机场助航灯光监控系统的设计与实现

魏凯杰 任中秋 杨洪顺

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

随着各地民航事业发展，飞机飞行品质呈逐年提高的状态，为了满足人们日常出行需求，航班和飞行数量呈逐年增加的趋势，不同类型的航班飞机对机场条件有不同的需求，助航灯光作为机场中主要目视设施之一，在保障飞机安全飞行方面具有不可代替的作用。

深入研究发现，机场助航灯监测系统是一项新的技术改造项目，是保证航空公司在白天和黑夜条件下起降和飞行安全的关键技术[1]。尽管有关单位已经加大了该方面工作的投入，但是现有工作一直未能达到预期，因此，该文将根据现有工作的进展，从硬件、软件等方面进行研究[2]。

1 机场助航灯光监控系统

1.1 恒流调光器控制子系统设计

恒流调光器控制子系统是机场助航灯光监控系统的核心部分，其主要结构如图1所示。

图1 恒流调光器控制子系统结构

首先，采用电压、电流传感器对升压变压器次级端电压、电流环进行采集，由于采集的信号为交流信号，因此无法直接进行模数转换[3]。其次，为了解决这个问题，该文采用对实测电流进行软件过滤后再进行运算的方法，将运算结果与相应的光阶电流进行比较，然后输入数字PI调整器中。最后，利用DSP输出1个等价的正弦脉冲调制信号[4]。为了确保控制输出达到预期，输出层的节点设置3个可调参数，分别为kp、ki和kd，kp、ki和kd不能为负值，对kp、ki和kd进行设计，分别如公式（1）～公式（3）所示。

式中：k为可调控制参数；O1、O2和O3为控制过程中的3个激励函数。

在该基础上，为了对该系统进行局部控制，可以在控制台上通过按键随意调节该系统的光级。调节控制过程如公式（4）所示。

式中：g（x）为调节控制函数；h为学习速率；ex为光级。

在光级改变的情况下，采用编程算法对电压、电流进行控制，使其在一定范围内保持稳定[5]。

1.2 恒流调光器通信电路设计

恒流调光器通信电路设计也是系统硬件设计中的重要一步，将单片机作为核心控制芯片，根据如图2所示的步骤连接横流调光器通信电路。

图2 恒流调光器通信电路连接结构图

在这款MCU中有MCU的核心。MCU的核心采用8052标准的所有外部器件，包括16位通用计数器、全双工UART以及256位内建RAM等[6]。

1.3 系统通信程序设计

当系统进行RS-485串行通信时，通信帧信息格式见表1。

表1 系统RS-485串行通信通信帧信息格式

上位机最多可以连续发送3次同样的命令，每次之间的间隔为1 s。如果在间隔时间内没有收到调光器主机（单片机）正确的返回信息，那么就不再重复发送命令：如果一直没有收到调光器主机正确的返回信息，那么上位机就会将其标记为故障，该操作不再继续重新发送命令[7]。当编写Ioitemui接口程序时，要给用户提供1个进行数据连接配置的接口，并且将用户配置的设备参数信息保存在数据连接项结构中，以便在设计I/O监控接口的过程中能够更好地利用。整体通信网络结构如图3所示。

图3 系统通信网络结构

在通信的过程中，需要严格控制系统的通信量，可以将公式（5）作为依据，对系统通信进行监测。

式中：Ij为系统通信量；Pj为通信信号频谱。

通过公式（6）可以得出输出信噪比。

1.4 监控界面设计

监控系统人机界面HMI是一种高级控制软件，在2台工业控制计算机组成的结构中运行。监控系统的主要作用是发送数据采集指令，对监控系统中由单片机、DSP组成的通信环路传输的数据进行分类判断并给出提示，使灯光站的工作人员可以实时掌握机场助航灯、电力和油机的运行情况[8]。采用双备份的光纤以太网，在实现多路端口的同时，还能通过多台计算机对全港航灯系统进行单独监控。

系统通过实时数据库将现场获取的数据读取到回路信息报表中，方便对数据信息进行存储和查询。

2 系统运行的实现

2.1 系统运行

根据上文所述的内容完成系统硬件设备的安装、就位工作后，对系统进行试运行测试。采用2个工业控制计算机模拟控制塔内的监视计算机，在该基础上，用电阻丝代替卤钨灯丝。

系统中的恒流调光通信电路板处于通电状态后，系统便可以进入正常工作状态，此时，监视系统先打开View运行，实时数据库DB、Web服务器、NetServer、VRR以及I/O服务器程序等便开始采集灯光等相关数据。此时，系统的调光器面板如图4所示。

图4 系统调光器面板

在该基础上，操作组面板可以对助航灯光中电流、光级以及电压等显示功能进行调试，以这种方式对助航灯进行分组控制。在分组控制的基础上，操作控制面板进行自动化控制。在上述内容的基础上，系统可以操作服务器，与httpsvr、NetServer进行网络监控，反馈监控界面并发布到Web上，在建立机场内部联网后，可以通过IE浏览器对现场灯光等实时画面进行监控，通过上述方式使系统正常运行。

2.2 系统调试

将系统中的硬件和软件整合起来，与现场的I/O信号进行连通，通过这种方式对系统进行运行调试，调试的主要内容是调整调光器的监测和控制功能，也就是实时数据采集功能。在系统各部分尚未就位的情况下，对系统进行连接试验、异常试验。连接试验就是试验I/O信号的传送情况。异常试验就是对系统进行人工错误检测，以检验其对错误的处理和恢复能力。该系统的连通性测试主要包括2个方面，即DSP串行通信调试、DSP联合调试。

2.2.1 DSP串行通信调试

在调试程序的过程中，将单片机作为主机，将DSP作为从机，在SiaLabsIDE中选择信号NSS始终处于高电平，在该过程中发现，不能用单片机的程序控制该行为，经过反复检测发现，SPI在主要模式下，从机选择信号（NSS）是通用接口I/O管脚的输出，但是在硬件设计阶段却忽略了这一点，将单片机作为从机设备来连接，导致系统DSP通信出现了偏差。当NSS在主、从之间传输数据时，需要不断地改变其电平，不能总是保持在较低的水平，否则将导致通信错误。通过设波特率、延时等程序使主、从之间握手，并对所传送的数据进行确认，确保所传送数据的正确性。

2.2.2 DSP联合调试

在UART中断和定时中断并存的情况下，必须优先对2种中断进行处理，否则定时中断200 ms/次，将影响UART中断的发送和接收。在成功调试DSP串行通信后，采用VC++6.0编写对应的函数，检验实时数据库所发送和接收数据与预期结果是否一致。如果两者为一致状态，就说明联机调试成功，反之，说明联机调试未成功。

3 结语

因为该系统尚处于研发及试运行阶段，所以还需要对其进行更多综合检测，例如系统的稳定性检测及全负载检测，只有系统通过后续的测试，才能真正保证其运行的可靠性。同时，关于系统方案运行的选择，由于现阶段有很多现场总线标准，例如FF总线、WorldFIP总线和CAN总线等，但是并没有一个明确的选择标准，因此也可以采用其他现场总线连接现场网，例如用CAN总线替代照明控制部件的RS-485总线等。此外，根据大量实践可知，该系统的硬件设计仍有待进一步优化，因此系统还有一些具体的功能没有实现，包括电力监控子系统、油机监控子系统与现场设备的联机调试运行等。