飛行模擬機新型照明系統設計*

黃 歡，肖志堅，廖 峰

(中國民用航空飛行學院 模擬機訓練中心，四川 廣漢 618300)

0 引言

飛行模擬機具有飛行安全、訓練成本低、訓練受天氣環境影響小等特點，使其成為航空公司及航空院校培養飛行員的重要訓練設備。飛行訓練任務繁重，導致飛行模擬機中照明系統經常出現故障，影響飛行訓練。通過對模擬機照明系統新型背光照明技術進行研究，以波音737-800飛行訓練器飛行方式的選擇面板(MCP)[1-2]為基礎，設計基于Arduino的飛行模擬機新型背光系統MCP電路板，基于格拉斯曼顏色混合定律理論，按照不同比例的三基色搭配，改變整體光譜分布，改變系統色溫、色域、亮度，達到與真飛機一樣的效果。

1 模擬機照明系統概述

模擬機照明系統主要為各儀表、組件及控制面板提供背光照明功能，讓機組在黑暗環境中查看操作儀表、組件及控制面板[3]。以某模擬機制造商的波音737-800模擬機為例，其有幾十個控制面板，超過300個“米粒”微型燈泡，均采用普通白熾燈泡。由于使用頻率大及燈泡壽命有限，每3個月就要將所有燈泡更換一次。若返廠維修，每塊控制面板需400美元，而且維修時間都在半年以上，增加了很多成本。如果工程師手工更換，一般2年左右電路板覆銅焊點就已經損壞、脫落，需要更換新的電路板。每塊電路板價格在1 000美元左右，也大大增加了后期的使用成本。

2 總體設計

自然界中的絕大部分色彩都可以由紅綠藍三種基色按照一定比例的混合得到。因此，本文采用紅綠藍三基色發光二極管作為光源，以MCP為研究對象，基于顏色混合定律理論，按照不同比例的三基色搭配，使用色溫的動態調節原理，通過高性能微控制器智能調節混合光源的各個分量的電流，改變整體的光譜分布，從而改變系統色溫、色域、亮度[4-6]，達到與真飛機一致的MCP背景照明效果。

2.1 色溫動態調節原理

根據格拉斯曼顏色混合定律及國際發光照明委員會標準，假設所要表現的白光色坐標為W(xw,yw)，使用的三原色R、G、B坐標分別為R(xr,yr)，G(xg,yg)，B(xb,yb)，相應的三刺激值分別為(Xw,Yw,Zw)，(Xr,Yr,Zr)，(Xg,Yg,Zg)，(Xb,Yb,Zb)，光通量分別為(lw，lr，lg，lb)，則：

(1)

(2)

其中，X，Z只代表色度，沒有亮度，光度量只與三刺激值Y成比例，則三刺激值用亮度和色度表示為：

(3)

整理式(1)～(3)得：

(4)

通過計算得到各種色溫下R、G、B三基色LED配比不同色溫的白光時光通量的比例。色坐標只取決于紅、綠、藍三顏色的色坐標和亮度。當給出目標色色溫時，通過查表得到它的色品坐標，分別調節紅、綠、藍各自的驅動電流，得到目標色溫的白光。

2.2 設計方案

根據色溫的動態調節原理，通過調節混合光源的各個分量的能量，可改變整體的光譜分布，改變系統色溫。通過改變紅LED、綠LED、藍LED驅動電流的方式，來控制每種LED的發光亮度，調節色溫。系統的整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計款圖

系統主要分為驅動模塊、控制模塊、光學模塊。電源通過驅動模塊給光學模塊提供合適的電流，驅動LED發光。控制模塊通過PWM恒流調節電路輸出三路參考電壓來調節LED電流，調節其亮度組合，對每路驅動電路進行控制改變色溫。光學模塊完成芯片排布方式，從物理上保證不同顏色光線混合后產生均勻的照明效果。

3 硬件設計

硬件設計搭建MCP面板背光系統的電路，主要完成控制電路、驅動、光學電路、MCP照明面板設計。

3.1 控制電路

控制電路的核心是微控制，該微控制器選用的是Atmel公司的ATMEGA2560嵌入式微控制器。它具有54路數字輸入/輸出口(16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UARTs接口，Flash程序存儲器讀寫等強大的控制功能內核，具有強大的數字信號處理能力，可采用USB接口直接供電工作，扛干擾能力強[7-8]。

3.2 驅動及光學電路

驅動電路主要采用的是MOS管來提高輸出電流，通過微控制器PWM輸出來控制MOS管的輸出電流大小，控制各個通道的電流，使光學電路發出相應色溫的白光。光學電路主要采用的是3528RGB三色LED燈，該燈泡集紅、綠、藍三色為一體，根據電流大小控制各顏色通道的顯示。而驅動電流大小由每種顏色通道的壓降來決定。圖2為驅動及光學電路原理圖。

圖2 驅動及光學電路原理圖

3.3 MCP照明面板設計

737-800 MCP面板主要功能是控制主副駕駛的ND和自動飛行系統的控制面板，其開關、旋鈕多，功能繁雜，背光照明面板所需覆蓋廣，設計的照明系統原理圖如圖3所示。

圖3 MCP照明面板電路原理圖

4 軟件設計

MCP照明背光系統軟件基于AVR Studio 4集成開發環境，利用C語言開發，使用編譯器編譯成ATMEGA2560機器碼文件[7]，并下載到微控制器中，完成開發。軟件設計主要完成微控制器脈寬調制PWM輸出相關的占空比，調節三色輸出電流。根據采集色溫數值，進行數模轉換，再對轉換后的數值進行比較，計算是否需對色溫進行調整，增加或減少相應輸出電流，直到到達預設色溫值。整體軟件流程圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖

5 調試

本文所設計的基于ATMGA2560的737-800模擬機MCP面板照明系統，利用測光儀采集現有737-800模擬機背景照明系統色溫分布，通過公式計算得到R、G、B三色LED配比值，調整三色電路輸出電流控制PWM輸出占空比，使設計的MCP面板照明系統達到與真實模擬機上相似的色溫。其中，圖5為MCP面板背光照明系統測試平臺圖。

圖5 MCP面板背光照明系統測試平臺圖

通過測光儀對737-800模擬機MCP面板照明背光進行測試后發現色溫在2 200 K附近，調節設計的新照明背光系統控制色溫的PWM輸出電流，同樣使用測光儀對新照明背光面板進行測試，不斷修正控制R、G、B三色的PWM帶寬，改變三色亮度，使其色溫到達與MCP面板照明背光系統具有相同的色溫值，使其具有與現有模擬機相同的照明效果。如圖6所示。

圖6 背光照明系統暖光測試

6 結論

本文以737-800模擬機MCP面板為基礎，設計適用于737-800模擬機的新型照明背光系統，使其能準確調節各種色溫和明暗程度，成功替代現有模擬機和訓練器的照明背光系統。該照明背光技術已經可以滿足模擬機和訓練器的照明背光系統的設計需求。該技術抗干擾能力強、工作穩定，并且能夠延長模擬機照明背光系統使用壽命，降低故障率，同時也可為國內新型研制的模擬機、訓練器照明背光系統提供關鍵技術，使其具有廣泛的市場應用前景和較高的科學研究價值。