机载外部照明系统的设计与仿真研究

　　摘要：飞机的外部照明信号标示着飞机的位置和运动方向，同时也是飞机与地面之间的联络信号。为了设计一种实用新型的飞机外部照明系统，以FX555芯片为核心，设计了飞机外部照明系统的硬件电路，利用saber软件对该电路进行了仿真实验研究。仿真结果显示，该电路能很好地实现外部照明系统的相应功能，同时也证明了该电路的正确性和实用性，对飞机外部照明系统设计具有一定的借鉴意义。
   　　0 引言
   　　照明系统是飞机的一个重要子系统，它可分为座舱内照明和外部照明，座舱内照明为机上人员提供舒适的照明环境，外部照明系统主要包括着陆滑行照明和外部灯光信号，它是飞机在夜间或复杂气象条件下飞行和准备时必不可少的条件之一。着陆滑行照明用于飞机进场着陆或滑行时照明跑道和滑行道，它一般与基于I-BUs或C-BUS电气安装总线的网络化地面照明控制相结合，目前广泛使用的有着陆灯、滑行灯或者着陆滑行灯;外部灯光信号用于标志飞机位置和运动方向，或作为飞机与飞机、飞机与地面之间的联络信号。照明系统能否正常工作、能否实现其功能直接关系着飞机的飞行安全，因此，设计一套安全、可靠、高效和实用的飞机外部照明系统电路就显得非常重要，同时它还应满足照明系统体积小、重量轻、低功耗等要求。本文以国产FX555芯片为核心，设计了飞机外部照明系统的硬件电路，利用功能强大的数模混合软件saber对该电路进行了模拟仿真，仿真结果显示该电路能很好地实现飞机外部照明系统的功能，同时也证明了该电路的正确性和实用性，对今后飞机外部照明系统的研究与设计提供了借鉴经验。
   　　1 外部照明系统的建模分析
   　　外部照明系统共有4种工作状态，分别为“亮”、“暗”、“闪”和“断”。控制系统4种状态的继电器在自动控制电路中起到控制与隔离电路的作用，而继电器通过低电压、小电流来控制其自动开关。在控制电路中，照明灯的“亮”和“断”是通过持续通电或断电来实现的，而照明灯的“暗”和“闪”是使用FX555时基集成电路来进行控制实现的。
   　　FX555芯片具有稳态工作模式和无稳态工作模式两种，其中稳态工作模式即具有施密特触发器和单稳态触发器的功能，无稳态工作模式是指没有固定的稳定状态，FX555时基电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端交替输出高电平和低电平，输出波形近似为矩形波。由于矩形波的高次谐波十分丰富，所以无稳态工作模式又称为自激多谐振荡器。无稳态工作模式的基本电路图如图1所示。
   
   　　电路初次通电时，因电容C1两端电压不能突变，FX555的2脚为低电平，从表1所示的FX555时基电路的真值表可知，FX555时基电路置位，即3脚输出高电平，内部放电晶体管截止，7脚被悬空，此时正电源VDD通过电阻R1，R2向电容C1充电，使C1两端电压不断升高，约经时间t1，C1两端电压即阈值端(6脚)电平升至2VDD/3，从表1可知，FX555时基电路翻转复位，3脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，7脚也为低电平，此时电容C1将通过R2向7脚放电，使C1两端电压(即FX555的触发端2脚电平)不断下降，约经过时间t2，电压降至VDD/3时，完成一个周期。FX555时基电路又翻转复位，3脚又输出高电平，7脚再次被悬空，正电源又通过R1，R2向C1充电，如此周而复始，电容C1不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，3脚将交替输出高电平和低电平。
   
   　　电容C1在充、放电过程中，其电压在VDD/3～2VDD/3之间变化，因此FX555的3脚输出高电平时间t1(即充电时间)为：
   
   　　当R2>>R1时，D约为50%，此时输出波形为理想对称方波。
   　　以FX555工作在无稳态模式时为核心的外部照明电路设计如图2所示。
   
   　　电路中的控制信号D，C，E和F均来自供电管理器，它们分别控制着外部照明系统的“暗”、“亮”、“闪”和“断”四种状态。
   　　电路中在FX555的3脚到电源正端之间接一个1 kΩ的上拉电阻，这样可以使3脚输出高电平时，电压值接近VDD。经过三极管接至照明负载，由电路振荡交替输出高电平和低电平，实现航行灯的4种工作状态。
    　　仿真模型中“暗”状态与“闪”状态电路原理相同，只是它们的灯光频率不同而已，灯光为“暗”时的频率要求为600Hz，灯光为“闪”时的频率为1 500 Hz，通过改变电容C1容值与电阻R1，R2的阻值使电路中控制端(5脚)所连电容的充电与放电状态的时间改变，输出脉冲占空比D随之改变，通过电路振荡交替输出的高电平和低电平时间不同，实现频率的改变。
    　　2 仿真结果分析
   　　在saber软件中，根据外部照明系统的电路图对该系统进行了仿真。仿真灯“暗”的FX555支路的外围器件参数设置为：R1=430 kΩ，R2=190 kΩ，C1=3 300 pF，C2=0.01 μF;灯“闪”的FX555支路的外围器件参数设置为R1=18 kΩ，R2=151 kΩ，C1=0.022 μF，C2=0.01 μF，分别测量这两种情况下的灯的电压波形如图3，图4所示。
   
   
   
   　　通过对外部照明灯的电压波形分析可以知道，该硬件系统设计可以实现外部照明系统灯“暗”和“闪”两种工作状态的功能，其灯光频率达到了系统要求。
   　　3 结语
   　　照明系统是飞机的一个重要子系统，尤其是外部照明系统，它不仅是飞机在夜间或复杂气象条件下飞行的必要条件，而且也是飞行人员与飞行人员、飞行人员与地面之间信号联系的重要组成部分。本文以FX555芯片为核心设计了飞机外部照明系统的硬件电路，利用saber软件对该电路进行了仿真研究，结果证明该电路可以实现飞机外部照明系统的功能，其灯光频率达到了系统要求，同时也证明了该电路的正确性和实用性，为今后设计更为先进的飞机外部照明系统提供了借鉴意义。