飛機導光板照明亮度自動調節系統設計

曾慶兵 冉 劍 徐 捷

(上海航空電器有限公司，上海 201101)

1 引言

導光板是一種有機玻璃板，表面涂有漫反射的涂層，光源嵌在有機玻璃板內，通過光線在有機玻璃內傳遞并照明導光板上的標記。導光板安裝在駕駛艙控制板上，導光板不通電時，導光板上標記呈白色;導光板通電時，導光板上標記顯示所要求的顏色［1～3］。現代全天候飛機，要求在晝間、夜間等條件下都能飛行或作戰。為滿足飛行員觀察駕駛艙內信息顯示設備的需要，駕駛艙照明系統應提供恰當的照明，保證飛行員看得見、看得清駕駛艙內信息顯示設備上信息，且不易疲勞。導光板照明作為駕駛艙照明系統的一部分，要求無論白天還是黑夜，導光板上標記都應清晰可見，將駕駛艙控制板上信息準確顯示給飛行員［4～6］。

導光板照明亮度調節主要指在黃昏、黎明時分，此時駕駛艙外環境光由亮漸漸變暗，為保持駕駛艙內照明環境舒適，需開啟導光板照明，且隨著駕駛艙外環境光的變化，導光板照明亮度應相應調節。現有的導光板照明亮度手動調節方式在環境光變化時，由飛行員旋轉亮度控制盒上旋鈕，調節出當前環境光下的導光板照明亮度。但該調節方式需要人工參與，且若駕駛艙較大，照明區域較多，則需調節多個亮度調節旋鈕方能完成對整個駕駛艙的亮度調節，這會影響飛行效率，加重飛行負擔［7］。

針對導光板照明亮度手動調節方式的不足，以及現代飛機對駕駛艙照明舒適性要求的提高，本文提出一種飛機導光板照明亮度自動調節系統，本亮度調節系統以光照傳感器檢測駕駛艙內環境光變化，根據導光板亮度控制模型確定當前環境光下導光板亮度值，然后利用基于PWM調光的分布式總線方式控制駕駛艙導光板亮度，實現駕駛艙導光板照明亮度的自動調節。

2 導光板照明亮度自動調節原理

亮度為在給定方向單位投影面上單位立體角內發射和反射的光通量。導光板亮度是對導光板發光強度的量度。導光板亮度與導光板中光源的亮度、透光材料的導光性能、表面涂覆材料的透光率和環境光強等相關。

韋伯－費希納定律給出了人眼受到某些刺激時，人眼主觀亮度與光源亮度之間的關系。人眼的主觀亮度不僅與導光板光源的輻射光功率、波長有關，還與周圍環境和光源的明亮對比度有關。主觀亮度F與光源亮度B的對數成正比，見式 (1)。

其中K0和K是與周圍環境亮度有關的常數。不同亮度B時，人眼能察覺的最小光源亮度變化ΔBmin取決于相對亮度變化。人眼可察覺的最小相對亮度變化ΔBmin/B稱為對比靈敏度閾，以δ表示，其值通常在0.005～0.05之間［8］。

導光板照明亮度自動調節時，通過光照傳感器檢測到環境光照度后，根據導光板亮度控制模型確定當前環境光照度下導光板亮度值。導光板亮度控制模型定義了駕駛艙內環境光照度和導光板亮度對應關系，該亮度控制模型由視覺工效試驗建立。視覺工效試驗時模擬太陽光源產生不同照度的環境光，在某一環境光照度下，由飛行員判讀導光板上視標，若觀看舒適，則認為當前導光板亮度為舒適亮度，否則，旋轉導光板亮度調節旋鈕，調節出舒適亮度。根據環境光照度和導光板亮度對應關系可建立導光板亮度控制模型，視覺工效試驗示意圖如圖1所示。

圖1 視覺工效試驗示意圖Fig.1 The sketch of visual ergonomics experiments

3 亮度自動調節系統設計

導光板照明亮度自動調節系統包括環境光照度檢測單元、亮度調節控制單元、亮度調節驅動單元。導光板照明亮度自動調節系統原理框圖如圖2所示。

圖2 飛機導光板照明亮度自動調節系統原理框圖Fig.2 The principle diagram of the auto-dimming system of light plane illumination

環境光照度檢測單元利用光照傳感器檢測駕駛艙內環境光照度;亮度調節控制單元采集、處理光照傳感器輸出信號后得到環境光照度，根據亮度控制模型計算各路導光板亮度值，并將亮度值通過CAN總線發送給亮度調節驅動單元;亮度調節驅動單元接收、解析亮度值后給出與亮度值相應的PWM控制信號，并驅動導光板。

3.1 系統硬件設計

3.1.1 環境光變化檢測單元

環境光變化檢測單元為光照傳感器，其作用是檢測環境光的光照強度，將環境光照度轉換成電信號。光照傳感器布置在導光板周圍，光照傳感器個數及安裝位置根據導光板分布及駕駛艙內光分布情況而定。光照傳感器的核心器件是光敏電阻，當無光照射時，其電阻很大，電路的暗電流很小;當受到光照射時，其電阻值急劇減小，電路的電流隨之迅速增加［9，10］。光照傳感器的電路原理圖如圖 3所示。

圖3 光照傳感器電路原理圖Fig.3 The circuit diagram of light sensors

面積為S、光通量為Φ的光照傳感器其接收面可認為是理想漫散射面，發光強度為I的點光源照射在光照傳感器上時，光照傳感器上平均照度E為:

式中，dΦ為面元dS上的光通量，dw為面元dS對點光源所張的立體角，θ為面元法線與照射光線間夾角，l為面元與點光源間距離。

光照傳感器能檢測 (0～200)lx范圍內環境光照度，輸出電壓范圍為 (0～5.1)VDC。

3.1.2 亮度調節控制單元

亮度調節控制單元原理框圖如圖4所示。亮度調節控制單元為亮度控制組件，安裝在駕駛艙內操縱臺上。光照傳感器的模擬量輸入信號經過濾波、放大及過壓保護等處理后進入DSP的ADC采樣通道。DSP采樣、處理光照傳感器輸出信號后得到光照傳感器上環境光照度，根據亮度控制模型計算每路導光板亮度，并將亮度值通過CAN總線發送到各亮度調節驅動單元。

圖4 亮度調節控制單元原理框圖Fig.4 The principle diagram of the luminance dimming unit

亮度調節控制單元具有亮度控制模型數據更新接口，通過RS232接口與外部交互數據，亮度調節控制單元自動識別連接狀態，當連接成功后，則準備更新亮度控制模型數據。

為滿足亮度調節控制單元模擬信號采樣、總線通信、亮度數據計算等功能要求，亮度調節單元中采用了CPU結構，并配置相應的濾波電路、數據存儲模塊及通信接口電路等。光照傳感器信號濾波電路原理圖如圖5所示。

圖5 光照傳感器信號濾波電路Fig.5 The filter circuit diagram of light sensor signals

3.1.3 亮度調節驅動單元

亮度調節驅動單元 (即:調光控制單元)原理框圖如圖6所示。亮度調節驅動單元為導光板亮度調節驅動板，調光系統為每路導光板配置一個亮度調節驅動板。

圖6 調光控制單元原理框圖Fig.6 The principle diagram of the dimming control unit

導光板中發光光源為LED，驅動LED光源的方法主要為模擬調光和PWM調光。模擬調光的缺點是隨著正向電流的變化會產生色偏現象，而PWM調光通過改變開通和關斷的時間比來調光，能保證調光過程中光色的一致性。當PWM調光頻率超過100Hz時，人眼察覺不到LED閃爍。如今，在照明要求高的應用場合多采用PWM調光。本方案中，也采用PWM調光方式。

亮度調節驅動單元工作時接收亮度調節控制單元通過CAN總線發送的亮度數據，并讀取EEPROM中存儲的調光數據，得到該亮度下相應的占空比控制信號，亮度調節驅動單元處理器輸出的PWM控制信號經隔離處理，通過濾波電路、瞬態保護電路等處理后驅動功率管的開關狀態，根據不同的占空比達到調節導光板亮度的目的。PWM驅動電路原理圖如圖7所示。

圖7 PWM驅動電路原理圖Fig.7 The diagram of the PWM drive circuit

亮度調節驅動單元中E2PROM存儲的調光數據為導光板的亮度特性數據，導光板因受光源、制造、加工、噴漆等因素影響，各路導光板在相同占空比時的亮度可能會不同。為了保證駕駛艙照明效果的協調、統一，在導光板裝機前利用專用測試設備測量導光板的亮度數據，即PWM占空比和亮度對應數據，并將調光數據通過外部接口下載至與導光板相配套的導光板亮度調節驅動板中。

3.2 系統軟件設計

導光板照明亮度自動調節系統由于采用分布式總線結構，其軟件分為亮度調節控制單元軟件和亮度調節驅動單元軟件，亮度調節控制單元軟件裝載于亮度控制組件中，亮度調節驅動單元軟件裝載于導光板亮度調節驅動板中。

亮度調節控制單元軟件主要包括:

1)光照傳感器數據采集模塊。主要負責采集光照傳感器的模擬量信號;

2)數據處理模塊。主要是分析、處理采集的數據和總線接收數據;

3)總線數據收發模塊。主要完成亮度數據的接收和發送;

4)地面維護接口。主要完成亮度控制模型數據的下載和地面維護。

5)BIT診斷模塊。進行BIT診斷并獲取結果數據。

亮度調節驅動單元軟件主要包括:

1)總線數據收發模塊。主要完成亮度數據的接收和發送;

2)數據處理模塊。主要是解析亮度數據，并查找調光數據表，給出PWM控制信號;

3)總線數據收發模塊。主要完成亮度數據、BIT診斷數據的接收和發送;

4)地面維護接口。主要完成調光數據的下載。

4 結束語

本文針對飛機導光板照度亮度手動調節的不足，設計了一種飛機導光板照明亮度自動調節系統。由于亮度調節驅動單元中導光板調光數據的個別化定義，保證了駕駛艙導光板亮度的均勻性;亮度調節驅動單元中PWM調光方式的應用，保證了導光板亮度調節過程中光色的一致性。該亮度調節系統已在實際應用，應用中表現出了功耗低、調光過程光色一致性好等優點。

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