傳輸的特性，將指示器工作狀態(特別是指示器工作異常或報警信息)反饋給飛行模擬機工作狀態檢測程序，從而為模擬機維護提供參考信息。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 指示器驅動電路設計

在具體設計上，電路設計采用Altium Designer 6輔助設計［8］，設計的電路采用計算機進行模擬仿真和調試運行［9］。在元件選擇上，將使用貼片元件，力求電路小型化、標準化。

模擬機雙指針襟翼仿真指示器核心采用的是Microchip公司的 dsPIC30F3014數字信號處理器［10］，選用該芯片的44腳TQFP封裝。電機驅動采用一款專為驅動微型雙路步進電機而設計的CMOS集成電路芯片VID6608，該驅動芯片可同時驅動兩路電機，這就可以同時驅動雙指針指示器。dsPIC30F3014的I/O引腳接驅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動方向;輸出端控制步進電機的輸出軸微步轉動。每個脈沖對應電機輸出軸轉動(1/12)°，最大角速度可達 600°/s。

3 軟件設計

模擬機雙指針襟翼仿真指示器的軟件設計主要是對dsPIC30F3014數字信號處理器進行內置固件(軟件)設計［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，系統初始化后指示器雙指針同時回零。此時，數字信號處理器進行信號采集和模數轉換;對轉換后的數值進行比較，并計算電機轉動的步進數;設定電機轉動的方向，再驅動電機轉動，每轉動一步，步進數減1，直到步進數為0，電機停止運動，雙指針穩定下來。當采集到的信號發生變化時，電機又開始轉動。這樣不停地循環工作，雙指針就可以隨時指示到正確的位置。這就是內置固件的工作原理。

數字信號處理器的固件代碼使用MPLAB IDE V8.53集成開發環境，采用C語言進行開發，并使用C32編譯器編譯。開發時，C語音代碼通過MPLAB調用C32編譯器，編譯生成HEX后綴名的dsPIC30F3014機器碼文件［12-13］。

4 測試結果

將設計好的雙指針指示器接入波音737-NG飛行模擬機進行測試，測試結果與預期相同，指示重復性好、指示器指針轉動平滑，無跳動現象。測試結果表明，波音737-NG模擬機雙指針襟翼仿真指示器滿足波音737-NG襟翼指示器的設計需求，其能成功地替代現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指示器結構簡單，價格相對于進口模擬機指示器較低廉;②采用高性能步進電機，精度較高;③采用數字信號處理器，采樣精度高，工作穩定可靠，抗干擾能力強;④可以滿足不同飛機模擬機、飛行練習器的需求;⑤即插即用，不用擔心指示器燒毀;⑥提供自檢和回零功能;⑦指針轉動平滑，無跳動現象。

5 結束語

分析了波音737-NG飛行模擬機雙指針仿真指示器設計的意義，并對波音737-NG模擬機雙指針襟翼仿真指示器原理進行了詳細的分析;制作了適用于波音737-NG模擬機的雙指針襟翼仿真指示器，試驗效果符合預期設想。由于采用了高性能數字信號處理器和高精度微型步進電機，該指示器工作穩定、價格便宜。該項目研究成果可替代國外引進的飛行練習器、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的技術支持。該雙指針指示器適用范圍廣，有著廣泛的應用前景。

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