機(jī)場(chǎng)助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏凱杰 任中秋 楊洪順

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著各地民航事業(yè)發(fā)展，飛機(jī)飛行品質(zhì)呈逐年提高的狀態(tài)，為了滿足人們?nèi)粘３鲂行枨?，航班和飛行數(shù)量呈逐年增加的趨勢(shì)，不同類型的航班飛機(jī)對(duì)機(jī)場(chǎng)條件有不同的需求，助航燈光作為機(jī)場(chǎng)中主要目視設(shè)施之一，在保障飛機(jī)安全飛行方面具有不可代替的作用。

深入研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)場(chǎng)助航燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一項(xiàng)新的技術(shù)改造項(xiàng)目，是保證航空公司在白天和黑夜條件下起降和飛行安全的關(guān)鍵技術(shù)[1]。盡管有關(guān)單位已經(jīng)加大了該方面工作的投入，但是現(xiàn)有工作一直未能達(dá)到預(yù)期，因此，該文將根據(jù)現(xiàn)有工作的進(jìn)展，從硬件、軟件等方面進(jìn)行研究[2]。

1 機(jī)場(chǎng)助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 恒流調(diào)光器控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

恒流調(diào)光器控制子系統(tǒng)是機(jī)場(chǎng)助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 恒流調(diào)光器控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，采用電壓、電流傳感器對(duì)升壓變壓器次級(jí)端電壓、電流環(huán)進(jìn)行采集，由于采集的信號(hào)為交流信號(hào)，因此無(wú)法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[3]。其次，為了解決這個(gè)問(wèn)題，該文采用對(duì)實(shí)測(cè)電流進(jìn)行軟件過(guò)濾后再進(jìn)行運(yùn)算的方法，將運(yùn)算結(jié)果與相應(yīng)的光階電流進(jìn)行比較，然后輸入數(shù)字PI調(diào)整器中。最后，利用DSP輸出1個(gè)等價(jià)的正弦脈沖調(diào)制信號(hào)[4]。為了確?？刂戚敵鲞_(dá)到預(yù)期，輸出層的節(jié)點(diǎn)設(shè)置3個(gè)可調(diào)參數(shù)，分別為kp、ki和kd，kp、ki和kd不能為負(fù)值，對(duì)kp、ki和kd進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別如公式（1）～公式（3）所示。

式中：k為可調(diào)控制參數(shù)；O1、O2和O3為控制過(guò)程中的3個(gè)激勵(lì)函數(shù)。

在該基礎(chǔ)上，為了對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行局部控制，可以在控制臺(tái)上通過(guò)按鍵隨意調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的光級(jí)。調(diào)節(jié)控制過(guò)程如公式（4）所示。

式中：g（x）為調(diào)節(jié)控制函數(shù)；h為學(xué)習(xí)速率；ex為光級(jí)。

在光級(jí)改變的情況下，采用編程算法對(duì)電壓、電流進(jìn)行控制，使其在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定[5]。

1.2 恒流調(diào)光器通信電路設(shè)計(jì)

恒流調(diào)光器通信電路設(shè)計(jì)也是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的重要一步，將單片機(jī)作為核心控制芯片，根據(jù)如圖2所示的步驟連接橫流調(diào)光器通信電路。

圖2 恒流調(diào)光器通信電路連接結(jié)構(gòu)圖

在這款MCU中有MCU的核心。MCU的核心采用8052標(biāo)準(zhǔn)的所有外部器件，包括16位通用計(jì)數(shù)器、全雙工UART以及256位內(nèi)建RAM等[6]。

1.3 系統(tǒng)通信程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行RS-485串行通信時(shí)，通信幀信息格式見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)RS-485串行通信通信幀信息格式

上位機(jī)最多可以連續(xù)發(fā)送3次同樣的命令，每次之間的間隔為1 s。如果在間隔時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到調(diào)光器主機(jī)（單片機(jī)）正確的返回信息，那么就不再重復(fù)發(fā)送命令：如果一直沒(méi)有收到調(diào)光器主機(jī)正確的返回信息，那么上位機(jī)就會(huì)將其標(biāo)記為故障，該操作不再繼續(xù)重新發(fā)送命令[7]。當(dāng)編寫Ioitemui接口程序時(shí)，要給用戶提供1個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接配置的接口，并且將用戶配置的設(shè)備參數(shù)信息保存在數(shù)據(jù)連接項(xiàng)結(jié)構(gòu)中，以便在設(shè)計(jì)I/O監(jiān)控接口的過(guò)程中能夠更好地利用。整體通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在通信的過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制系統(tǒng)的通信量，可以將公式（5）作為依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

式中：Ij為系統(tǒng)通信量；Pj為通信信號(hào)頻譜。

通過(guò)公式（6）可以得出輸出信噪比。

1.4 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面HMI是一種高級(jí)控制軟件，在2臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成的結(jié)構(gòu)中運(yùn)行。監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)中由單片機(jī)、DSP組成的通信環(huán)路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分類判斷并給出提示，使燈光站的工作人員可以實(shí)時(shí)掌握機(jī)場(chǎng)助航燈、電力和油機(jī)的運(yùn)行情況[8]。采用雙備份的光纖以太網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)多路端口的同時(shí)，還能通過(guò)多臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)全港航燈系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)控。

系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)將現(xiàn)場(chǎng)獲取的數(shù)據(jù)讀取到回路信息報(bào)表中，方便對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。

2 系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行

根據(jù)上文所述的內(nèi)容完成系統(tǒng)硬件設(shè)備的安裝、就位工作后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行測(cè)試。采用2個(gè)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)模擬控制塔內(nèi)的監(jiān)視計(jì)算機(jī)，在該基礎(chǔ)上，用電阻絲代替鹵鎢燈絲。

系統(tǒng)中的恒流調(diào)光通信電路板處于通電狀態(tài)后，系統(tǒng)便可以進(jìn)入正常工作狀態(tài)，此時(shí)，監(jiān)視系統(tǒng)先打開View運(yùn)行，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)DB、Web服務(wù)器、NetServer、VRR以及I/O服務(wù)器程序等便開始采集燈光等相關(guān)數(shù)據(jù)。此時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)光器面板如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)調(diào)光器面板

在該基礎(chǔ)上，操作組面板可以對(duì)助航燈光中電流、光級(jí)以及電壓等顯示功能進(jìn)行調(diào)試，以這種方式對(duì)助航燈進(jìn)行分組控制。在分組控制的基礎(chǔ)上，操作控制面板進(jìn)行自動(dòng)化控制。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以操作服務(wù)器，與httpsvr、NetServer進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，反饋監(jiān)控界面并發(fā)布到Web上，在建立機(jī)場(chǎng)內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)后，可以通過(guò)IE瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)燈光等實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)上述方式使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)調(diào)試

將系統(tǒng)中的硬件和軟件整合起來(lái)，與現(xiàn)場(chǎng)的I/O信號(hào)進(jìn)行連通，通過(guò)這種方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，調(diào)試的主要內(nèi)容是調(diào)整調(diào)光器的監(jiān)測(cè)和控制功能，也就是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能。在系統(tǒng)各部分尚未就位的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連接試驗(yàn)、異常試驗(yàn)。連接試驗(yàn)就是試驗(yàn)I/O信號(hào)的傳送情況。異常試驗(yàn)就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人工錯(cuò)誤檢測(cè)，以檢驗(yàn)其對(duì)錯(cuò)誤的處理和恢復(fù)能力。該系統(tǒng)的連通性測(cè)試主要包括2個(gè)方面，即DSP串行通信調(diào)試、DSP聯(lián)合調(diào)試。

2.2.1 DSP串行通信調(diào)試

在調(diào)試程序的過(guò)程中，將單片機(jī)作為主機(jī)，將DSP作為從機(jī)，在SiaLabsIDE中選擇信號(hào)NSS始終處于高電平，在該過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不能用單片機(jī)的程序控制該行為，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，SPI在主要模式下，從機(jī)選擇信號(hào)（NSS）是通用接口I/O管腳的輸出，但是在硬件設(shè)計(jì)階段卻忽略了這一點(diǎn)，將單片機(jī)作為從機(jī)設(shè)備來(lái)連接，導(dǎo)致系統(tǒng)DSP通信出現(xiàn)了偏差。當(dāng)NSS在主、從之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要不斷地改變其電平，不能總是保持在較低的水平，否則將導(dǎo)致通信錯(cuò)誤。通過(guò)設(shè)波特率、延時(shí)等程序使主、從之間握手，并對(duì)所傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，確保所傳送數(shù)據(jù)的正確性。

2.2.2 DSP聯(lián)合調(diào)試

在UART中斷和定時(shí)中斷并存的情況下，必須優(yōu)先對(duì)2種中斷進(jìn)行處理，否則定時(shí)中斷200 ms/次，將影響UART中斷的發(fā)送和接收。在成功調(diào)試DSP串行通信后，采用VC++6.0編寫對(duì)應(yīng)的函數(shù)，檢驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)所發(fā)送和接收數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果是否一致。如果兩者為一致?tīng)顟B(tài)，就說(shuō)明聯(lián)機(jī)調(diào)試成功，反之，說(shuō)明聯(lián)機(jī)調(diào)試未成功。

3 結(jié)語(yǔ)

因?yàn)樵撓到y(tǒng)尚處于研發(fā)及試運(yùn)行階段，所以還需要對(duì)其進(jìn)行更多綜合檢測(cè)，例如系統(tǒng)的穩(wěn)定性檢測(cè)及全負(fù)載檢測(cè)，只有系統(tǒng)通過(guò)后續(xù)的測(cè)試，才能真正保證其運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，關(guān)于系統(tǒng)方案運(yùn)行的選擇，由于現(xiàn)階段有很多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，例如FF總線、WorldFIP總線和CAN總線等，但是并沒(méi)有一個(gè)明確的選擇標(biāo)準(zhǔn)，因此也可以采用其他現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)，例如用CAN總線替代照明控制部件的RS-485總線等。此外，根據(jù)大量實(shí)踐可知，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，因此系統(tǒng)還有一些具體的功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，包括電力監(jiān)控子系統(tǒng)、油機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的聯(lián)機(jī)調(diào)試運(yùn)行等。