飞行模拟机新型照明系统设计*

黄 欢，肖志坚，廖 峰

(中国民用航空飞行学院 模拟机训练中心，四川 广汉 618300)

0 引言

飞行模拟机具有飞行安全、训练成本低、训练受天气环境影响小等特点，使其成为航空公司及航空院校培养飞行员的重要训练设备。飞行训练任务繁重，导致飞行模拟机中照明系统经常出现故障，影响飞行训练。通过对模拟机照明系统新型背光照明技术进行研究，以波音737-800飞行训练器飞行方式的选择面板(MCP)[1-2]为基础，设计基于Arduino的飞行模拟机新型背光系统MCP电路板，基于格拉斯曼颜色混合定律理论，按照不同比例的三基色搭配，改变整体光谱分布，改变系统色温、色域、亮度，达到与真飞机一样的效果。

1 模拟机照明系统概述

模拟机照明系统主要为各仪表、组件及控制面板提供背光照明功能，让机组在黑暗环境中查看操作仪表、组件及控制面板[3]。以某模拟机制造商的波音737-800模拟机为例，其有几十个控制面板，超过300个“米粒”微型灯泡，均采用普通白炽灯泡。由于使用频率大及灯泡寿命有限，每3个月就要将所有灯泡更换一次。若返厂维修，每块控制面板需400美元，而且维修时间都在半年以上，增加了很多成本。如果工程师手工更换，一般2年左右电路板覆铜焊点就已经损坏、脱落，需要更换新的电路板。每块电路板价格在1 000美元左右，也大大增加了后期的使用成本。

2 总体设计

自然界中的绝大部分色彩都可以由红绿蓝三种基色按照一定比例的混合得到。因此，本文采用红绿蓝三基色发光二极管作为光源，以MCP为研究对象，基于颜色混合定律理论，按照不同比例的三基色搭配，使用色温的动态调节原理，通过高性能微控制器智能调节混合光源的各个分量的电流，改变整体的光谱分布，从而改变系统色温、色域、亮度[4-6]，达到与真飞机一致的MCP背景照明效果。

2.1 色温动态调节原理

根据格拉斯曼颜色混合定律及国际发光照明委员会标准，假设所要表现的白光色坐标为W(xw,yw)，使用的三原色R、G、B坐标分别为R(xr,yr)，G(xg,yg)，B(xb,yb)，相应的三刺激值分别为(Xw,Yw,Zw)，(Xr,Yr,Zr)，(Xg,Yg,Zg)，(Xb,Yb,Zb)，光通量分别为(lw，lr，lg，lb)，则：

(1)

(2)

其中，X，Z只代表色度，没有亮度，光度量只与三刺激值Y成比例，则三刺激值用亮度和色度表示为：

(3)

整理式(1)～(3)得：

(4)

通过计算得到各种色温下R、G、B三基色LED配比不同色温的白光时光通量的比例。色坐标只取决于红、绿、蓝三颜色的色坐标和亮度。当给出目标色色温时，通过查表得到它的色品坐标，分别调节红、绿、蓝各自的驱动电流，得到目标色温的白光。

2.2 设计方案

根据色温的动态调节原理，通过调节混合光源的各个分量的能量，可改变整体的光谱分布，改变系统色温。通过改变红LED、绿LED、蓝LED驱动电流的方式，来控制每种LED的发光亮度，调节色温。系统的整体设计框图如图1所示。

图1 系统设计款图

系统主要分为驱动模块、控制模块、光学模块。电源通过驱动模块给光学模块提供合适的电流，驱动LED发光。控制模块通过PWM恒流调节电路输出三路参考电压来调节LED电流，调节其亮度组合，对每路驱动电路进行控制改变色温。光学模块完成芯片排布方式，从物理上保证不同颜色光线混合后产生均匀的照明效果。

3 硬件设计

硬件设计搭建MCP面板背光系统的电路，主要完成控制电路、驱动、光学电路、MCP照明面板设计。

3.1 控制电路

控制电路的核心是微控制，该微控制器选用的是Atmel公司的ATMEGA2560嵌入式微控制器。它具有54路数字输入/输出口(16路可作为PWM输出)，16路模拟输入，4路UARTs接口，Flash程序存储器读写等强大的控制功能内核，具有强大的数字信号处理能力，可采用USB接口直接供电工作，扛干扰能力强[7-8]。

3.2 驱动及光学电路

驱动电路主要采用的是MOS管来提高输出电流，通过微控制器PWM输出来控制MOS管的输出电流大小，控制各个通道的电流，使光学电路发出相应色温的白光。光学电路主要采用的是3528RGB三色LED灯，该灯泡集红、绿、蓝三色为一体，根据电流大小控制各颜色通道的显示。而驱动电流大小由每种颜色通道的压降来决定。图2为驱动及光学电路原理图。

图2 驱动及光学电路原理图

3.3 MCP照明面板设计

737-800 MCP面板主要功能是控制主副驾驶的ND和自动飞行系统的控制面板，其开关、旋钮多，功能繁杂，背光照明面板所需覆盖广，设计的照明系统原理图如图3所示。

图3 MCP照明面板电路原理图

4 软件设计

MCP照明背光系统软件基于AVR Studio 4集成开发环境，利用C语言开发，使用编译器编译成ATMEGA2560机器码文件[7]，并下载到微控制器中，完成开发。软件设计主要完成微控制器脉宽调制PWM输出相关的占空比，调节三色输出电流。根据采集色温数值，进行数模转换，再对转换后的数值进行比较，计算是否需对色温进行调整，增加或减少相应输出电流，直到到达预设色温值。整体软件流程图4所示。

图4 软件设计流程图

5 调试

本文所设计的基于ATMGA2560的737-800模拟机MCP面板照明系统，利用测光仪采集现有737-800模拟机背景照明系统色温分布，通过公式计算得到R、G、B三色LED配比值，调整三色电路输出电流控制PWM输出占空比，使设计的MCP面板照明系统达到与真实模拟机上相似的色温。其中，图5为MCP面板背光照明系统测试平台图。

图5 MCP面板背光照明系统测试平台图

通过测光仪对737-800模拟机MCP面板照明背光进行测试后发现色温在2 200 K附近，调节设计的新照明背光系统控制色温的PWM输出电流，同样使用测光仪对新照明背光面板进行测试，不断修正控制R、G、B三色的PWM带宽，改变三色亮度，使其色温到达与MCP面板照明背光系统具有相同的色温值，使其具有与现有模拟机相同的照明效果。如图6所示。

图6 背光照明系统暖光测试

6 结论

本文以737-800模拟机MCP面板为基础，设计适用于737-800模拟机的新型照明背光系统，使其能准确调节各种色温和明暗程度，成功替代现有模拟机和训练器的照明背光系统。该照明背光技术已经可以满足模拟机和训练器的照明背光系统的设计需求。该技术抗干扰能力强、工作稳定，并且能够延长模拟机照明背光系统使用寿命，降低故障率，同时也可为国内新型研制的模拟机、训练器照明背光系统提供关键技术，使其具有广泛的市场应用前景和较高的科学研究价值。