机场助航灯光监控操作模拟训练系统设计与实现

史经伦 翁诚 李凯涛 赵庆涛

摘  要：机场的助航灯光监控系统需要保持不间断运行状态，给助航灯光开关灯训练工作带来了一定困难，通过此文设计的助航灯光监控操作模拟训练系统，可以不受时间限制地进行助航灯光开关灯模拟训练，并且在操作后能够在机场构型图上形象看到操作后的助航灯光开灯情况，解决了因外场助航灯光回路多、灯具种类繁杂和数量多造成的培训困境，极大提高了训练效率和效果。

关键词：助航灯光回路;灯光监控系统;开关灯;模拟训练

中图分类号：TP311   文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）12-0159-03

Abstract： The navaid lighting monitoring system of the airport needs to maintain uninterrupted operation， which brings some difficulties to the training of navaid lighting switching. Through the navaid lighting monitoring operation simulation training system designed in this paper， the simulation training of the navaid lighting switching can be carried out without time limit. After the operation， you can visually see the turning on of the navaid light on the airport configuration diagram， which solves the training dilemma caused by many external navaid lighting return circuits， complex types and large quantity of lamps， and greatly improves the training efficiency and effect.

Keywords： navaid lighting return circuit; lighting monitoring system; light switching; simulation training

0  引  言

機场助航灯光系统是保障航空器在夜间、低能见度或者其他复杂天气条件下，进行正常的起飞、着陆、滑行的必要目视助航设备，被誉为飞机的“眼睛”。助航灯光系统的安全运行与飞机的安全紧密相关。飞行区内有跑道中线灯、跑道边灯、滑行道中线灯、滑行道边灯、进近灯、顺序闪光灯、入口灯和坡度灯等二十多种灯具。随着各机场改扩建工程的不断推进，外场跑道和滑行道构型发生了较大改变，助航灯光外场回路也随之发生了变化。对于助航灯光监控岗位来说，每条灯光回路对于飞行安全来说都至关重要，在开关灯操作中，必须严格遵从塔台指令，并按照操作流程进行开关灯操作，如果出现任意一条回路开关灯错误，都有可能危及航空安全，所以助航灯光的开关灯训练一直是灯光监控岗位的重要培训、考核内容。

近年来，随着航班量的不断增加，各机场的助航灯光监控系统需要保持不间断运行状态，日常的助航灯光开关灯训练工作只能在灯光光级切换时或者夜晚航班间隔期间进行。

本设计基于行业需求，设计了一款适用于各机场的助航灯光监控操作模拟训练系统，采用该系统，灯光监控人员能够在上位机上模拟日常开关灯操作，获得和实际的助航灯光操作系统上同样的操作体验，并在机场构型图上实时查看操作后的开关灯情况，能够在任意时刻进行培训和考核，同时，通过对整个开关灯操作流程的模拟，对于优化操作流程和提高训练效率具有积极作用。目前，系统已经开发完毕，并在郑州新郑国际机场得到了实际应用，系统可以有效提高助航灯光监控岗位的训练效率，尤其在对新员工的培训方面，可以做到快速入手，并且具有较强的兼容性和可复制性。

1  助航灯光监控操作模拟训练系统简介

助航灯光监控操作模拟训练系统由电脑主机、STM32单片机、32路继电器模块及LED灯具模型沙盘构成。其中LED灯具模型沙盘是根据机场飞行区助航灯光实际的分布情况，采用相应颜色的LED灯镶嵌在机场构型图进行布置的，能够模拟外场灯光的实际开关灯情况。上位机采用LabVIEW可视化编译环境，模拟正在使用的灯光监控系统界面编写，能够获得同样的操作体验;通讯模块采用RS232串口通信方式;控制模块采用STM32嵌入式单片机实现控制功能。

由上位机发出开关灯指令，通过串口通信传输到单片机，单片机处理数据后控制继电器模块，实现对灯具沙盘上各灯光回路的控制，由于采用和实际应用的助航灯光监控系统同样的操作方式，通过这一模拟训练系统的使用，达到训练和考核目的，系统实物如图1所示。

2  系统硬件设计

2.1  整体硬件设计

本设计的硬件主要由STM32单片机、继电器组电路和灯具沙盘电路组成。本系统的核心器件是STM32单片机，STM32系列单片机是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex®-M0、M0+、M3、M4和M7内核，在本设计中的承担是是采集和处理上位机发送的串口指令的作用，采用串行全双工通信方式，将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传输，其特点是传输线少，长距离传输时成本低。单片机将操作员在上位机界面上的操作转变为继电器组的开合操作，实现对各灯光回路的控制。系统的控制原理图如图2所示。

2.2  继电器组电路设计

根据设计要求，继电器组电路设计采用32路继电器，输出端分别是跑道和滑行道上的中线灯、边灯、进近灯等组成的32条灯光回路，上位机发出的控制指令最终由继电器模块进行实现。

2.3  灯具沙盘电路设计

灯具沙盘的电路设计主要是各个灯光回路的设计，包含跑道中线灯、跑道边灯、跑道入口灯、末端灯、警戒灯、禁止进入灯、坡度灯、滑行道边灯、滑行道中心灯等。郑州机场有两条跑道，南跑道尺寸为3 400×45 m，北跑道尺寸为3 600×60 m，共分布有1万多盏助航灯具，灯具沙盘电路设计根据郑州机场外场灯具实际情况进行灯具模拟布置，采用集中供电，将32路继电器串进各灯光回路中，实现对灯光回路的控制。

3  系统软件设计

3.1  系统软件整体设计思路

本设计软件部分包含两个部分，一个是上位机程序设计，另一个是STM32单片机的软件程序设计。上位机程序采用LabVIEW可视化的程序开发环境，STM32单片机软件程序采用C语言编写，上位机根据操作者的指令发送串口数据到单片机，单片机识别后控制不同的I/O口输出高低电平，实现不同的继电器控制输出，达到控制相应的灯光回路开关的目的。

3.2  LabVIEW上位机程序设计

LabVIEW上位机程序使用的是图形化编辑语言G编写程序，以框图的形式产生执行程序。

依托不同控件，用户可以很容易创建界面。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制，能够极大节约编程时间，提高效率，本上位机界面主要实现的是控制输出功能，由各个灯光回路的控制按键组成，包含光级的增加和减小按键，光级显示框，根据《民用机场助航灯光运行维护规程》，光级显示控制在0-5级，根据命令光级的大小可以输出相对应的电流，用于灯光强度的控制。其界面如图3所示。

3.3  STM32单片机程序设计

STM32单片机的软件程序设计，利用STM32库函数操作控制，相较于使用寄存器进行编程，库函数会导致代码量增大，影响程序运行速度，但是STM32f103系列单片机程序空间足够大，并且每一个系列里面都有pin-to-pin的型号可以互换，如果程序空间不够，直接替换另一个程序空间更大的兼容引脚，程序直接移植过来，几乎不用修改。本设计使用KEIL编译环境，其兼容STM32系列单片机C语言软件开发系统，容易维护，编程效率高。使用C语言编程，配合KEIL系统的方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具，可以极大提高软件编程效率。其主函数程序为：

int main（void）

{

u8 t;

void jidianqi（）;

u8 len;

u16 times=0;

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）; //设置系统中断优先级分组2

delay_init（168）; //延时初始化

uart_init（115200）; //串口初始化波特率为115200

LED_Init（）; //初始化与LED连接的硬件接口

while（1）

{

if（USART_RX_STA&0x8000）

{

len=USART_RX_STA&0x3fff;//得到此次接收到的数据长度

printf（"＼r＼n您发送的消息为：＼r＼n"）;

for（t=0;t<len;t++）

{

USART_SendData（USART1， USART_RX_BUF[t]）; //向串口1发送数据

while（USART_GetFlagStatus（USART1， USART_FLAG_TC）！=SET）;

jidianqi（）;//继电器执行

}

printf（"＼r＼n＼r＼n"）;//插入换行

USART_RX_STA=0;

}else

{

times++;

if（times%200==0）printf（"请输入数据，以回车键结束＼r＼n"）;

delay_ms（10）;

}

}

}

系统启动后，先进行初始化，包含串口初始化和单片机初始化。操作员每进行一个操作，上位机都会发出一个串口指令到单片机，单片机实时检测串口模块接收到的串口数据，并根據接收到的数据，控制相应I/O端口拉低或拉高，控制相应的继电器闭合或断开，实现对32条灯光回路的控制。

4  结  论

该助航灯光开关灯模拟训练采用成熟的控制技术，创新性地把LabVIEW和STM32单片机结合起来，LabVIEW发出的指令通过串口通信发送到单片机控制器，单片机识别指令后进行相应的控制操作，该系统性能稳定，采用可视化的研发理念，将以前灯光监控岗位单纯的开关灯操作，转变为可以在实物上查看操作后的开关灯结果，大大提高训练效果。在实际培训中，通过该系统的应用，可以不受时间的限制进行反复的训练，在训练中，严格遵循开关灯流程中细分的7个步骤（接听、复述、记录、确认、操作、巡视和回复），更加容易养成良好的操作习惯，降低安全运行风险。经过测试，该设备运行稳定，响应迅速，现已经在郑州机场灯光监控班组使用，对于助航灯光监控系统的模拟训练和考核起到了积极作用。

本设计具有较强的可移植性，在各机场改扩建过程中，飞行区构型会发生改变，只需要改变上位机界面上的灯光回路路径，并制作相应的助航灯光沙盘模型，就可以实现系统的升级。具有较大的应用前景。

参考文献：

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作者简介：史经伦（1992—），男，汉族，河南周口人，职员，硕士研究生，研究方向：机场目视助航灯光。