機(jī)場(chǎng)助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史經(jīng)倫 翁誠(chéng) 李凱濤 趙慶濤

摘 ?要：機(jī)場(chǎng)的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)需要保持不間斷運(yùn)行狀態(tài)，給助航燈光開(kāi)關(guān)燈訓(xùn)練工作帶來(lái)了一定困難，通過(guò)此文設(shè)計(jì)的助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以不受時(shí)間限制地進(jìn)行助航燈光開(kāi)關(guān)燈模擬訓(xùn)練，并且在操作后能夠在機(jī)場(chǎng)構(gòu)型圖上形象看到操作后的助航燈光開(kāi)燈情況，解決了因外場(chǎng)助航燈光回路多、燈具種類(lèi)繁雜和數(shù)量多造成的培訓(xùn)困境，極大提高了訓(xùn)練效率和效果。

關(guān)鍵詞：助航燈光回路;燈光監(jiān)控系統(tǒng);開(kāi)關(guān)燈;模擬訓(xùn)練

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）12-0159-03

Abstract： The navaid lighting monitoring system of the airport needs to maintain uninterrupted operation， which brings some difficulties to the training of navaid lighting switching. Through the navaid lighting monitoring operation simulation training system designed in this paper， the simulation training of the navaid lighting switching can be carried out without time limit. After the operation， you can visually see the turning on of the navaid light on the airport configuration diagram， which solves the training dilemma caused by many external navaid lighting return circuits， complex types and large quantity of lamps， and greatly improves the training efficiency and effect.

Keywords： navaid lighting return circuit; lighting monitoring system; light switching; simulation training

0 ?引 ?言

機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)是保障航空器在夜間、低能見(jiàn)度或者其他復(fù)雜天氣條件下，進(jìn)行正常的起飛、著陸、滑行的必要目視助航設(shè)備，被譽(yù)為飛機(jī)的“眼睛”。助航燈光系統(tǒng)的安全運(yùn)行與飛機(jī)的安全緊密相關(guān)。飛行區(qū)內(nèi)有跑道中線燈、跑道邊燈、滑行道中線燈、滑行道邊燈、進(jìn)近燈、順序閃光燈、入口燈和坡度燈等二十多種燈具。隨著各機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程的不斷推進(jìn)，外場(chǎng)跑道和滑行道構(gòu)型發(fā)生了較大改變，助航燈光外場(chǎng)回路也隨之發(fā)生了變化。對(duì)于助航燈光監(jiān)控崗位來(lái)說(shuō)，每條燈光回路對(duì)于飛行安全來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要，在開(kāi)關(guān)燈操作中，必須嚴(yán)格遵從塔臺(tái)指令，并按照操作流程進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈操作，如果出現(xiàn)任意一條回路開(kāi)關(guān)燈錯(cuò)誤，都有可能危及航空安全，所以助航燈光的開(kāi)關(guān)燈訓(xùn)練一直是燈光監(jiān)控崗位的重要培訓(xùn)、考核內(nèi)容。

近年來(lái)，隨著航班量的不斷增加，各機(jī)場(chǎng)的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)需要保持不間斷運(yùn)行狀態(tài)，日常的助航燈光開(kāi)關(guān)燈訓(xùn)練工作只能在燈光光級(jí)切換時(shí)或者夜晚航班間隔期間進(jìn)行。

本設(shè)計(jì)基于行業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一款適用于各機(jī)場(chǎng)的助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)，燈光監(jiān)控人員能夠在上位機(jī)上模擬日常開(kāi)關(guān)燈操作，獲得和實(shí)際的助航燈光操作系統(tǒng)上同樣的操作體驗(yàn)，并在機(jī)場(chǎng)構(gòu)型圖上實(shí)時(shí)查看操作后的開(kāi)關(guān)燈情況，能夠在任意時(shí)刻進(jìn)行培訓(xùn)和考核，同時(shí)，通過(guò)對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)燈操作流程的模擬，對(duì)于優(yōu)化操作流程和提高訓(xùn)練效率具有積極作用。目前，系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)完畢，并在鄭州新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)得到了實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)可以有效提高助航燈光監(jiān)控崗位的訓(xùn)練效率，尤其在對(duì)新員工的培訓(xùn)方面，可以做到快速入手，并且具有較強(qiáng)的兼容性和可復(fù)制性。

1 ?助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)簡(jiǎn)介

助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由電腦主機(jī)、STM32單片機(jī)、32路繼電器模塊及LED燈具模型沙盤(pán)構(gòu)成。其中LED燈具模型沙盤(pán)是根據(jù)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)助航燈光實(shí)際的分布情況，采用相應(yīng)顏色的LED燈鑲嵌在機(jī)場(chǎng)構(gòu)型圖進(jìn)行布置的，能夠模擬外場(chǎng)燈光的實(shí)際開(kāi)關(guān)燈情況。上位機(jī)采用LabVIEW可視化編譯環(huán)境，模擬正在使用的燈光監(jiān)控系統(tǒng)界面編寫(xiě)，能夠獲得同樣的操作體驗(yàn);通訊模塊采用RS232串口通信方式;控制模塊采用STM32嵌入式單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能。

由上位機(jī)發(fā)出開(kāi)關(guān)燈指令，通過(guò)串口通信傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后控制繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具沙盤(pán)上各燈光回路的控制，由于采用和實(shí)際應(yīng)用的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)同樣的操作方式，通過(guò)這一模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的使用，達(dá)到訓(xùn)練和考核目的，系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?整體硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件主要由STM32單片機(jī)、繼電器組電路和燈具沙盤(pán)電路組成。本系統(tǒng)的核心器件是STM32單片機(jī)，STM32系列單片機(jī)是專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex?-M0、M0+、M3、M4和M7內(nèi)核，在本設(shè)計(jì)中的承擔(dān)是是采集和處理上位機(jī)發(fā)送的串口指令的作用，采用串行全雙工通信方式，將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳輸，其特點(diǎn)是傳輸線少，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)成本低。單片機(jī)將操作員在上位機(jī)界面上的操作轉(zhuǎn)變?yōu)槔^電器組的開(kāi)合操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各燈光回路的控制。系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

2.2 ?繼電器組電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，繼電器組電路設(shè)計(jì)采用32路繼電器，輸出端分別是跑道和滑行道上的中線燈、邊燈、進(jìn)近燈等組成的32條燈光回路，上位機(jī)發(fā)出的控制指令最終由繼電器模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.3 ?燈具沙盤(pán)電路設(shè)計(jì)

燈具沙盤(pán)的電路設(shè)計(jì)主要是各個(gè)燈光回路的設(shè)計(jì)，包含跑道中線燈、跑道邊燈、跑道入口燈、末端燈、警戒燈、禁止進(jìn)入燈、坡度燈、滑行道邊燈、滑行道中心燈等。鄭州機(jī)場(chǎng)有兩條跑道，南跑道尺寸為3 400×45 m，北跑道尺寸為3 600×60 m，共分布有1萬(wàn)多盞助航燈具，燈具沙盤(pán)電路設(shè)計(jì)根據(jù)鄭州機(jī)場(chǎng)外場(chǎng)燈具實(shí)際情況進(jìn)行燈具模擬布置，采用集中供電，將32路繼電器串進(jìn)各燈光回路中，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光回路的控制。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)軟件部分包含兩個(gè)部分，一個(gè)是上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，另一個(gè)是STM32單片機(jī)的軟件程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序采用LabVIEW可視化的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，STM32單片機(jī)軟件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，上位機(jī)根據(jù)操作者的指令發(fā)送串口數(shù)據(jù)到單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別后控制不同的I/O口輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)不同的繼電器控制輸出，達(dá)到控制相應(yīng)的燈光回路開(kāi)關(guān)的目的。

3.2 ?LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW上位機(jī)程序使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，以框圖的形式產(chǎn)生執(zhí)行程序。

依托不同控件，用戶(hù)可以很容易創(chuàng)建界面。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制，能夠極大節(jié)約編程時(shí)間，提高效率，本上位機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)的是控制輸出功能，由各個(gè)燈光回路的控制按鍵組成，包含光級(jí)的增加和減小按鍵，光級(jí)顯示框，根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)助航燈光運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》，光級(jí)顯示控制在0-5級(jí)，根據(jù)命令光級(jí)的大小可以輸出相對(duì)應(yīng)的電流，用于燈光強(qiáng)度的控制。其界面如圖3所示。

3.3 ?STM32單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)的軟件程序設(shè)計(jì)，利用STM32庫(kù)函數(shù)操作控制，相較于使用寄存器進(jìn)行編程，庫(kù)函數(shù)會(huì)導(dǎo)致代碼量增大，影響程序運(yùn)行速度，但是STM32f103系列單片機(jī)程序空間足夠大，并且每一個(gè)系列里面都有pin-to-pin的型號(hào)可以互換，如果程序空間不夠，直接替換另一個(gè)程序空間更大的兼容引腳，程序直接移植過(guò)來(lái)，幾乎不用修改。本設(shè)計(jì)使用KEIL編譯環(huán)境，其兼容STM32系列單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，容易維護(hù)，編程效率高。使用C語(yǔ)言編程，配合KEIL系統(tǒng)的方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具，可以極大提高軟件編程效率。其主函數(shù)程序?yàn)椋?/p>

int main（void）

{

u8 t;

void jidianqi（）;

u8 len;

u16 times=0;

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）; //設(shè)置系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)分組2

delay_init（168）; //延時(shí)初始化

uart_init（115200）; //串口初始化波特率為115200

LED_Init（）; //初始化與LED連接的硬件接口

while（1）

{

if（USART_RX_STA&0x8000）

{

len=USART_RX_STA&0x3fff;//得到此次接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

printf（"＼r＼n您發(fā)送的消息為：＼r＼n"）;

for（t=0;t<len;t++）

{

USART_SendData（USART1， USART_RX_BUF[t]）; //向串口1發(fā)送數(shù)據(jù)

while（USART_GetFlagStatus（USART1， USART_FLAG_TC）！=SET）;

jidianqi（）;//繼電器執(zhí)行

}

printf（"＼r＼n＼r＼n"）;//插入換行

USART_RX_STA=0;

}else

{

times++;

if（times%200==0）printf（"請(qǐng)輸入數(shù)據(jù)，以回車(chē)鍵結(jié)束＼r＼n"）;

delay_ms（10）;

}

}

}

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化，包含串口初始化和單片機(jī)初始化。操作員每進(jìn)行一個(gè)操作，上位機(jī)都會(huì)發(fā)出一個(gè)串口指令到單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)串口模塊接收到的串口數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，控制相應(yīng)I/O端口拉低或拉高，控制相應(yīng)的繼電器閉合或斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)32條燈光回路的控制。

4 ?結(jié) ?論

該助航燈光開(kāi)關(guān)燈模擬訓(xùn)練采用成熟的控制技術(shù)，創(chuàng)新性地把LabVIEW和STM32單片機(jī)結(jié)合起來(lái)，LabVIEW發(fā)出的指令通過(guò)串口通信發(fā)送到單片機(jī)控制器，單片機(jī)識(shí)別指令后進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，采用可視化的研發(fā)理念，將以前燈光監(jiān)控崗位單純的開(kāi)關(guān)燈操作，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢栽趯?shí)物上查看操作后的開(kāi)關(guān)燈結(jié)果，大大提高訓(xùn)練效果。在實(shí)際培訓(xùn)中，通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以不受時(shí)間的限制進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練，在訓(xùn)練中，嚴(yán)格遵循開(kāi)關(guān)燈流程中細(xì)分的7個(gè)步驟（接聽(tīng)、復(fù)述、記錄、確認(rèn)、操作、巡視和回復(fù)），更加容易養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，降低安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，現(xiàn)已經(jīng)在鄭州機(jī)場(chǎng)燈光監(jiān)控班組使用，對(duì)于助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練和考核起到了積極作用。

本設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的可移植性，在各機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建過(guò)程中，飛行區(qū)構(gòu)型會(huì)發(fā)生改變，只需要改變上位機(jī)界面上的燈光回路路徑，并制作相應(yīng)的助航燈光沙盤(pán)模型，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。具有較大的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：史經(jīng)倫（1992—），男，漢族，河南周口人，職員，碩士研究生，研究方向：機(jī)場(chǎng)目視助航燈光。