基于单片机的飞行模拟控制板开发与应用研究

2015-12-14张倞宾

山东工业技术 2015年1期

张倞宾

（西安市航天中学,西安 710100）

1 引言

模拟飞行是依托计算机硬件和软件技术，应用互联网、局域网环境，进行近似于真实的真飞机的仿真飞行操作技术的运动。高度仿真和互动性强是模拟飞行最显著的特点。模拟飞行和真实飞行的基础训练具有融通性，是进行真实飞行基础训练的最好途径；同时随着无人机技术的进步，大量不同用途的无人飞机开始在军事、搜救、探测等领域广泛使用，而无人机控制系统与飞行模拟系统具有高度的相似性，可以直接使用模拟飞行系统对无人机控制人员进行培训。

随着计算机技术的进步，目前台式计算机的性能足以跟当初的大中型机媲美，使得开发低成本模拟系统成为可能，《微软模拟飞行》和《X飞机》等飞行模拟软件经过不断的发展，可用于飞行训练的辅助工具，成为众多专业和业余飞行员的桌面必备软件。硬件和软件两方面的成熟，使飞行模拟可以进入学校或家庭，引导更多的青少年投身航空事业，普及航空知识，为国家储备更多的航空人才。

由于飞行运动本身的复杂性和专业性，飞行模拟在我国仍是小众运动，相关的专业显示、控制设备种类少、价格高昂，阻碍了飞行模拟运动的推广和普及。基于单片机，开发了飞行模拟控制板，将开关信号、电位信号等通过USB接口输入计算机设备，通过键位映射软件转化为飞行模拟软件可以识别的键位信号，将飞行模拟软件与控制板设备硬件对接，将飞行模拟设备座舱化，大大提高了飞行模拟体验和真实性，具有成本低、模拟效果好等特点。

2 飞行模拟控制板的硬件组成和制作

飞行模拟控制板的硬件部分主要由面板、按钮、电位器、航空插头、单片机等部分组成。

面板采用不锈钢板或亚克力板制作，主要作用是支撑和安装各个按钮、电位器、单片机及插头等硬件设备。面板长度50cm，宽度16cm，模仿小型飞机的控制面板形状，增加外观真实性。根据按钮类型将面板分为几个区域，分别用于安装各类开关、单片机、电位器和插头等。如图1所示为飞行模拟控制面板设计图。

按钮主要包括选择开关、扭子开关和自锁开关，均为常见的工业按钮，也是真实飞机座舱内最常见的按钮形式。图2、图3所示为安装按钮后的飞行模拟控制板模型图。

飞行模拟控制面板采用基于单片机控制，为一种常见的高性能、低功耗位处理器，可运行131条指令，内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的微控制器最高至10 倍的数据吞吐率，成为一个功能强大的单片机，为应用提供了灵活而低成本的解决方案。

将芯片与USB接口、电阻、电容等元件固定在电路板上，并写入控制程序，实现按钮开关量及电位信号输入。图4所示为飞行模拟控制面板的控制单片机，单片机输入接头采用标准2.54mm间距插针，可使用杜邦线快速连接和测试。图5为单片机输入接口定义，该飞行模拟控制面板可实现32路开关信号及8路电位信号的输入和识别。

飞行模拟控制面板安装有18个开关（每个选择开关相当于两个开关）和一个电位器，通过航空插头将剩余的通道引出，以便连接其他扩展输入设备，如油门、脚舵等。图6为接线后的飞行模拟控制面板。

3 飞行模拟控制板的调试

3.1 硬件调试

硬件调试主要是对单片机控制回路及外围电路进行调试，单片机控制回路的调试主要涉及芯片的测试、各个开关及电位器的导通等。调试方法是在电路输入端加上标准电压，然后通过万用表观测电路中特定点处的电压值是否正确。

3.2 软件调试

本次软件设计采用了专门用于开发单片机和微处理器系统软件及应用软件的高级语言软件。调试主要涉及对编写的程序所进行的编译工作，通过软件调试成功。

4 飞行模拟控制板的安装和使用

飞行模拟控制板制作完成后，使用卡箍将面板固定支架与飞行模拟设备连接固定。如图7所示，将模拟控制板安装在显示器正下方，形成模拟座舱效果。固定后使用USB信号线将单片机输出USB接口与计算机USB接口对接。在Windows系统环境下，计算机能够自动识别飞行模拟控制板硬件设备，可以在控制器界面对飞行模拟控制板进行测试和校准。

飞行模拟控制板的输入的连续信号，通过键位映射软件转变为键盘上某个键位或组合键的单次脉冲信号，从而实现飞行模拟控制板开关动作对飞行模拟软件相应功能，如起落架收/放、航行灯开启/关闭、发动机启动/关闭、武器切换/投射、电子设备开关等功能的控制，大幅提高了飞行模拟的真实感。