飞机导光板照明亮度自动调节系统设计

曾庆兵 冉 剑 徐 捷

(上海航空电器有限公司，上海 201101)

1 引言

导光板是一种有机玻璃板，表面涂有漫反射的涂层，光源嵌在有机玻璃板内，通过光线在有机玻璃内传递并照明导光板上的标记。导光板安装在驾驶舱控制板上，导光板不通电时，导光板上标记呈白色;导光板通电时，导光板上标记显示所要求的颜色［1～3］。现代全天候飞机，要求在昼间、夜间等条件下都能飞行或作战。为满足飞行员观察驾驶舱内信息显示设备的需要，驾驶舱照明系统应提供恰当的照明，保证飞行员看得见、看得清驾驶舱内信息显示设备上信息，且不易疲劳。导光板照明作为驾驶舱照明系统的一部分，要求无论白天还是黑夜，导光板上标记都应清晰可见，将驾驶舱控制板上信息准确显示给飞行员［4～6］。

导光板照明亮度调节主要指在黄昏、黎明时分，此时驾驶舱外环境光由亮渐渐变暗，为保持驾驶舱内照明环境舒适，需开启导光板照明，且随着驾驶舱外环境光的变化，导光板照明亮度应相应调节。现有的导光板照明亮度手动调节方式在环境光变化时，由飞行员旋转亮度控制盒上旋钮，调节出当前环境光下的导光板照明亮度。但该调节方式需要人工参与，且若驾驶舱较大，照明区域较多，则需调节多个亮度调节旋钮方能完成对整个驾驶舱的亮度调节，这会影响飞行效率，加重飞行负担［7］。

针对导光板照明亮度手动调节方式的不足，以及现代飞机对驾驶舱照明舒适性要求的提高，本文提出一种飞机导光板照明亮度自动调节系统，本亮度调节系统以光照传感器检测驾驶舱内环境光变化，根据导光板亮度控制模型确定当前环境光下导光板亮度值，然后利用基于PWM调光的分布式总线方式控制驾驶舱导光板亮度，实现驾驶舱导光板照明亮度的自动调节。

2 导光板照明亮度自动调节原理

亮度为在给定方向单位投影面上单位立体角内发射和反射的光通量。导光板亮度是对导光板发光强度的量度。导光板亮度与导光板中光源的亮度、透光材料的导光性能、表面涂覆材料的透光率和环境光强等相关。

韦伯－费希纳定律给出了人眼受到某些刺激时，人眼主观亮度与光源亮度之间的关系。人眼的主观亮度不仅与导光板光源的辐射光功率、波长有关，还与周围环境和光源的明亮对比度有关。主观亮度F与光源亮度B的对数成正比，见式 (1)。

其中K0和K是与周围环境亮度有关的常数。不同亮度B时，人眼能察觉的最小光源亮度变化ΔBmin取决于相对亮度变化。人眼可察觉的最小相对亮度变化ΔBmin/B称为对比灵敏度阈，以δ表示，其值通常在0.005～0.05之间［8］。

导光板照明亮度自动调节时，通过光照传感器检测到环境光照度后，根据导光板亮度控制模型确定当前环境光照度下导光板亮度值。导光板亮度控制模型定义了驾驶舱内环境光照度和导光板亮度对应关系，该亮度控制模型由视觉工效试验建立。视觉工效试验时模拟太阳光源产生不同照度的环境光，在某一环境光照度下，由飞行员判读导光板上视标，若观看舒适，则认为当前导光板亮度为舒适亮度，否则，旋转导光板亮度调节旋钮，调节出舒适亮度。根据环境光照度和导光板亮度对应关系可建立导光板亮度控制模型，视觉工效试验示意图如图1所示。

图1 视觉工效试验示意图Fig.1 The sketch of visual ergonomics experiments

3 亮度自动调节系统设计

导光板照明亮度自动调节系统包括环境光照度检测单元、亮度调节控制单元、亮度调节驱动单元。导光板照明亮度自动调节系统原理框图如图2所示。

图2 飞机导光板照明亮度自动调节系统原理框图Fig.2 The principle diagram of the auto-dimming system of light plane illumination

环境光照度检测单元利用光照传感器检测驾驶舱内环境光照度;亮度调节控制单元采集、处理光照传感器输出信号后得到环境光照度，根据亮度控制模型计算各路导光板亮度值，并将亮度值通过CAN总线发送给亮度调节驱动单元;亮度调节驱动单元接收、解析亮度值后给出与亮度值相应的PWM控制信号，并驱动导光板。

3.1 系统硬件设计

3.1.1 环境光变化检测单元

环境光变化检测单元为光照传感器，其作用是检测环境光的光照强度，将环境光照度转换成电信号。光照传感器布置在导光板周围，光照传感器个数及安装位置根据导光板分布及驾驶舱内光分布情况而定。光照传感器的核心器件是光敏电阻，当无光照射时，其电阻很大，电路的暗电流很小;当受到光照射时，其电阻值急剧减小，电路的电流随之迅速增加［9，10］。光照传感器的电路原理图如图 3所示。

图3 光照传感器电路原理图Fig.3 The circuit diagram of light sensors

面积为S、光通量为Φ的光照传感器其接收面可认为是理想漫散射面，发光强度为I的点光源照射在光照传感器上时，光照传感器上平均照度E为:

式中，dΦ为面元dS上的光通量，dw为面元dS对点光源所张的立体角，θ为面元法线与照射光线间夹角，l为面元与点光源间距离。

光照传感器能检测 (0～200)lx范围内环境光照度，输出电压范围为 (0～5.1)VDC。

3.1.2 亮度调节控制单元

亮度调节控制单元原理框图如图4所示。亮度调节控制单元为亮度控制组件，安装在驾驶舱内操纵台上。光照传感器的模拟量输入信号经过滤波、放大及过压保护等处理后进入DSP的ADC采样通道。DSP采样、处理光照传感器输出信号后得到光照传感器上环境光照度，根据亮度控制模型计算每路导光板亮度，并将亮度值通过CAN总线发送到各亮度调节驱动单元。

图4 亮度调节控制单元原理框图Fig.4 The principle diagram of the luminance dimming unit

亮度调节控制单元具有亮度控制模型数据更新接口，通过RS232接口与外部交互数据，亮度调节控制单元自动识别连接状态，当连接成功后，则准备更新亮度控制模型数据。

为满足亮度调节控制单元模拟信号采样、总线通信、亮度数据计算等功能要求，亮度调节单元中采用了CPU结构，并配置相应的滤波电路、数据存储模块及通信接口电路等。光照传感器信号滤波电路原理图如图5所示。

图5 光照传感器信号滤波电路Fig.5 The filter circuit diagram of light sensor signals

3.1.3 亮度调节驱动单元

亮度调节驱动单元 (即:调光控制单元)原理框图如图6所示。亮度调节驱动单元为导光板亮度调节驱动板，调光系统为每路导光板配置一个亮度调节驱动板。

图6 调光控制单元原理框图Fig.6 The principle diagram of the dimming control unit

导光板中发光光源为LED，驱动LED光源的方法主要为模拟调光和PWM调光。模拟调光的缺点是随着正向电流的变化会产生色偏现象，而PWM调光通过改变开通和关断的时间比来调光，能保证调光过程中光色的一致性。当PWM调光频率超过100Hz时，人眼察觉不到LED闪烁。如今，在照明要求高的应用场合多采用PWM调光。本方案中，也采用PWM调光方式。

亮度调节驱动单元工作时接收亮度调节控制单元通过CAN总线发送的亮度数据，并读取EEPROM中存储的调光数据，得到该亮度下相应的占空比控制信号，亮度调节驱动单元处理器输出的PWM控制信号经隔离处理，通过滤波电路、瞬态保护电路等处理后驱动功率管的开关状态，根据不同的占空比达到调节导光板亮度的目的。PWM驱动电路原理图如图7所示。

图7 PWM驱动电路原理图Fig.7 The diagram of the PWM drive circuit

亮度调节驱动单元中E2PROM存储的调光数据为导光板的亮度特性数据，导光板因受光源、制造、加工、喷漆等因素影响，各路导光板在相同占空比时的亮度可能会不同。为了保证驾驶舱照明效果的协调、统一，在导光板装机前利用专用测试设备测量导光板的亮度数据，即PWM占空比和亮度对应数据，并将调光数据通过外部接口下载至与导光板相配套的导光板亮度调节驱动板中。

3.2 系统软件设计

导光板照明亮度自动调节系统由于采用分布式总线结构，其软件分为亮度调节控制单元软件和亮度调节驱动单元软件，亮度调节控制单元软件装载于亮度控制组件中，亮度调节驱动单元软件装载于导光板亮度调节驱动板中。

亮度调节控制单元软件主要包括:

1)光照传感器数据采集模块。主要负责采集光照传感器的模拟量信号;

2)数据处理模块。主要是分析、处理采集的数据和总线接收数据;

3)总线数据收发模块。主要完成亮度数据的接收和发送;

4)地面维护接口。主要完成亮度控制模型数据的下载和地面维护。

5)BIT诊断模块。进行BIT诊断并获取结果数据。

亮度调节驱动单元软件主要包括:

1)总线数据收发模块。主要完成亮度数据的接收和发送;

2)数据处理模块。主要是解析亮度数据，并查找调光数据表，给出PWM控制信号;

3)总线数据收发模块。主要完成亮度数据、BIT诊断数据的接收和发送;

4)地面维护接口。主要完成调光数据的下载。

4 结束语

本文针对飞机导光板照度亮度手动调节的不足，设计了一种飞机导光板照明亮度自动调节系统。由于亮度调节驱动单元中导光板调光数据的个别化定义，保证了驾驶舱导光板亮度的均匀性;亮度调节驱动单元中PWM调光方式的应用，保证了导光板亮度调节过程中光色的一致性。该亮度调节系统已在实际应用，应用中表现出了功耗低、调光过程光色一致性好等优点。

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