夜航探照燈車控制系統(tǒng)設(shè)計

朱存清， 李 宏

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

夜航探照燈車控制系統(tǒng)設(shè)計

朱存清， 李 宏

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211)

設(shè)計了一種夜航探照燈車控制系統(tǒng)，包括主控器、數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板、遙控裝置三部分，其中主控器用于燈車監(jiān)控視頻和工作參數(shù)的顯示，同時接收塔臺遙控裝置發(fā)送的無線指令控制燈車。數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板包含兩部分：數(shù)據(jù)采集板，用于對探照燈的工作參數(shù)進行采集，包括探照角度、工作電流和電壓，且利用傳感器并通過電氣隔離的方法實現(xiàn)直流信號的高精度測量；電氣驅(qū)動板，用于實現(xiàn)燈光和探照角度控制，采用汽車電子行業(yè)成熟穩(wěn)定的控制器局域網(wǎng)(CAN)總線進行通信。塔臺遙控裝置通過2.4 GHz頻段與主控器進行通信，組成星狀網(wǎng)絡(luò)控制任意一臺燈車。測試表明:燈車控制系統(tǒng)參數(shù)測量精度保持在1 %以內(nèi)、通信穩(wěn)定可靠、功能和性能均符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

燈車控制系統(tǒng); 控制器局域網(wǎng)總線; 傳感器; 電氣隔離測量; 星狀無線網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

機場助航燈光是確保飛機起飛、降落階段飛行安全的重要措施， 能夠在夜間和昏暗的天氣情況下，作為機場跑道和滑行道的重要引導(dǎo)標志，引導(dǎo)飛行員正確的起飛、降落和滑行[1，2]。

隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，對發(fā)展先進的助航燈光布燈設(shè)備也提出要求，夜航飛行時，著陸探照燈手根據(jù)信號燈指示，操控探照燈車的開、關(guān)等狀態(tài)。燈手工作于噪音大于70 dB的駕駛室內(nèi)，長時間保持精力高度集中，容易造成視覺和身體疲勞，產(chǎn)生操作不及時或誤操作。針對現(xiàn)有保障模式的弊端，在不改變探照燈車原有結(jié)構(gòu)和指揮習慣的情況下，由塔臺指揮員和探照燈手共同對探照燈車實現(xiàn)操控，可極大減輕燈手的工作強度，有效保障飛行安全。

本文介紹了一種夜航"探照燈車"控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32，液晶顯示器(LCD)等作為載體，與μC/OS-II，emWin協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了整個軟硬件系統(tǒng)，并組建了星狀無線網(wǎng)絡(luò)，控制任意一臺燈車的工作狀態(tài)。系統(tǒng)同時能夠采集燈車的各種工作參數(shù)，并顯示于主控器的LCD。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)分為主控器、數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板、塔臺遙控裝置、控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)通信電路等。主控器響應(yīng)按鍵的功能，將控制信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)的差分信號線發(fā)送至電氣驅(qū)動板以控制探照燈，同時接收數(shù)據(jù)采集板的多個傳感器上傳的工作參數(shù)并顯示在液晶上[3]，當主控器收到塔臺發(fā)送的無線指令時，通過CAN總線下傳至數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板控制探照燈，主控器對通信狀態(tài)進行檢測，發(fā)現(xiàn)故障及時提示并報警。CAN通信具有很強的抗干擾能力，通信出現(xiàn)故障時，會在顯示界面提示[4]。塔臺遙控裝置采用射頻模塊，與燈車組成星狀網(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意一臺燈車的工作狀態(tài)，燈車的故障信息也能通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至塔臺遙控裝置。

2 硬件平臺設(shè)計

2.1 主控器

主控器以STM32為核心，配合電源電路、靜態(tài)隨機存儲器(static random access memory,SRAM)、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)、報警電路、復(fù)位電路、時鐘電路、閃光燈(FLASH)、攝像頭、無線數(shù)傳模塊等外設(shè)，通過CAN總線向數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板發(fā)出指令，從而控制探照燈的工作狀態(tài)，同時數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板采集的參數(shù)亦通過CAN總線上傳至主控器；LCD和觸摸屏電路是人機交互的主要手段，顯示器顯示燈車工作狀態(tài)、工作參數(shù)；車載攝像頭OV7670將拍攝的監(jiān)控視頻實時顯示在LCD上，方便探照燈手查看[5]；無線數(shù)傳模塊用于接收塔臺遙控裝置發(fā)送的無線控制信號，同時反饋無線信號給塔臺，并與塔臺遙控裝置組成星狀網(wǎng)絡(luò)；報警電路用于當燈車的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常時，自動報警提醒燈手；系統(tǒng)使用車體自帶12 V電源為主控器和數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板供電，主控器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 主控器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板

數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板的供電電源采用車載電源12 V，與CAN總線共同由四芯電纜傳輸，一方面數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板將傳感器采集到的信息打包成CAN數(shù)據(jù)幀，通過CAN總線向上傳輸并在LCD上顯示，另一方面從CAN總線上接收控制信息，并控制固態(tài)繼電器和步進電機，實現(xiàn)燈光和探照角度控制。各種控制信號與強電設(shè)備相連時，采用光耦、固態(tài)繼電器隔離，數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 塔臺遙控裝置

遙控裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，采用NRF24L01P作為射頻芯片，芯片具有如下特點：2.4 GHz全球開放的ISM頻段，免許可證使用;最高工作速率2 Mbps，高效的GFSK調(diào)制，抗干擾能力強;125個可選頻道，滿足多點通信和調(diào)頻通信的需要。該芯片集成NORDIC的Enhanced Shock Burst協(xié)議，再配上外置天線，組合成(NRF24L01P+PA+LNA)，以250 kbps的通信速率，在開闊環(huán)境、無干擾情況下具有1 km的傳輸距離，遙控裝置能與多臺燈車組成星狀網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)視和控制探照燈的工作狀態(tài)，如果探照燈的工作參數(shù)出現(xiàn)異常，則自動上傳至塔臺遙控裝置顯示界面，當遙控裝置與燈車通信出現(xiàn)問題時，遙控裝置自動蜂鳴器報警，從而提高機場的整體運行效率[6]。

圖3 遙控裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.4 電流檢測電路

ACS712—30A由銅傳導(dǎo)電流通路和高精度、低偏移、線性的霍爾傳感器構(gòu)成，被測電流流過的線路內(nèi)阻僅1.2 mΩ，功耗很低。被測電流流過的通路與傳感器5～8引腳之間絕緣，絕緣電壓大于2.1 kV RMS。流過銅傳導(dǎo)路徑的電流產(chǎn)生磁場，能夠被片內(nèi)的霍爾集成芯片感應(yīng)并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的高精度電壓輸出，其靈敏度為66 mV/A[7]，將芯片的IP+腳短接在一起，IP-腳短接在一起，短接后連接到測試端口，測試電流時串聯(lián)到被測電路中即可。給芯片5 V供電，在6腳接上一個1 nF 電容器即可增加頻帶寬度和抗干擾能力[8]，電流檢測電路如圖4所示。理論上，初始零電流偏壓為VCC/2，經(jīng)實際測量，在環(huán)境溫度T=25 ℃時初始零電流偏壓為2.58 V，由此可得輸出電壓與被測電流之間的關(guān)系式為

Vout=2.58+0.06 6×Iin

(1)

此輸出電壓Vout經(jīng)過2只精密電阻器分壓后連接STM32的ADC引腳，經(jīng)換算可得到被測電流的大小，即

Iin=(Vout-2.58)/0.066

(2)

圖4 電流檢測電路

2.5 電壓檢測電路

系統(tǒng)采用電壓—頻率變換法(voltage to frequency conversion,VFC)。測量電路分為2個部分:

1)V-F變換部分:由AD654完成，其內(nèi)部的放大器呈現(xiàn)出250MΩ的輸入阻抗，由于此芯片輸出是一個集電極開路(open-collector,OC)門，所以外接一個上拉電阻器，理論上的非線性僅為0.06 %，輸出方波頻率與被測電壓之間的關(guān)系式為

fout=Vin/(10×Rt×Ct)

(3)

式中fout為AD654的輸出方波頻率;Vin為被測電壓；Rt為3腳上的總電阻值;Ct為6，7腳之間的電容值[9]。電壓檢測電路如圖5所示。

圖5 電壓檢測電路

2)用于電氣隔離部分的光耦PC817，為了確保正常的頻率響應(yīng)，綜合AD654和PC817的整體特性，選擇AD654的fout=5 kHz時的輸出頻率給PC817。

通過實際測量發(fā)現(xiàn)存在誤差，原因有兩點： AD654外部的阻容均非精密的，在阻值和容值上會有一定的偏移，導(dǎo)致輸出方波頻率產(chǎn)生誤差；為了穩(wěn)定匹配PC817的頻率響應(yīng)特性，選擇了AD654的fout=5 kHz時的方波輸入給PC817，由于偏離AD654的中心頻率，導(dǎo)致了輸出方波頻率產(chǎn)生誤差。上述原因造成了斜率k產(chǎn)生了畸變，但由于理論頻率和實際頻率都隨輸入電壓成正比，采用“斜率矯正法”解決輸出頻率誤差問題，斜率的矯正系數(shù)adj=∑fth/∑fac≈0.742 6，其中fth為理論頻率，fac為實際頻率，將adj引入到C程序中對原始數(shù)據(jù)進行斜率矯正，即得到高精度的測量電壓值，其核心代碼如下：

u32fout=0;//被測電壓轉(zhuǎn)化成的頻率值

void ADC_task(void *pdata) {

u16 adcx,Rt = 1;

floatCt=0.000 1,adj=0.742 6;//振蕩電容值，斜率矯正系數(shù)

while(1) {

adcx=fout*(10*adj*Rt*Ct);//被測電壓的mV值,adj為斜率矯正系數(shù)

canbuf_transmit[0] = (u8)(adcx/100);//賦值給CAN總線數(shù)據(jù)幀的DLC

canbuf_transmit[1] = (u8)(adcx%100);}}

3 燈車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

燈車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計在嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II和圖形用戶引擎emWin的基礎(chǔ)上編寫，主要包括主控器程序、數(shù)據(jù)采集程序、電氣驅(qū)動程序、無線遙控程序。

3.1 主控器軟件結(jié)構(gòu)

主控器軟件分為3個層次：驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用層。其中應(yīng)用層包括6個任務(wù)：圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)任務(wù)建立在emWin上，通過LCD輸出；按鍵任務(wù)實現(xiàn)的功能與觸摸按鍵一一對應(yīng)，即實現(xiàn)對系統(tǒng)的各種操作;無線通信任務(wù)接收塔臺遙控裝置發(fā)送的控制信號，若接收成功則向塔臺反饋信號。攝像任務(wù)將燈車攝像頭拍攝的視頻數(shù)據(jù)寫入先入先出(first in first out,FIFO)， CPU連續(xù)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)并顯示在液晶上，形成視頻圖像;CAN信息幀處理任務(wù)實現(xiàn)了對各種CAN信息幀的識別與處理;分控檢測對數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板實時檢測，實現(xiàn)了CAN協(xié)議中設(shè)備掉線檢測的功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集/驅(qū)動板軟件結(jié)構(gòu)

固態(tài)繼電器功能通過按鍵控制固態(tài)繼電器的開閉狀態(tài)從而通過電氣隔離的方式實現(xiàn)燈光控制;步進電機通過響應(yīng)按鍵的功能，控制探照燈的升起和角度旋轉(zhuǎn);傳感器數(shù)據(jù)采集通過各種傳感器(MPU6050，AD654，ACS712)測量燈車的工作參數(shù)，包括探照燈的工作電壓、工作電流、探照角度。將上述3種測量參數(shù)通過CAN總線上傳至主控器，并實時地顯示于液晶上，若參數(shù)超過允許范圍則通過蜂鳴器報警。

3.3 遙控裝置軟件結(jié)構(gòu)

無線通信任務(wù)用以響應(yīng)每個按鍵的操作，發(fā)送不同的控制命令至不同的燈車，同時接收燈車反饋的無線信號；按鍵功能實時掃描每個按鍵的按下情況，發(fā)送不同的控制指令給不同的燈車；顯示功能用于顯示燈車的工作狀態(tài)和故障信息。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 電壓檢測電路測量結(jié)果

經(jīng)過斜率矯正后的原始測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 斜率矯正后的電壓檢測電路測量數(shù)據(jù)

由表1知：矯正后的頻率值已經(jīng)非常接近理論頻率值，線性誤差可以保持在1 %以內(nèi)，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

4.2 電流檢測電路測量結(jié)果

電流檢測電路利用線性霍爾效應(yīng)進行測量，電流檢測電路的原始測量數(shù)據(jù)如表2所示,可以看出,在給定電流值的情況下，通過霍爾傳感器ACS712轉(zhuǎn)換的電壓值，其測量值接近理論值，線性誤差控制在了1 %以內(nèi)，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

表2 電流檢測電路測量數(shù)據(jù)

4.3 控制系統(tǒng)整體測試

對整個控制系統(tǒng)進行了功能和性能測試，各項功能要求和性能指標均滿足設(shè)計要求，主控器的圖形界面布局分為標題顯示區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)、攝像顯示區(qū)、觸控按鍵區(qū)。

5 結(jié)束語

夜航探照燈車嵌入式控制系統(tǒng)，由于通過軟件、硬件的設(shè)計和數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化，使得設(shè)計穩(wěn)定可靠，并且功能強大，可擴展性強，還可以加入其他的功能。 通過NRF24L01可以簡單的組建星狀網(wǎng)絡(luò)，塔臺遙控裝置可以控制星狀網(wǎng)絡(luò)里的任意一臺燈車，通過數(shù)據(jù)采集板可以高精度地采集探照燈的各種工作參數(shù)，其中工作電壓、工作電流和探照角度的測量精度均控制在了1 %以內(nèi)，完全符合控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。

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Designofcontrolsystemofnightairsearchlightvehicle

ZHU Cun-qing， LI Hong

(SchoolofInformationScienceandEngineering,NingboUniversity，Ningbo315211，China)

A night air search light vehicle control system is designed,which includes the host controller,data acquisition/driver board,remote control device.The host controller is used to control car monitor video and display working parameters,meanwhile receive wireless instructions from the remote control device to control the lamp vehicle.Data acquisition/driver board consists of two parts,one is the data acquisition board,which is used to collect working parameters of the lamp,including lamp’s angle,working current and voltage which are accomplished by means of sensor and electrical isolation measurement,the other one is electric driven board ,which is used to implement light and angle control,the control system adopts the mature and stable controller area network(CAN) bus in the automotive electronics industry for communication.The tower remote control device communicates with the main controller through the 2.4 GHz frequency band,which can form the star network to control any lamp vehicle.The test shows that the parameters of the control system are kept within 1 %,the communication is stable and reliable,the function and performance meet the requirements of system design.

light vehicle control system; controller area network(CAN) bus; sensor; electrical isolation measurement; star wireless network

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0091—04

TP 27

A

1000—9787(2017)12—0091—04

2017—10—18

朱存清(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。李 宏(1960-)，男，通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用相關(guān)研究工作，E—mail：lihong2@nbu.edu.cn。