基于單片機的飛行模擬控制板開發與應用研究

張倞賓

（西安市航天中學,西安 710100）

1 引言

模擬飛行是依托計算機硬件和軟件技術，應用互聯網、局域網環境，進行近似于真實的真飛機的仿真飛行操作技術的運動。高度仿真和互動性強是模擬飛行最顯著的特點。模擬飛行和真實飛行的基礎訓練具有融通性，是進行真實飛行基礎訓練的最好途徑；同時隨著無人機技術的進步，大量不同用途的無人飛機開始在軍事、搜救、探測等領域廣泛使用，而無人機控制系統與飛行模擬系統具有高度的相似性，可以直接使用模擬飛行系統對無人機控制人員進行培訓。

隨著計算機技術的進步，目前臺式計算機的性能足以跟當初的大中型機媲美，使得開發低成本模擬系統成為可能，《微軟模擬飛行》和《X飛機》等飛行模擬軟件經過不斷的發展，可用于飛行訓練的輔助工具，成為眾多專業和業余飛行員的桌面必備軟件。硬件和軟件兩方面的成熟，使飛行模擬可以進入學校或家庭，引導更多的青少年投身航空事業，普及航空知識，為國家儲備更多的航空人才。

由于飛行運動本身的復雜性和專業性，飛行模擬在我國仍是小眾運動，相關的專業顯示、控制設備種類少、價格高昂，阻礙了飛行模擬運動的推廣和普及。基于單片機，開發了飛行模擬控制板，將開關信號、電位信號等通過USB接口輸入計算機設備，通過鍵位映射軟件轉化為飛行模擬軟件可以識別的鍵位信號，將飛行模擬軟件與控制板設備硬件對接，將飛行模擬設備座艙化，大大提高了飛行模擬體驗和真實性，具有成本低、模擬效果好等特點。

2 飛行模擬控制板的硬件組成和制作

飛行模擬控制板的硬件部分主要由面板、按鈕、電位器、航空插頭、單片機等部分組成。

面板采用不銹鋼板或亞克力板制作，主要作用是支撐和安裝各個按鈕、電位器、單片機及插頭等硬件設備。面板長度50cm，寬度16cm，模仿小型飛機的控制面板形狀，增加外觀真實性。根據按鈕類型將面板分為幾個區域，分別用于安裝各類開關、單片機、電位器和插頭等。如圖1所示為飛行模擬控制面板設計圖。

按鈕主要包括選擇開關、扭子開關和自鎖開關，均為常見的工業按鈕，也是真實飛機座艙內最常見的按鈕形式。圖2、圖3所示為安裝按鈕后的飛行模擬控制板模型圖。

飛行模擬控制面板采用基于單片機控制，為一種常見的高性能、低功耗位處理器，可運行131條指令，內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的微控制器最高至10 倍的數據吞吐率，成為一個功能強大的單片機，為應用提供了靈活而低成本的解決方案。

將芯片與USB接口、電阻、電容等元件固定在電路板上，并寫入控制程序，實現按鈕開關量及電位信號輸入。圖4所示為飛行模擬控制面板的控制單片機，單片機輸入接頭采用標準2.54mm間距插針，可使用杜邦線快速連接和測試。圖5為單片機輸入接口定義，該飛行模擬控制面板可實現32路開關信號及8路電位信號的輸入和識別。

飛行模擬控制面板安裝有18個開關（每個選擇開關相當于兩個開關）和一個電位器，通過航空插頭將剩余的通道引出，以便連接其他擴展輸入設備，如油門、腳舵等。圖6為接線后的飛行模擬控制面板。

3 飛行模擬控制板的調試

3.1 硬件調試

硬件調試主要是對單片機控制回路及外圍電路進行調試，單片機控制回路的調試主要涉及芯片的測試、各個開關及電位器的導通等。調試方法是在電路輸入端加上標準電壓，然后通過萬用表觀測電路中特定點處的電壓值是否正確。

3.2 軟件調試

本次軟件設計采用了專門用于開發單片機和微處理器系統軟件及應用軟件的高級語言軟件。調試主要涉及對編寫的程序所進行的編譯工作，通過軟件調試成功。

4 飛行模擬控制板的安裝和使用

飛行模擬控制板制作完成后，使用卡箍將面板固定支架與飛行模擬設備連接固定。如圖7所示，將模擬控制板安裝在顯示器正下方，形成模擬座艙效果。固定后使用USB信號線將單片機輸出USB接口與計算機USB接口對接。在Windows系統環境下，計算機能夠自動識別飛行模擬控制板硬件設備，可以在控制器界面對飛行模擬控制板進行測試和校準。

飛行模擬控制板的輸入的連續信號，通過鍵位映射軟件轉變為鍵盤上某個鍵位或組合鍵的單次脈沖信號，從而實現飛行模擬控制板開關動作對飛行模擬軟件相應功能，如起落架收/放、航行燈開啟/關閉、發動機啟動/關閉、武器切換/投射、電子設備開關等功能的控制，大幅提高了飛行模擬的真實感。

5 總結

飛行模擬控制板采用基于芯片的單片機控制，將開關信號和電位信號輸入計算機，并通過鍵位映射軟件，實現了控制板按鈕、電位器對飛行模擬軟件相應功能的控制，實現了飛行模擬設備座艙化。該控制板具有成本低、模擬效果好等特點，可以通過航空插頭連接其他擴展設備，大幅提高了飛行模擬的真實感和訓練效果。

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[2]徐建安.私人輕型飛機飛行基礎[M].中國科學技術出版社，2004(03).

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