飛機航向控制系統(tǒng)仿真動態(tài)模型平臺的設計

為增強飛行學員飛機航向控制理論直觀教學效果，采用MCS-51單片機作為系統(tǒng)CPU，完成了飛機航向控制系統(tǒng)仿真動態(tài)模型平臺的設計。通過模擬飛機操縱機構控制，直接利用匯編語言即可實現(xiàn)儀表顯示功能。試驗結果表明，系統(tǒng)響應速度快，控制顯示功能直觀，課堂教學效果好。

直觀教學是增強飛行學員理論聯(lián)系實際的有效手段，伴隨著多媒體技術的發(fā)展，如何提升傳統(tǒng)教學模型不可替代的演示功能，成為制約教學質量的關鍵。

傳統(tǒng)教學模型存在數量多、結構簡單、功能單一的缺點，但是其演示功能強，學員可以動手操作的優(yōu)點是現(xiàn)代多媒體教學方式無法替代的。飛機航向控制顯示系統(tǒng)是利用MCS-51單片機控制功能，將系統(tǒng)內多個模型綜合，采用機電控制方式實現(xiàn)系統(tǒng)多功能教學和學員操作功能。一方面可以提高教學效果，同時還可以增強教員解決教學問題的動手能力，為將來從事相關科學研究打下堅實的基礎。

1 系統(tǒng)功能要求

飛機航向控制顯示系統(tǒng)為多功能教學系統(tǒng)，本文只探討其中飛機航向控制及其相關顯示部分功能設計與實現(xiàn)。仿真模型仿照飛機座艙安裝方向舵。通過微動電門，單片機可接受方向舵三個位置信號；方向舵中立位置時，飛機航向不變化；向左蹬舵時，飛機左轉彎；向右蹬舵時，飛機右轉彎。飛機改變航向時，要求飛機航向改變方向燈光和座艙顯示儀表板上的指示燈相應地發(fā)出提示信號。打開開機電門時，所有信號燈都應閃爍。待機時，2個待機燈發(fā)出不閃爍的信號。表1為飛機航向控制顯示系統(tǒng)真值表。

在飛機航向控制顯示系統(tǒng)中，設定打開開機電門時，信號燈以高頻(約30Hz)頻率閃爍，提示使用人員準備操作。飛機航向改變或開機狀態(tài)下，信號燈和座艙顯示儀表板指示燈的閃爍頻率為1 Hz(低頻信號)。
根據飛機航向變化信號顯示控制系統(tǒng)的功能，可以用數字邏輯電路來實現(xiàn)，如圖1所示。系統(tǒng)中還應有高低頻信號發(fā)生電路和輸出驅動電路。用數字邏輯電路來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的缺點是：一旦系統(tǒng)的功能有所改動，電路也要隨之變動，靈活性較差；增加功能，實現(xiàn)難度大。

2 系統(tǒng)硬件

為適應其他功能需要，飛機航向控制顯示系統(tǒng)采用28 V直流供電，所以除單片機外，其他電路采用28 V電源。單片機內部定時器產生閃爍頻率信號。圖2是采用單片機的飛機航向顯示控制系統(tǒng)的基本電路。

在單片機系統(tǒng)中，可以利用其較強的控制功能，實現(xiàn)故障監(jiān)控和余度設計，提高系統(tǒng)的可靠性。例如飛機航向控制顯示系統(tǒng)模型教學使用頻率高、時間長，顯示器件易損耗，設計采用標準的雙信號燈并聯(lián)，以增加系統(tǒng)的冗余度，在一個信號燈出故障時，系統(tǒng)仍能正常工作。即使采用了余度技術，信號燈也全部失靈，或因發(fā)生線路上的故障而不能正常工作。因此還希望系統(tǒng)具有故障監(jiān)控功能，一旦發(fā)現(xiàn)故障，能自動報警。

圖3是這類故障監(jiān)控方案的電路，它利用T0做檢測輸入，只增加1個晶體管和幾個電阻。假定其中一個信號燈是受控斷開的(輸出口線送高電平)，而其余信號燈皆受控接通。這時晶體管Q7的6個輸入端中有5個是低電平。與受控斷開的信號燈相應的那個輸入端的電平則取決于這一路線路的狀態(tài)，若28 V電源經過信號燈、連接器、控制線和印制板都是導通的，這一路驅動晶體管也沒有發(fā)生基極與地短路的現(xiàn)象，則該輸入端應保持高電平，使Q7導通，測試口T0是低電平。若這時T0是高電平，說明相應的線路出了故障。

現(xiàn)在讓單片機發(fā)出控制使所有信號燈都接通，則Q7應截止，測試口T0應呈高電平。如果這時存在控制線與28 V電源短路或驅動晶體管斷路等故障，則Q7仍導通，T0呈低電平，表示線路中存在著另一類故障。這種故障監(jiān)控功能可以通過軟件來實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件用MCS-51系統(tǒng)布爾處理機機器指令子集匯編語言編寫。編寫程序按照系統(tǒng)功能分為三部分：第一部分是輸入、輸出口線說明和變量定義；第二部分是背景程序(主程序)；第三部分是中斷服務程序。
飛機航向控制顯示系統(tǒng)軟件程序如下：

3．1 口線說明和變量定義

程序清單中第1行至第16行是說明和定義部分。在圖中和圖中輸入輸出口線已初步擬定好。但在程序中不直接采用P1．0，P1．1等這類的口線名稱，而是采用了符號地址，即用戶自定義的有助記意義的名稱。對于一些字節(jié)變量或布爾變量也采用了助記名。這樣做給程序設計帶來了方便，提高了程序的可讀性和可維護性，一旦要改變具體的引腳或變量單元(或位)，只要在說明和定義部分略作修改，而不必把程序中所有有關的部分都一一修改。

在原理設計階段，諸如引腳功能的確定，通常是帶主觀性的。在印制電路板設計階段可能發(fā)現(xiàn)適當變化一下引腳的功能，會給電路板設計帶來極大的方便。在不采用符號地址的程序設計中，這種少量的硬件變動可能會造成大量的軟件修改量。雷同的情況還可能在其他設計階段中發(fā)生。因此，盡可能采用符號地址。

3．2 背景程序(主程序)

程序清單中第18行和第26行至第34行是背景程序。這一段程序的框圖如圖4所示。

系統(tǒng)中利用定時器／計數器0和一個軟件計數器SUB_DIV來產生為時1 s的定時信號，以實現(xiàn)低頻(1Hz)閃爍功能。

對于TH0置初值16，即F0H，使定時器0每隔4 096 μs(采用12 MHz晶體，計數頻率為1 MHz)溢出中斷一次。每次中斷后，重置TH0，并使用軟件計數器SUB_DIV的值減1。SUB_DIV的初值為244，當此值減為0時，歷經的時間為：

244×4 096×10-6=0．999 424 s

3．3 中斷服務程序

定時器0溢出中斷服務程序是整個程序的實際主體部分其框圖如圖5所示。

現(xiàn)對中斷服務程序做幾點說明：
(1)故障監(jiān)控測試過程可參見對圖3的說明。發(fā)現(xiàn)故障時。轉而執(zhí)行一跳指令CPL S_FALL，S_FALL是P2．3引腳的符號地址。若故障一直存在，則P2．3的狀態(tài)每隔1 s轉換一次。若在此引腳處接一個指示燈(硬件圖中未給出)，則告警時指示燈以0．5 Hz的頻率閃爍。
(2)關于低頻振蕩信號(1 Hz)的產生
SUB_DIV的初值為244(11110100B)，由244變到0，歷經0．999 424 s，其中SUB_DIV．7為1的時間約占117／244 s，為0的時間約占127／244 s，故從SUB_DIV．7(LO_FREQ)獲得的就是占空比接近50％(47．95％)的低頻(1 Hz)信號。
(3)關于高頻振蕩信號(30 Hz)的產生
由第66行至第70行5條指令形成占空比為62．5％的30 Hz高頻信號。軟件計數器SUB_DIV的值，由244(11110100B)變?yōu)?時，SUB_DIV的低3位可以構成8種狀態(tài)，如表2的左半部所示。在0．999 424 s中這8種狀態(tài)的重復次數=11110B=30。故把低3位的狀態(tài)以某種方式組合起來，就可以形成一定占空比30 Hz的高頻信號。

表2的右半部分表示不同占空比的信號作用下，在每個周期的8個狀態(tài)時刻中信號燈通斷情況。在50％占空比下信號燈的光不夠亮，故本系統(tǒng)采用62．5％的占空比。上述幾條指令的執(zhí)行結果使PARK=1(模型待機)的狀態(tài)下DIM=SUB_DIV．20R(SUB_DIV．1AND SUB_DIV．0)，由表2可以看出，在8個狀態(tài)時刻中，前3個狀態(tài)信號燈斷開(DIM=0)，后5個狀態(tài)信號燈接通(DIM=1)，形成占空比為62．5％的30 Hz高頻信號。

調節(jié)閃爍信號的亮度可以靠對SUB_DIV的低3位進行不同的邏輯操作來實現(xiàn)，例如SUB_DIV．1 ORSUB_DIV．2的結果得占空比75％；SUB_D IV．0 ORSUB_DIV．1 OR SUB_DIV．2的結果得占空比為87．5％等。但要注意，在這8個狀態(tài)時刻中，信號燈只能通斷各一次，否則閃爍頻率就變了。

(4)關于各種信號的形成

由第102行至第113行是程序的基本部分，它們根據系統(tǒng)的輸入狀態(tài)(各開關的位置)來計算送給指示燈的信號。這一段程序用布爾處理機完全實現(xiàn)了圖1所示的邏輯功能。

4 結論

采用單片機實現(xiàn)飛機航向控制顯示系統(tǒng)模型控制，具有系統(tǒng)響應速度快，控制顯示功能直觀，課堂教學效果好的特點。經過近2年教學使用和跟蹤調查，飛行學員在學科考試該部分內容掌握非常好，后期飛行訓練階段相關內容與飛行實際結合效果反映較好。目前按照學科組劃分，對其他相關飛機系統(tǒng)模型進行功能組合，以MCS-51單片機開發(fā)系統(tǒng)為基礎，開展相關系統(tǒng)教學模型的設計，并與多媒體技術交聯(lián)，實現(xiàn)學科專修室建設。