飞机新型频闪灯控制策略研究

于子淇 周壁和 赵子磊 占 俊 杜海龙（指导教师）

（中国民航大学，天津300300）

1 研究背景

最初的防撞灯是采用白色旋转信标，但随着使用后人们逐渐发现，过亮的白色灯光会射入驾驶舱内产生使人晕眩的散射光，这会让机组人员无法看清仪器仪表并长期工作于疲惫状态，严重影响飞行安全，所以人们选择使用红色的滤光器来降低白光对机组人员的影响，随着灯光技术的发展，防撞灯的功能和种类也得以扩展，如今的防撞灯主要分为旋转信标和频闪灯两大类[1]。

如今，根据飞机取得合格证的时间不同，对防撞灯也有不同的审定要求，1977 年7 月18 日以后获得审批的飞机，对防撞灯的各个方面都有了更加严格规范的要求。

2 频闪灯概述

2.1 频闪灯功能

频闪灯常用于作飞机的防撞灯，作为飞机航行灯系统的组成之一，每架飞机都配备了两个防撞灯，分别被设置在机身顶部与机腹部。按照规定，防撞灯一般情况下采用红色灯光，只要飞机处于运行状态，防撞灯就须工作。

2.2 频闪灯的组成

频闪组件由透镜组件、组件模块、监控模块三部分组成，组件模块由两串，每串13 个的LED 和用来将LED 灯光分配到指定方向的反射器组成，透镜组件用来增强射出的灯光。监控模块包括了寿命计时和温度检测两种功能，防撞灯寿命计时器都有经过预先编程，使得LED 灯在达到使用寿命时失效，根据对飞机的飞行计划进行LED 寿命预测，每组LED 灯在符合标准的情况下将可以使用40000 小时，微处理器在监控LED 使用时间的同时监控LED 在整个使用周期内的温度。

3 仿真模型

3.1 仿真软件的选择

本次设计将运用EDA 技术实现频闪灯电路的仿真，目前在市面上被广泛使用的EDA 仿真软件有：PROTEL、EWB、VIEWLOGIC、PSPICS、GRAPHICS、LSLLOGIC 等等，本文选用的软件是PROTEUS，PROTEUS 相较其它几款软件，可以仿真51系列、AVR、ARM 等常用的主流单片机，同时它还支持KEIL、MATLAB 等多种编译器，功能完备且容易上手[2]。

3.2 变压控制盒部分

3.2.1 变压整流

频闪灯变压控制盒的控制电路主要功能是对飞机提供的115V，400Hz 的交流电进行变压整流，为频闪灯正常工作提供的所需直流电压。

当飞机电源接入控制盒的控制电路时，最先进行的是对交流电的变压和整流处理。频闪灯组件由13 个额定电压为5V 的LED 组件串联而成，根据技术手册规定，频闪灯最低工作电压为65VDC，变压器次级绕组感量的计算公式如下

其中V1 是原边电压，V2 是副边电压，n1 为原边匝数，n2 为副边匝数，L1 为初级绕组感量，L2 为次级绕组感量。

经过变压处理的电源需通过整流处理成为直流电以驱动LED。整流是利用二极管的单向导通性实现的，常用的整流方式有半波整流、全波整流和桥式整流三种方法。其中，桥式整流作为二极管半波整流的一种改进类型，具有整流效率高、稳定性好等优点，其电路结构图如图1 所示。

图1 桥式整流电路原理图

图2 经各方式整流后的波形

对比半波整流的输出波形，桥式整流将交流输入小于零的部分全都变为正，半波整流则直接将交流输入小于零的部分全部截止。桥式整流的输出波形图与全波整流的波形图完全一致，但桥式整流电路中的每一只二极管所承受的最大反向电压为变压器次级电压的最大值，仅为全波电路中的一半，经各方式整流后的波形如图2 所示，图中自上而下第一条为输入的交流电的波形，第二条是交流电经半波整流的波形，第三条是交流电经全波整流后的波形，第四条为交流电经桥式整流的波形。

输入的交流电经桥式整流后的电压计算公式如下。

式中Vo是经整流后输出直流电压，Vi是整流前的交流电压。

由此公式（1）、（2）、（3）计算可得，飞机提供给频闪灯系统的电压是115V、400Hz 交流电，当次级绕组感量为0.165H 时，变压后电压为46.3VAC，整流后输出的直流电压可满足65VDC，即满足频闪灯正常工作时的需求。

3.2.2 放大电路

放大电路可以增加信号的输出功率，它通常通过外部电源获得能量，输出与输入信号一致的波形，但振幅要更强于输入信号。推挽电路作为一种常用的放大电路，被广泛的应用于各式开关电路及功放电路中，其电路主要由两个参数相同、极性相反的晶体管或场效应管相连而成，其电路结构如图4 所示。

图4 推挽电路的基本结构

图5 输出波形图

两只极性相反的三极管均工作在线性放大区，共基极、共发射极，当输入信号处于正半周期时，上方的NPN 管工作在导通状态负责放大并将信号从发射极输出，此时下方PNP 管处于截止状态；而当输入信号处于负半周期时，下方三极管导通，放大后的信号从发射极输出，此时NPN 型三极管截止[3]。两只三极管分别工作半个周期，其输出的ic2、ic3波形分别如图5 所示。

LED 组件需要较高的电压进行驱动，故需要外加一偏置电路建立一定的直流偏置，使三极管工作在甲乙类状态下，其电路结构如图6 所示。

图6 甲乙类电源互补对称电路结构图

当电路处于静态时波形如下，其上为单片机输出的PWM控制信号的波形，其下经放大电路放大后的波形。

图7 放大电路的工作波形

3.2.3 单片机控制

单片机是一种超大规模集成电路技术，将具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM等功能集成到一块芯片上，是一个体积虽小但功能完善的微型计算机系统。选用单片机作为控制器的主要原因是单片机具有集成度高、存储空间大、外围可扩展能力强以及控制能力出众的优点。作为应用最广泛的单片机之一，51 单片机系列一直广泛应用于工业测控系统中，其稳定可靠的电路结构使它成为频闪灯控制器的不二选择[4]。

51 单片机作为电路的核心控制器，起到控制LED 组件闪光速度，闪光频率及故障判断的作用，需要使用到单片机自带的定时器。51 单片机的定时器共有四种工作方式，本次设计选择使定时器0 工作在方式1 来产生一个PWM信号。

图8 PWM 信号产生的原理框图

由于51 单片机外接的晶振频率为11.0592MHz，所以51 单片机的一个机器周期为12/11.0592 微秒，为方便计时，需为定时器0 需要装载一个初值，设每50 毫秒计入一次中断程序，则这个初值应为0.05/（12/（11.0592*10^6）），即初值约为46080，设置好中断定时后，根据手册标准，频闪灯的闪光频率应在每分钟42+3/-2 次之间，所以一个闪光周期约为1.43 秒且每个周期内LED 发光时间约为250 毫秒，闪光的占空比为15.5%～17.8%，对于单片机而言，由于每次中断的定时为50 毫秒，所以大约每进入29 次中断完成一个闪光周期，每次进入中断后计数器加一，当计数器所计的变量Time 小于24 时，单片机通过2.1 脚输出一个高电平，当变量Time 大于24 而小于29 时，单片机2.1 脚输出低电平信号，当Time 等于29 时表明一个闪光周期结束，计数器归零后重复上述操作，按控制规律变化的电位信号就是所需的PWM控制信号。

当PWM波输出为高时，单片机会输出一个+5V 的电信号，电流无法流通场效应管，LED 处于熄灭，当PWM 波输出为低时，单片机引脚等效接地，场效应管导通，电流流经场效应管加在LED 组件两端，LED 正常工作，至此一个闪光周期工作结束。

3.3 监控部分

3.3.1 温度检测

尽管LED 作为一种冷光源，它的发热量相较白炽灯和氙灯有了显著的下降，但狭小的安装空间导致LED 灯及其电路中的电阻等元器件在工作时依然会积累不小的热量，若温度过高则会对电路产生损伤，甚至还会影响到飞机的安全飞行。为了保证频闪灯能工作在正常温度下，LED 组件需要对LED 灯串的温度进行实时监测。

图9 DS18B20 的封装图

DS18B20 作为最常用的数字温度传感器，具有抗干扰、体积小、精度高等优点，其工作范围在-55℃～+125℃，更高的分辨率赋予它更高的测温精度，独特的单线接口方式且不需要任何外围元件的辅助使得检测电路无需设计的过于冗杂，十分适合作为频闪灯系统的温度检测传感器。（图9）

当监控单片机所读取的温度超过预先设定的温度值时，监控单片机的2.1 脚会被拉低至低电平监控用单片机的2.1 脚与控制电路的单片机的2.2 脚相连，当控制电路的单片机检测到失效信号后，将会改变频闪灯的工作周期及闪光频率，并在闪烁约5 秒后熄灭。发生改变后的波形如图10 所示，其中第一个是失效信号的波形，第二个是控制信号的波形，横坐标每格为450 毫秒。

图10 失效前后控制波形的对比

3.3.2 寿命监控

本设计选用51 单片机作为频闪灯工作状态的监控器。为了记录频闪灯的工作时长，首先需要51 单片机的计数器0 工作在方式1，依旧设置每50 毫秒进入一次中断，当频闪灯开启时单片机开始计时，计时的最小单位为秒，所以每进入二十次中断程序后，秒数自加1，若变量秒数大于等于60，则将变量秒数置零，变量分自加一，当变量分大于等于60 时，将变量分清零，变量时自加1，当工作40000 小时后，LED 开始逐渐出现光强不达标等失效表现，所以在变量时累加到大于等于40000 时，单片机的2.1 脚也会被拉低至低电平，频闪灯的工作周期及闪光频率发生改变并在持续约5 秒后熄灭，这一行为将保持到更换新的LED 组件为止。

3.4 仿真结果分析

根据测试标准对仿真电路进行检测，使用直流电源替换交流电源接入频闪等电路，开始仿真，当直流电源设置为65V 时，LED 灯组正常闪烁，将电压升至100v 时，LED 亮度增加，闪烁频率依旧为每分钟42 次。在检测变压控制盒时，将输入控制盒的交流电压设置为115V、400Hz，使用示波器对控制盒输出的电流进行监测，观察其波形符合图11 要求，测试使用的负载灯满足按每分钟40～45 次的频率标准闪烁，所以仿真电路整体设计满足使用频闪灯的使用需求。

图11

4 结论

本设计所做的是对飞机新型频闪灯控制策略的研究及建模仿真，为了使频闪灯能精准可靠的工作，频闪灯控制电路需要完成对输入交流电的整流、变压、产生控制信号和对控制信号的放大等功能。

首先，控制电路需要将输入的交流电变压整流成电路所需的直流电提供给单片机和LED 灯，控制芯片需要实现单稳态触发多谐振荡的功能来输出符合要求的PWM信号，PWM信号经放大电路放大后控制场效应管的通断，进而控制频闪灯的闪烁周期及闪光时长，监控芯片则需要实现计时器的功能并且需要与频闪灯同步工作，当不满足频闪灯正常工作的条件时发出失效信号表明频闪灯处于失效状态，而控制芯片则需要对失效信号做出相应的反应以提醒机组和维修人员频闪灯故障。