機場助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

史經(jīng)倫 翁誠 李凱濤 趙慶濤

摘 ?要：機場的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)需要保持不間斷運行狀態(tài)，給助航燈光開關(guān)燈訓(xùn)練工作帶來了一定困難，通過此文設(shè)計的助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以不受時間限制地進(jìn)行助航燈光開關(guān)燈模擬訓(xùn)練，并且在操作后能夠在機場構(gòu)型圖上形象看到操作后的助航燈光開燈情況，解決了因外場助航燈光回路多、燈具種類繁雜和數(shù)量多造成的培訓(xùn)困境，極大提高了訓(xùn)練效率和效果。

關(guān)鍵詞：助航燈光回路;燈光監(jiān)控系統(tǒng);開關(guān)燈;模擬訓(xùn)練

中圖分類號：TP311 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

機場助航燈光系統(tǒng)是保障航空器在夜間、低能見度或者其他復(fù)雜天氣條件下，進(jìn)行正常的起飛、著陸、滑行的必要目視助航設(shè)備，被譽為飛機的“眼睛”。助航燈光系統(tǒng)的安全運行與飛機的安全緊密相關(guān)。飛行區(qū)內(nèi)有跑道中線燈、跑道邊燈、滑行道中線燈、滑行道邊燈、進(jìn)近燈、順序閃光燈、入口燈和坡度燈等二十多種燈具。隨著各機場改擴建工程的不斷推進(jìn)，外場跑道和滑行道構(gòu)型發(fā)生了較大改變，助航燈光外場回路也隨之發(fā)生了變化。對于助航燈光監(jiān)控崗位來說，每條燈光回路對于飛行安全來說都至關(guān)重要，在開關(guān)燈操作中，必須嚴(yán)格遵從塔臺指令，并按照操作流程進(jìn)行開關(guān)燈操作，如果出現(xiàn)任意一條回路開關(guān)燈錯誤，都有可能危及航空安全，所以助航燈光的開關(guān)燈訓(xùn)練一直是燈光監(jiān)控崗位的重要培訓(xùn)、考核內(nèi)容。

近年來，隨著航班量的不斷增加，各機場的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)需要保持不間斷運行狀態(tài)，日常的助航燈光開關(guān)燈訓(xùn)練工作只能在燈光光級切換時或者夜晚航班間隔期間進(jìn)行。

本設(shè)計基于行業(yè)需求，設(shè)計了一款適用于各機場的助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)，燈光監(jiān)控人員能夠在上位機上模擬日常開關(guān)燈操作，獲得和實際的助航燈光操作系統(tǒng)上同樣的操作體驗，并在機場構(gòu)型圖上實時查看操作后的開關(guān)燈情況，能夠在任意時刻進(jìn)行培訓(xùn)和考核，同時，通過對整個開關(guān)燈操作流程的模擬，對于優(yōu)化操作流程和提高訓(xùn)練效率具有積極作用。目前，系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完畢，并在鄭州新鄭國際機場得到了實際應(yīng)用，系統(tǒng)可以有效提高助航燈光監(jiān)控崗位的訓(xùn)練效率，尤其在對新員工的培訓(xùn)方面，可以做到快速入手，并且具有較強的兼容性和可復(fù)制性。

1 ?助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)簡介

助航燈光監(jiān)控操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由電腦主機、STM32單片機、32路繼電器模塊及LED燈具模型沙盤構(gòu)成。其中LED燈具模型沙盤是根據(jù)機場飛行區(qū)助航燈光實際的分布情況，采用相應(yīng)顏色的LED燈鑲嵌在機場構(gòu)型圖進(jìn)行布置的，能夠模擬外場燈光的實際開關(guān)燈情況。上位機采用LabVIEW可視化編譯環(huán)境，模擬正在使用的燈光監(jiān)控系統(tǒng)界面編寫，能夠獲得同樣的操作體驗;通訊模塊采用RS232串口通信方式;控制模塊采用STM32嵌入式單片機實現(xiàn)控制功能。

由上位機發(fā)出開關(guān)燈指令，通過串口通信傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機處理數(shù)據(jù)后控制繼電器模塊，實現(xiàn)對燈具沙盤上各燈光回路的控制，由于采用和實際應(yīng)用的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)同樣的操作方式，通過這一模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的使用，達(dá)到訓(xùn)練和考核目的，系統(tǒng)實物如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ?整體硬件設(shè)計

本設(shè)計的硬件主要由STM32單片機、繼電器組電路和燈具沙盤電路組成。本系統(tǒng)的核心器件是STM32單片機，STM32系列單片機是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex?-M0、M0+、M3、M4和M7內(nèi)核，在本設(shè)計中的承擔(dān)是是采集和處理上位機發(fā)送的串口指令的作用，采用串行全雙工通信方式，將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳輸，其特點是傳輸線少，長距離傳輸時成本低。單片機將操作員在上位機界面上的操作轉(zhuǎn)變?yōu)槔^電器組的開合操作，實現(xiàn)對各燈光回路的控制。系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

2.2 ?繼電器組電路設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，繼電器組電路設(shè)計采用32路繼電器，輸出端分別是跑道和滑行道上的中線燈、邊燈、進(jìn)近燈等組成的32條燈光回路，上位機發(fā)出的控制指令最終由繼電器模塊進(jìn)行實現(xiàn)。

2.3 ?燈具沙盤電路設(shè)計

燈具沙盤的電路設(shè)計主要是各個燈光回路的設(shè)計，包含跑道中線燈、跑道邊燈、跑道入口燈、末端燈、警戒燈、禁止進(jìn)入燈、坡度燈、滑行道邊燈、滑行道中心燈等。鄭州機場有兩條跑道，南跑道尺寸為3 400×45 m，北跑道尺寸為3 600×60 m，共分布有1萬多盞助航燈具，燈具沙盤電路設(shè)計根據(jù)鄭州機場外場燈具實際情況進(jìn)行燈具模擬布置，采用集中供電，將32路繼電器串進(jìn)各燈光回路中，實現(xiàn)對燈光回路的控制。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ?系統(tǒng)軟件整體設(shè)計思路

本設(shè)計軟件部分包含兩個部分，一個是上位機程序設(shè)計，另一個是STM32單片機的軟件程序設(shè)計。上位機程序采用LabVIEW可視化的程序開發(fā)環(huán)境，STM32單片機軟件程序采用C語言編寫，上位機根據(jù)操作者的指令發(fā)送串口數(shù)據(jù)到單片機，單片機識別后控制不同的I/O口輸出高低電平，實現(xiàn)不同的繼電器控制輸出，達(dá)到控制相應(yīng)的燈光回路開關(guān)的目的。

3.2 ?LabVIEW上位機程序設(shè)計

LabVIEW上位機程序使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，以框圖的形式產(chǎn)生執(zhí)行程序。

依托不同控件，用戶可以很容易創(chuàng)建界面。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制，能夠極大節(jié)約編程時間，提高效率，本上位機界面主要實現(xiàn)的是控制輸出功能，由各個燈光回路的控制按鍵組成，包含光級的增加和減小按鍵，光級顯示框，根據(jù)《民用機場助航燈光運行維護(hù)規(guī)程》，光級顯示控制在0-5級，根據(jù)命令光級的大小可以輸出相對應(yīng)的電流，用于燈光強度的控制。其界面如圖3所示。

3.3 ?STM32單片機程序設(shè)計

STM32單片機的軟件程序設(shè)計，利用STM32庫函數(shù)操作控制，相較于使用寄存器進(jìn)行編程，庫函數(shù)會導(dǎo)致代碼量增大，影響程序運行速度，但是STM32f103系列單片機程序空間足夠大，并且每一個系列里面都有pin-to-pin的型號可以互換，如果程序空間不夠，直接替換另一個程序空間更大的兼容引腳，程序直接移植過來，幾乎不用修改。本設(shè)計使用KEIL編譯環(huán)境，其兼容STM32系列單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，容易維護(hù)，編程效率高。使用C語言編程，配合KEIL系統(tǒng)的方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具，可以極大提高軟件編程效率。其主函數(shù)程序為：

int main（void）

{

u8 t;

void jidianqi（）;

u8 len;

u16 times=0;

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）; //設(shè)置系統(tǒng)中斷優(yōu)先級分組2

delay_init（168）; //延時初始化

uart_init（115200）; //串口初始化波特率為115200

LED_Init（）; //初始化與LED連接的硬件接口

while（1）

{

if（USART_RX_STA&0x8000）

{

len=USART_RX_STA&0x3fff;//得到此次接收到的數(shù)據(jù)長度

printf（"＼r＼n您發(fā)送的消息為：＼r＼n"）;

for（t=0;t<len;t++）

{

USART_SendData（USART1， USART_RX_BUF[t]）; //向串口1發(fā)送數(shù)據(jù)

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

jidianqi（）;//繼電器執(zhí)行

}

printf（"＼r＼n＼r＼n"）;//插入換行

USART_RX_STA=0;

}else

{

times++;

if（times%200==0）printf（"請輸入數(shù)據(jù)，以回車鍵結(jié)束＼r＼n"）;

delay_ms（10）;

}

}

}

系統(tǒng)啟動后，先進(jìn)行初始化，包含串口初始化和單片機初始化。操作員每進(jìn)行一個操作，上位機都會發(fā)出一個串口指令到單片機，單片機實時檢測串口模塊接收到的串口數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，控制相應(yīng)I/O端口拉低或拉高，控制相應(yīng)的繼電器閉合或斷開，實現(xiàn)對32條燈光回路的控制。

4 ?結(jié) ?論

該助航燈光開關(guān)燈模擬訓(xùn)練采用成熟的控制技術(shù)，創(chuàng)新性地把LabVIEW和STM32單片機結(jié)合起來，LabVIEW發(fā)出的指令通過串口通信發(fā)送到單片機控制器，單片機識別指令后進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，采用可視化的研發(fā)理念，將以前燈光監(jiān)控崗位單純的開關(guān)燈操作，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢栽趯嵨锷喜榭床僮骱蟮拈_關(guān)燈結(jié)果，大大提高訓(xùn)練效果。在實際培訓(xùn)中，通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以不受時間的限制進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練，在訓(xùn)練中，嚴(yán)格遵循開關(guān)燈流程中細(xì)分的7個步驟（接聽、復(fù)述、記錄、確認(rèn)、操作、巡視和回復(fù)），更加容易養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，降低安全運行風(fēng)險。經(jīng)過測試，該設(shè)備運行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，現(xiàn)已經(jīng)在鄭州機場燈光監(jiān)控班組使用，對于助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練和考核起到了積極作用。

本設(shè)計具有較強的可移植性，在各機場改擴建過程中，飛行區(qū)構(gòu)型會發(fā)生改變，只需要改變上位機界面上的燈光回路路徑，并制作相應(yīng)的助航燈光沙盤模型，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。具有較大的應(yīng)用前景。

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作者簡介：史經(jīng)倫（1992—），男，漢族，河南周口人，職員，碩士研究生，研究方向：機場目視助航燈光。