通用航空器警告系统改进的研究

2018-09-10周彬

航空维修与工程 2018年9期

周彬

摘要：对中国民航飞行学院运行的主流通用航空器的警告系统进行故障统计，分析其存在的设计缺陷，针对通用航空器特点提出了语音警告模块的可行改进方案。完成模块制作后，在PA-44-180型飞机上装机验证其功能可靠。最后简要论证了其适航性，对国内通用航空器警告系统的改进做出了初步探索。

关键词：警告系统;单片机;ISD1760;通用航空器

伴随我国低空开放政策的逐步实施，通用航空器在我国的保有量急剧增多，相应带来的航空安全压力也日渐突显。受限于制造及运营成本，通用航空器自身的安全裕度比民用航空器更低。而在相对低成本运行的前提下，对通用航空器特点的研究显得尤为重要。在严格执行厂家维护要求的基础上，针对航空器使用特点及设计缺陷，运营主体经过充分论证，可提出相应的改进方案，以提高机队的安全裕度。本文研究了通用航空器警告系统的设计缺陷及优化改进方案，可将警告信息语音化并增加其冗余度，从而提高航空器的安全性。

1通用航空器警告系统简介及缺陷分析

中国民航飞行学院拥有172R、PA44 180、TB-20、BELL206BIII、R4411以及S269C-1等多种型号的通用航空器。以中飞院的航空器资源为研究基础，对分析国内主流通用航空器警告系统具有一定普遍意义。警告系统用于向飞行员及维护人员提供机体与发动机的故障信息，其真实性、准确性、有效性直接影响飞行员对航空器状态的判断，因此其对飞行安全至关重要。按照信号的输出形式，警告系统可分为灯光警告和音响警告两类。相对于民用航空器，通用航空器的警告系统功能单一，冗余度差。除BELL206BⅢ型直升机的重要警告具有冗余度外，多数通用航空器的警告系统设计较为简单，同一种警告信息仅以一种形式出现。当飞行员处于高度紧张的状态时，极易进入“管道效应”，而忽略形式单一的警告信息。可见，多数通用航空器的警告系统设计都存在一定不足，在系统故障或其他极端情况下可能导致飞行员无法接收航空器的警告信息。而根据中飞院新津分院近十年的故障数据统计，各主流机型的警告系统故障如表1所示。可见警告系统的故障占比在1%左右。考虑到该系统对飞行安全的重要性，研究提升其可靠性的措施是十分必要的。

2改进方案探讨

本文提出一种语音警告模块的设计方案，并将其交联到现有的航空器警告系统，以提高其可靠性。该方案可解决现有警告系统冗余度不足、警告形式单一的缺陷。在改进方案的设计中，语音警告模块应作为独立功能的系统，在采集警告触发信号源、输出警告语音等方面都不干涉现有的警告方式。独立设计的语音警告模块加入飞机现有的电气系统，其可靠性和实时性是被重点关注的指标。可靠性表现在模块能在地面及空中持续稳定工作，并且不影响其他航电设备。作为提供警告信息的增强功能模块，实时性决定了飞行员能否及时得到航空器故障的语音信息。整个硬件平台可采用模块化设计思想，将所需完成的功能划分入相应的底层电路。各底层模块由MCU综合调度，可使硬件功能清晰，避免相互干涉。在模块化的硬件平台基础上，软件设计应遵循尽量简化的原则，以保证系统运行的可靠性。

3语音警告模块设计

如前文所述，中飞院运行的多数通用航空器的警告系统都可进行优化改进。本文以主训中教机PA-44-180为例，对两个重要的警告信号：起落架警告及失速警告进行改进。参考PA-44-180飞机的电气线路图，该两项重要警告信息均由蜂鸣器输出。起落架警告蜂鸣器的负端与机体相连接地，正端与后部逻辑电路相连。在出现起落架警告触发信号时，正端接通汇流条使蜂鸣器鸣响。失速警告蜂鸣器的正端与汇流条相连，负端与失速警告叶片相连。在航空器接近失速状态时，失速警告叶片抬起接通内部触点，蜂鸣器负端接地从而鸣响。改进方案设计的语音警告模块，采集起落架警告及失速警告的触发信号，经过内部逻辑判断，输出警告语音信息。模块输出端与航空器的音频板交联，实现警告信号的语音化及冗余化。

3.1语音警告模块硬件设计

硬件电路的核心功能是输出语音信号，当前可选的解决方案有两种：一是单语音芯片解决方案，二是单片机+语音芯片解决方案。第一种方案使用语音芯片ISD1760作为电路核心，通过外围电路将警告输入信号转换为语音芯片的播放触发信号，控制语音芯片输出警告语音至航空器音频系统。第二种方案以AT89S52作为电路核心，配合隔离光耦采集警告输入信号，通过内部程序判断，控制ISD1760的信号输出。两种解决方案存在各自的优缺点，如表2所示。

为保证语音警告模块的硬件平台在多个机型上的可移植性，考虑到修改软件的成本更低及可行性更高，本文决定采用单片机AT89S52+语音芯片ISD1760的设计方式。其总体结构如图1所示，按照其功能可分为：电源管理模块、警告信号输入模块、中央处理模块以及人机交互模块。

1）电源管理模块

当发电机正常工作时，PA-44-180飞机的电源系统电压为14.5V左右;当仅由机载电瓶供电时，电压为12V左右。AT89S52以及ISD1760的正常工作电压都为5V。电源管理模块的主要功能在于稳定地将航空器的电源供电转化为硬件电路所需的直流电压。嵌入式系统运行的可靠性与电源管理模块电压输出的稳定性有密切关系。本文设计的电源管理模块以稳压芯片AMS1117-5为核心。通过串联二极管将飞机的电源电压从（ 12～14.5V）降至（ 8.5～11V），满足AMS1117-5稳压芯片输入端的电压要求。AMS1117-5输入及输出端均采用并联10μF钽电容的方式进行稳压及滤波，以保证核心电路得到可靠的5V电压供应。

2）警告信号输入模块

警告信号输入模块如图2所示，选用521-2低速光耦作为电气隔离元件。光耦的输入端（发光二极管）连接航空器的14V警告触发信号，而光耦的输出端（光敏二极管）连接电源模块提供的5V电源。采用该设计后，隔绝了航空器的警告触发信号与核心电路之间的电气联系，杜绝了通过触发信号引入干擾的可能。同时该隔离电路还完成了电压转换的功能。

3）中央处理模块

中央处理模块由AT89S52和ISD1760组成。ISD1760是华邦公司的专利产品，该芯片采取了直接存储模拟信号的方式，使语音音质相对于上一代产品有较大提高。单片机AT89S52通过IO口模拟SPI总线逻辑完成对语音芯片ISD1760的控制。在录音模式下，通过Analn接口将警告语音录入ISD1760存储。在放音模式下，通过SP+和AGND接口与机载的GMA340音频板交联，将ISD1760的音频输出作为音频板的COM3输入信号，从而完成语音警告模块交联进入航空器音频系统的功能。

4）人机交互模块

人机交互模块由按键输入及LED指示输出构成。主要用于语音模块调试阶段的控制信号输入和运行状态的显示。

3.2语音警告模块软件设计

整个语音警告模块的硬件平台搭建完成后，软件的设计就直接关系系统运行的效率及可靠性。本文将软件分为调试软件和运行软件两部分。调试软件用于录制警告音频，在该软件运行状况下，AT89S52完成初始化后一直等待按键输入信号。当检测到K0或K1按键信号后，通过SPI串口，发送录音指令至ISD1760，将Analn接口的音频（起落架警告语音或失速警告语音）分别录入到地址为0x010——0x0FF或0x100——0x1EF的存储空间内。Analn接口的音频输入信号由PC机的耳机插口提供。调试软件的流程如图3所示。

在完成ISD1760的录音后，调试软件即失去意义。联机擦除调试软件，重新下载运行软件至AT89S52后，语音警告模块即可装机使用。对应于底层硬件的模块化设计，运行软件的底层驱动也分为：LED指示模块、警告信号采集模块和语音播放功能模块。系统核心在多个状态之间转换，其转换触发信号可能为警告触发、外界干扰、程序逻辑。在各状态运行过程中，通过调用底层驱动程序，操控硬件完成相应的功能。运行软件的流程如图4所示。

AT89S52负责整个系统的逻辑运算，不断循环检测警告信号输入模块的信号。当航空器出现相应警告时，调用底层函数播放ISD1760指定地址段的语音音频至GMA340。之后继续检测警告输入信号，当警告信号未消失时，中央处理模块将一直循环播放警告语音。同时为避免外部电气干扰对处理器的影响，AT89S52打开了内部硬件看门狗。一旦出现程序“跑飞”的情况，看门狗将自动重启AT89S52，在初始化程序的控制下，完成对整个系统的复位。该功能极大地提高了系统面对故障的自恢复能力。

4适航性论证

4.1安装位置与重量平衡分析

考虑到装机后的抗干扰性，本文将语音警告系统电路安装于一个8cm×10cm的铝盒内。在充分考虑PA-44-180型飞机已有机载设备安装位置的基础上，同时兼顾后期使用中的维护，最终决定将其安装于尾部电气设备舱（SAT160，WS16）处，电气设备安装平台上。完成语音警告系统的加装后，根据飞行手册第六章，需要对飞机纵向重心进行修订。其对重心参数的影响如表3所示。完成加装后，依据该表修订相应飞机的重心数据并核对其是否在包络线范围内。

4.2结构强度分析

安装语音警告模块时需要在尾舱的平台上加工4个安装孔。为保证安装结构能够对加装的部件提供足够的约束，需要对飞机的原有结构和加装部件强度进行验证。参考中飞院已完成的多项加装工作及《GDL90 Installation Manual》，可采用静力实验的方式对加装位置的强度进行验证。固定翼飞机的静力实验载荷系数如表4所示。

静力实验的完成方式可参考图5进行，采用经过校验的弹簧秤对各向施加相应的力，3秒钟内应不产生损伤和永久变形。

4.3电气负载分析

完成语音警告模块设计后，经过实测其在待机状态下的所需电流为30mA，在放音状态下所需电流为80mA。可在仪表板上加装1A断路器作为其供电保护。按照极限工作状态，完成加装工作后，飞机电源系统增加的负载仅为80mA。相对于PA-44-180飞机两个发电机120A的电流输出能力，其增加的负载可忽略不计。

5总结

首先统计了中飞院运行的主流通用航空器警告系统故障情况。分析现有通用航空器该系统存在的设计缺陷，并提出改进方案。以PA-44-180飞机为例，设计了兼容原飞机系统的语音警告模块。该改进方式能极大提高通用航空器重要警告的冗余度和可靠性。在完成设计的基础上，本文简单論证了其装机的适航性。该语音警告模块具有很强的可移植性，通过修改警告信号输入电路及上层应用程序，即可兼容多种机型的警告系统。本文论述的观点可作为通用航空器警告系统语音化及冗余化的初步探索，为实际装机使用完成了主要的基础性工作。

参考文献

[1]侯昭武.电视故障语音提示和远程监控系统设计[J].电视技术，2011（19）：119-122.

[2]吴学中，蔡明星，吴学文.基于AT89S52和ISD1760的水闸语音报警系统设计[J].电子设计工程，2011（7）：131133.

[3]熊杰.基于C8051F020的智能红外报警系统设计[J].黄冈师范学院学报，2014（3）：47-49.

[4]刘恩华，徐科明.基于ISD1700SPI协议模式的语音报警系统[J].电子测试，2009 （10）：69-72.

[5]邓坚，熊瑞庭，全书海.基于ISD1760的智能电梯语音报站系统[J].中国水运，2009（2）：120-121.

[6]李佳旭，丁鹏飞.基于ISD1760的智能语音计费显示系统设计[J].电子元器件应用，2010（6）：20-23.

[7]李守奎，梁纪袖，刘蕾.基于ISD1760数字存储式自动应答录音系统的设计[J].科学之友，2011（11）：67.

[8]卜晓霞，富坤，耿恒山.智能控制的电梯语音播报装置的设计与实现[J].现代计算机，2012 （9）：71-74.

[9]吕守向.自动播报语音电路的实现[J].泰山学院学报，2017 （11）：92-96.

[10]李朝青.单片机原理及其接口技术[M].北京航空航天大学出版社，2015.

[11]李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社，2001.