飛機導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

曾慶兵 冉 劍 徐 捷

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

1 引言

導光板是一種有機玻璃板，表面涂有漫反射的涂層，光源嵌在有機玻璃板內(nèi)，通過光線在有機玻璃內(nèi)傳遞并照明導光板上的標記。導光板安裝在駕駛艙控制板上，導光板不通電時，導光板上標記呈白色;導光板通電時，導光板上標記顯示所要求的顏色［1～3］?，F(xiàn)代全天候飛機，要求在晝間、夜間等條件下都能飛行或作戰(zhàn)。為滿足飛行員觀察駕駛艙內(nèi)信息顯示設(shè)備的需要，駕駛艙照明系統(tǒng)應(yīng)提供恰當?shù)恼彰鳎ＷC飛行員看得見、看得清駕駛艙內(nèi)信息顯示設(shè)備上信息，且不易疲勞。導光板照明作為駕駛艙照明系統(tǒng)的一部分，要求無論白天還是黑夜，導光板上標記都應(yīng)清晰可見，將駕駛艙控制板上信息準確顯示給飛行員［4～6］。

導光板照明亮度調(diào)節(jié)主要指在黃昏、黎明時分，此時駕駛艙外環(huán)境光由亮漸漸變暗，為保持駕駛艙內(nèi)照明環(huán)境舒適，需開啟導光板照明，且隨著駕駛艙外環(huán)境光的變化，導光板照明亮度應(yīng)相應(yīng)調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有的導光板照明亮度手動調(diào)節(jié)方式在環(huán)境光變化時，由飛行員旋轉(zhuǎn)亮度控制盒上旋鈕，調(diào)節(jié)出當前環(huán)境光下的導光板照明亮度。但該調(diào)節(jié)方式需要人工參與，且若駕駛艙較大，照明區(qū)域較多，則需調(diào)節(jié)多個亮度調(diào)節(jié)旋鈕方能完成對整個駕駛艙的亮度調(diào)節(jié)，這會影響飛行效率，加重飛行負擔［7］。

針對導光板照明亮度手動調(diào)節(jié)方式的不足，以及現(xiàn)代飛機對駕駛艙照明舒適性要求的提高，本文提出一種飛機導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)以光照傳感器檢測駕駛艙內(nèi)環(huán)境光變化，根據(jù)導光板亮度控制模型確定當前環(huán)境光下導光板亮度值，然后利用基于PWM調(diào)光的分布式總線方式控制駕駛艙導光板亮度，實現(xiàn)駕駛艙導光板照明亮度的自動調(diào)節(jié)。

2 導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)原理

亮度為在給定方向單位投影面上單位立體角內(nèi)發(fā)射和反射的光通量。導光板亮度是對導光板發(fā)光強度的量度。導光板亮度與導光板中光源的亮度、透光材料的導光性能、表面涂覆材料的透光率和環(huán)境光強等相關(guān)。

韋伯－費希納定律給出了人眼受到某些刺激時，人眼主觀亮度與光源亮度之間的關(guān)系。人眼的主觀亮度不僅與導光板光源的輻射光功率、波長有關(guān)，還與周圍環(huán)境和光源的明亮對比度有關(guān)。主觀亮度F與光源亮度B的對數(shù)成正比，見式 (1)。

其中K0和K是與周圍環(huán)境亮度有關(guān)的常數(shù)。不同亮度B時，人眼能察覺的最小光源亮度變化ΔBmin取決于相對亮度變化。人眼可察覺的最小相對亮度變化ΔBmin/B稱為對比靈敏度閾，以δ表示，其值通常在0.005～0.05之間［8］。

導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)時，通過光照傳感器檢測到環(huán)境光照度后，根據(jù)導光板亮度控制模型確定當前環(huán)境光照度下導光板亮度值。導光板亮度控制模型定義了駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度和導光板亮度對應(yīng)關(guān)系，該亮度控制模型由視覺工效試驗建立。視覺工效試驗時模擬太陽光源產(chǎn)生不同照度的環(huán)境光，在某一環(huán)境光照度下，由飛行員判讀導光板上視標，若觀看舒適，則認為當前導光板亮度為舒適亮度，否則，旋轉(zhuǎn)導光板亮度調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)出舒適亮度。根據(jù)環(huán)境光照度和導光板亮度對應(yīng)關(guān)系可建立導光板亮度控制模型，視覺工效試驗示意圖如圖1所示。

圖1 視覺工效試驗示意圖Fig.1 The sketch of visual ergonomics experiments

3 亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括環(huán)境光照度檢測單元、亮度調(diào)節(jié)控制單元、亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元。導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 飛機導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The principle diagram of the auto-dimming system of light plane illumination

環(huán)境光照度檢測單元利用光照傳感器檢測駕駛艙內(nèi)環(huán)境光照度;亮度調(diào)節(jié)控制單元采集、處理光照傳感器輸出信號后得到環(huán)境光照度，根據(jù)亮度控制模型計算各路導光板亮度值，并將亮度值通過CAN總線發(fā)送給亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元;亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元接收、解析亮度值后給出與亮度值相應(yīng)的PWM控制信號，并驅(qū)動導光板。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 環(huán)境光變化檢測單元

環(huán)境光變化檢測單元為光照傳感器，其作用是檢測環(huán)境光的光照強度，將環(huán)境光照度轉(zhuǎn)換成電信號。光照傳感器布置在導光板周圍，光照傳感器個數(shù)及安裝位置根據(jù)導光板分布及駕駛艙內(nèi)光分布情況而定。光照傳感器的核心器件是光敏電阻，當無光照射時，其電阻很大，電路的暗電流很小;當受到光照射時，其電阻值急劇減小，電路的電流隨之迅速增加［9，10］。光照傳感器的電路原理圖如圖 3所示。

圖3 光照傳感器電路原理圖Fig.3 The circuit diagram of light sensors

面積為S、光通量為Φ的光照傳感器其接收面可認為是理想漫散射面，發(fā)光強度為I的點光源照射在光照傳感器上時，光照傳感器上平均照度E為:

式中，dΦ為面元dS上的光通量，dw為面元dS對點光源所張的立體角，θ為面元法線與照射光線間夾角，l為面元與點光源間距離。

光照傳感器能檢測 (0～200)lx范圍內(nèi)環(huán)境光照度，輸出電壓范圍為 (0～5.1)VDC。

3.1.2 亮度調(diào)節(jié)控制單元

亮度調(diào)節(jié)控制單元原理框圖如圖4所示。亮度調(diào)節(jié)控制單元為亮度控制組件，安裝在駕駛艙內(nèi)操縱臺上。光照傳感器的模擬量輸入信號經(jīng)過濾波、放大及過壓保護等處理后進入DSP的ADC采樣通道。DSP采樣、處理光照傳感器輸出信號后得到光照傳感器上環(huán)境光照度，根據(jù)亮度控制模型計算每路導光板亮度，并將亮度值通過CAN總線發(fā)送到各亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元。

圖4 亮度調(diào)節(jié)控制單元原理框圖Fig.4 The principle diagram of the luminance dimming unit

亮度調(diào)節(jié)控制單元具有亮度控制模型數(shù)據(jù)更新接口，通過RS232接口與外部交互數(shù)據(jù)，亮度調(diào)節(jié)控制單元自動識別連接狀態(tài)，當連接成功后，則準備更新亮度控制模型數(shù)據(jù)。

為滿足亮度調(diào)節(jié)控制單元模擬信號采樣、總線通信、亮度數(shù)據(jù)計算等功能要求，亮度調(diào)節(jié)單元中采用了CPU結(jié)構(gòu)，并配置相應(yīng)的濾波電路、數(shù)據(jù)存儲模塊及通信接口電路等。光照傳感器信號濾波電路原理圖如圖5所示。

圖5 光照傳感器信號濾波電路Fig.5 The filter circuit diagram of light sensor signals

3.1.3 亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元

亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元 (即:調(diào)光控制單元)原理框圖如圖6所示。亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元為導光板亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動板，調(diào)光系統(tǒng)為每路導光板配置一個亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動板。

圖6 調(diào)光控制單元原理框圖Fig.6 The principle diagram of the dimming control unit

導光板中發(fā)光光源為LED，驅(qū)動LED光源的方法主要為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光的缺點是隨著正向電流的變化會產(chǎn)生色偏現(xiàn)象，而PWM調(diào)光通過改變開通和關(guān)斷的時間比來調(diào)光，能保證調(diào)光過程中光色的一致性。當PWM調(diào)光頻率超過100Hz時，人眼察覺不到LED閃爍。如今，在照明要求高的應(yīng)用場合多采用PWM調(diào)光。本方案中，也采用PWM調(diào)光方式。

亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元工作時接收亮度調(diào)節(jié)控制單元通過CAN總線發(fā)送的亮度數(shù)據(jù)，并讀取EEPROM中存儲的調(diào)光數(shù)據(jù)，得到該亮度下相應(yīng)的占空比控制信號，亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元處理器輸出的PWM控制信號經(jīng)隔離處理，通過濾波電路、瞬態(tài)保護電路等處理后驅(qū)動功率管的開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)不同的占空比達到調(diào)節(jié)導光板亮度的目的。PWM驅(qū)動電路原理圖如圖7所示。

圖7 PWM驅(qū)動電路原理圖Fig.7 The diagram of the PWM drive circuit

亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元中E2PROM存儲的調(diào)光數(shù)據(jù)為導光板的亮度特性數(shù)據(jù)，導光板因受光源、制造、加工、噴漆等因素影響，各路導光板在相同占空比時的亮度可能會不同。為了保證駕駛艙照明效果的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，在導光板裝機前利用專用測試設(shè)備測量導光板的亮度數(shù)據(jù)，即PWM占空比和亮度對應(yīng)數(shù)據(jù)，并將調(diào)光數(shù)據(jù)通過外部接口下載至與導光板相配套的導光板亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動板中。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于采用分布式總線結(jié)構(gòu)，其軟件分為亮度調(diào)節(jié)控制單元軟件和亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元軟件，亮度調(diào)節(jié)控制單元軟件裝載于亮度控制組件中，亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元軟件裝載于導光板亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動板中。

亮度調(diào)節(jié)控制單元軟件主要包括:

1)光照傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。主要負責采集光照傳感器的模擬量信號;

2)數(shù)據(jù)處理模塊。主要是分析、處理采集的數(shù)據(jù)和總線接收數(shù)據(jù);

3)總線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。主要完成亮度數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;

4)地面維護接口。主要完成亮度控制模型數(shù)據(jù)的下載和地面維護。

5)BIT診斷模塊。進行BIT診斷并獲取結(jié)果數(shù)據(jù)。

亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元軟件主要包括:

1)總線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。主要完成亮度數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;

2)數(shù)據(jù)處理模塊。主要是解析亮度數(shù)據(jù)，并查找調(diào)光數(shù)據(jù)表，給出PWM控制信號;

3)總線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。主要完成亮度數(shù)據(jù)、BIT診斷數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;

4)地面維護接口。主要完成調(diào)光數(shù)據(jù)的下載。

4 結(jié)束語

本文針對飛機導光板照度亮度手動調(diào)節(jié)的不足，設(shè)計了一種飛機導光板照明亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元中導光板調(diào)光數(shù)據(jù)的個別化定義，保證了駕駛艙導光板亮度的均勻性;亮度調(diào)節(jié)驅(qū)動單元中PWM調(diào)光方式的應(yīng)用，保證了導光板亮度調(diào)節(jié)過程中光色的一致性。該亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)已在實際應(yīng)用，應(yīng)用中表現(xiàn)出了功耗低、調(diào)光過程光色一致性好等優(yōu)點。

［1］李倩.LED調(diào)光控制技術(shù)在飛機導光板照明中的應(yīng)用［J］.測控技術(shù)，2010，29(11):106～111.

［2］黃瑜，林燕丹，姚其等.LED在民用飛機儀表板泛光照明中的應(yīng)用［J］.照明工程學報，2011，22(2):50～53.

［3］陳方虎，岳紅萍.飛機座艙導光板照明［J］.電子機械工程，2004，20(4):12～14.

［4］徐剛，岳三華.某飛機座艙儀表照明方案 ［C］.中國航空學會航空電氣工程第七屆學術(shù)年會論文集，2000，855～858.

［5］ Paul F.L.Weindorf，Gregory John Milne.Luminance control of automotive displays using an ambient light sensor［P］.專利國別:美國，專利號:6507286，2003，01，14.

［6］ Ki-Chan Lee，Seung-Hwan Moon，Brain Berkeley，etc.Optical feedback system with integrated color sensor on LCD ［J］.Sensors and Actuators A，2006(130～131):214～219.

［7］ Paul W.Bandy，Darrell W.Gaston，Toan D.Le，etc.System and apparatus for flight deck module integration［P］.專利國別:美國，專利號:7327283，2008，01，05.

［8］鄧海濤，戴瑜興.一種基于圖像的智能控制教室照明系統(tǒng) ［J］.照明工程學報，2009，20(2):70～73.

［9］賈冬穎，王巍.基于STC單片機LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計.照明工程學報，2010，21(2):71～73.

［10］ An-Seop Choi，Kyoo-Dong Song，Yong-Shik Kim.The characteristics of photosensors and electronic dimming ballasts in daylight responsive dimming systems.Building and Environment［J］.2005，40:39～50.