波音737-NG模拟机双指针指示器设计

肖志坚

(中国民用航空飞行学院模拟机训练中心，四川 广汉 618307)

0 引言

指示器是飞行员的眼睛，在气象情况复杂时尤为重要。目前，飞行模拟机指示器大都为飞机真表，价格昂贵［1-2］。国内对单指针航空指示器的研究尚少，且双指针指示器的技术难点多［3］。为此，模拟机双指针仿真指示器研究项目逐渐成型，其目的是研制一种全新的模拟机双指针仿真指示器。由于该指示器采用数字信号处理器和高性能微型步进电机，其功能与现有全任务飞行训练模拟机(full flight simulator，FFS)［4］和固定飞行练习器(flight training device，FTD)［5］上使用的指针式真飞机指示器功能相当，但价格低廉、工作稳定、安装简易。

本文设计制作了波音737-NG双指针仿真襟翼指示器，其功能与现有真飞机双指针指示器系统功能一致。双指针仿真襟翼指示器的成功研制，可为国内飞行员模拟机培训机构或国内模拟机生产厂家研制新型飞行模拟机提供功能完备、价格低廉的模拟机双指针指示器，也可为现有技术落后的飞行模拟机或固定飞行练习器升级改造提供强有力的技术支持。

1 真飞机指示器原理

通过对波音737-NG全任务飞行模拟机中襟翼飞机真表的详细研究可以发现，该指示器具有接近360°的指针旋转指示范围或能力;通过对其内部驱动工作原理的详细分析，发现该双指针指示器采用伺服电机驱动［6］。波音737-NG全任务飞行模拟机中真飞机襟翼指示器的工作原理图如图1所示。

图1 指示器原理图Fig.1 Schematic of the indicator

指示器由±15 V提供电源。当计算机发出指示器转动的信号指令后，放大器将信号放大，然后驱动伺服电机，电机再带动指示器双指针偏转。

为满足模拟机接口系统的相关要求，设计的模拟机双指针襟翼仿真指示器核心采用与传统双指针指示器系统模拟电路驱动［7］、补偿完全不同的设计。指示器采用高性能数字信号处理器dsPIC30F3014来实现多种模拟机输入信号的采集和处理，经过处理器计算后再驱动步进电机，电机再带动双指针指示。该技术数字化程度高，具有数字系统抗干扰能力强和工作稳定的特点，外部扩展电路的电阻、电容器件较少，系统故障机率也大大降低。设计时考虑到指示器机心作为双指针执行部件或机构，为提高其工作可靠程度、降低制造难度，取消了齿轮传动机构;同时，该指示器应具备快速360°旋转能力和一定的转动力矩，所以采用技术成熟的1024步微型步进电机。飞行模拟机双指针仿真指示器工作模块框图如图2所示。

图2 仿真指示器工作框图Fig.2 Work block diagram of emulated indicator

在指示器上电后，数字信号处理器dsPIC30F3014对整个系统进行自检，自检通过后，数字信号处理器自动驱动步进电机顺时针转动到指示器表盘零刻度，然后对内部位置寄存器清零。当模拟机飞行程序运行后，通过接口电路驱动双指针指示器的模拟信号经过数字信号处理器内高速A/D采集，送入数字信号处理器内的数据单元;数字信号处理器内部固化程序将按照驱动信号的种类(两相正交信号、双路模拟信号)选择合适的处理程序;程序处理计算得出步进电机应该前进或后退的步数，再驱动步进电机运动到指示位置。数字信号处理器不断重复执行上述过程，完成双指针指示器的实时指示。对于新型飞行模拟机，可以采用RS-232或RS-485或其他串行总线直接将数据发送给数字信号处理器，由处理器进行处理。此时该数字信号处理器利用串行总线双向传输的特性，将指示器工作状态(特别是指示器工作异常或报警信息)反馈给飞行模拟机工作状态检测程序，从而为模拟机维护提供参考信息。该特点在以往的任何类型的国外飞行模拟机中都尚未采用，且对快速诊断指示器故障很有帮助，更具有新意。

2 指示器驱动电路设计

在具体设计上，电路设计采用Altium Designer 6辅助设计［8］，设计的电路采用计算机进行模拟仿真和调试运行［9］。在元件选择上，将使用贴片元件，力求电路小型化、标准化。

模拟机双指针襟翼仿真指示器核心采用的是Microchip公司的 dsPIC30F3014数字信号处理器［10］，选用该芯片的44脚TQFP封装。电机驱动采用一款专为驱动微型双路步进电机而设计的CMOS集成电路芯片VID6608，该驱动芯片可同时驱动两路电机，这就可以同时驱动双指针指示器。dsPIC30F3014的I/O引脚接驱动芯片的频率控制端输入脉冲序列F(scx)，并由dsPIC30F3014输出信号控制频率。dsPIC30F3014的I/O引脚输出信号控制电机的转动方向;输出端控制步进电机的输出轴微步转动。每个脉冲对应电机输出轴转动(1/12)°，最大角速度可达 600°/s。

3 软件设计

模拟机双指针襟翼仿真指示器的软件设计主要是对dsPIC30F3014数字信号处理器进行内置固件(软件)设计［11］。其软件工作流程如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Flowchart of software

当飞行模拟机上电工作时，模拟机双指针襟翼仿真指示器开始工作。指示器开始上电自检，系统初始化后指示器双指针同时回零。此时，数字信号处理器进行信号采集和模数转换;对转换后的数值进行比较，并计算电机转动的步进数;设定电机转动的方向，再驱动电机转动，每转动一步，步进数减1，直到步进数为0，电机停止运动，双指针稳定下来。当采集到的信号发生变化时，电机又开始转动。这样不停地循环工作，双指针就可以随时指示到正确的位置。这就是内置固件的工作原理。

数字信号处理器的固件代码使用MPLAB IDE V8.53集成开发环境，采用C语言进行开发，并使用C32编译器编译。开发时，C语音代码通过MPLAB调用C32编译器，编译生成HEX后缀名的dsPIC30F3014机器码文件［12-13］。

4 测试结果

将设计好的双指针指示器接入波音737-NG飞行模拟机进行测试，测试结果与预期相同，指示重复性好、指示器指针转动平滑，无跳动现象。测试结果表明，波音737-NG模拟机双指针襟翼仿真指示器满足波音737-NG襟翼指示器的设计需求，其能成功地替代现有模拟机用真飞机襟翼指示器的工作。从而成功完成对波音737-NG模拟机双指针襟翼仿真指示器的设计研究。

波音737-NG模拟机双指针襟翼仿真指示器主要特点如下:①指示器结构简单，价格相对于进口模拟机指示器较低廉;②采用高性能步进电机，精度较高;③采用数字信号处理器，采样精度高，工作稳定可靠，抗干扰能力强;④可以满足不同飞机模拟机、飞行练习器的需求;⑤即插即用，不用担心指示器烧毁;⑥提供自检和回零功能;⑦指针转动平滑，无跳动现象。

5 结束语

分析了波音737-NG飞行模拟机双指针仿真指示器设计的意义，并对波音737-NG模拟机双指针襟翼仿真指示器原理进行了详细的分析;制作了适用于波音737-NG模拟机的双指针襟翼仿真指示器，试验效果符合预期设想。由于采用了高性能数字信号处理器和高精度微型步进电机，该指示器工作稳定、价格便宜。该项目研究成果可替代国外引进的飞行练习器、飞行模拟机的双指针指示器，也可为旧的飞行模拟机升级改造提供相应的技术支持。该双指针指示器适用范围广，有着广泛的应用前景。

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