飞行模拟器实装仪表系统仿真设计∗

（海军航空大学教练机模拟训练中心 葫芦岛 125001）

1 引言

作为飞机与飞行员之间信息的传递纽带，座舱仪表在飞行模拟训练中起着至关重要的作用，飞行员需要通过仪表来掌握飞机的姿态、发动机工作状态、飞机飞行环境等重要参数的变化。飞行模拟训练器座舱仪表实现方式为两种，一种是实装仪表进行改装，另外一种是利用虚拟现实技术制作出图形仪表进行仿真。为了达到比较逼真的显示效果，目前座舱仪表基本都采用实装改制和图形仪表相结合的方式。本文设计的实装仪表系统已成功地应用在某型飞机飞行训练模拟器上，空速表、地平仪、升降速度表、气压高度表、转弯侧滑仪、发动机三用表采用图形仪表，进气压力表、无线电罗盘、磁罗盘、发动机转速表、冷气压力表、气缸温度表、进气温度表、油量表、电流电压表采用飞机真实仪表改制。

2 通信协议及接口

通讯方式采用RS-422双工串行数据总线、波特率115200Kbps、8位数据位、1位起始位、1位停止位，无奇偶校验。采用触发应答方式。

2.1 数据通讯协议

数据通讯协议设计思路：

1）上位机发给设备的数据包格式为55 AA ID C0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 5A，共13个字节，其中ID为设备的编号，当设备检测到ID号和本机ID号一致时对命令进行解析和响应。ID为0xF5表示通用ID号，下位机检测到ID为0xF5时对命令进行解析，设置此ID的目的是为了查询本机ID号。

其中C0为命令字，含义如表1所示。

表1 发送数据格式

2）设备发给上位机的数据包格式为AA 55 ID C0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A5，共13个字节，任何情况下，当设备的开关、按钮或旋钮等输入设备状态发生改变后（或设备在收到有效的查询命令后），设备向外发送面板状态数据包。数据包数据格式如表2。

表2 接收数据格式

2.2 外部接口设计

电源及通信接口：电器接口使用航空插座各引脚定义如表3所示。电源接口（航空插座）：工作电源DC24V。

表3 航插接口定义

DB9引脚定义如表4所示。

表4 DB9接口定义

3 组成及工作原理

3.1 实装仪表模拟原理

主仿真计算机通过接口送出模拟量到驱动板，由驱动板上单片机根据主仿真计算机模拟量大小、变化率等，转换成对应的频率和脉冲，通过驱动、放大，控制相应的电流、电压或驱动伺服电机运动，其中，汽缸头温度表、进气温度表、伏安表，根据各表的驱动需求，为其提供相应的驱动电流、电压。进气压力表、转速表、油量表利用伺服电机或步进电机控制，工作原理如图1所示。

图1 伺服电机工作原理图

3.2 实装仪表系统组成

实装仪表通过RS422总线连接到主控计算机，驱动电路中的单片机接收主控计算机送来的指示数据，处理后驱动该仪表指示。其主要由指示器、连动机构（减速齿轮）、步进电机、单片机驱动电路以及连接电缆组成。其组成及与系统连接框图如图2所示。

图2 应急地平表组成及与系统连接

3.3 驱动电路结构及组成

实装仪表为单片机控制的步进电机驱动仪表。驱动电路包括电机控制模块、电机驱动模块和接口电源模块。

3.3.1 电路原理

考虑到实装仪表结构的复杂性，电路设计如图3、图4所示。

图3 驱动电路结构电路图

图4 数据采集电路

3.3.2 控制模块设计

控制模块主要是一只基于CAN总线的步进电机控制器，用于控制步进电机等。选择CAN总线是因为在目前常用的工业现场总线中，CAN总线具有实时性好、抗干扰性和可靠性高、机制灵活和易于扩充等优点。

控制模块的硬件设计主要是指节点微处理器与CAN总线通信控制器之间的接口电路、CAN总线通信控制器与收发器之间的接口电路以及微处理器与步进电机驱动器之间的接口电路设计。单片机首先通过CAN收发器接收飞行模拟器主控系统发出的控制信号，计算出步进电机所需动作的脉冲数，然后控制步进电机进行动作，使仪表指示出当前的俯仰、倾斜及告警旗状态。控制模块所采用的CAN收发器为PCA82C250，模块控制器采用80C51单片机，总线控制器为SJA1000。

步进电机的选择有两种，其中，单针仪表所选的电机旋转一周需要200步，多针仪表所选电机旋转一周需要400步，驱动电路设计为16细分模式，即表针旋转一周应产生3200或6400个脉冲。

图5 控制模块程序流程图

控制模块的软件设计包括四部分内容：系统初始化、数据接收、数据采集和步进电机控制。流程图如图5所示。

4 结语

在仪表仿真系统的设计过程中，尽可能运用实装仪表进行模拟，达到最有效的逼真效果。但改装实装仪表驱动控制电路复杂、开发周期长、价格高。本文在对仪表原理及结构具体分析研究的基础上，以某型飞机飞行模拟器为例，把进气压力表、无线电罗盘、磁罗盘、发动机转速表、冷气压力表、气缸温度表、进气温度表、油量表、电流电压表采用飞机真实仪表改制，完成接口电路，驱动电路和控制模块各模块的设计，使实装仪表的虚拟参数显示达到了真实飞机性能指标的要求。