機場助航燈光及其巡檢監(jiān)控系統(tǒng)

機場助航燈光及其巡檢監(jiān)控系統(tǒng)機場助航燈光系統(tǒng)是保障飛機在夜間、低能見度或者其它復(fù)雜天氣條件下，在航空港進(jìn)行正常的起飛、著陸、滑行的必要目視助航設(shè)備。助航燈光系統(tǒng)的工作狀況、可靠性、應(yīng)急性與飛機的安全緊密相關(guān)。為使飛行員有明晰的視覺效果和區(qū)別于其他燈光，助航燈光系統(tǒng)設(shè)置了不同的回路，由不同的回路對不同種類作不同功能使用的助航燈進(jìn)行控制。助航燈光的控制主要由塔臺和燈光站完成。從控制對象上來說，每一個回路分別由供電系統(tǒng)、恒流調(diào)光器、升壓變壓器、隔離變壓器、助航燈具及電纜組成，如圖1所示。一般情況下，由于機場助航燈數(shù)目多，跑道長，機場在跑道兩端附近分別各設(shè)有一個燈光站，位于主降端附近的稱為主燈光站，位于次降端附近的稱為次燈光站。不同回路的助航燈，通過設(shè)在燈光站控制該回路的一個調(diào)光器來控制它們的開關(guān)燈和調(diào)光等級。針對不同氣候條件下不同的能見度范圍，助航燈的調(diào)光等級設(shè)置了5個等級。圖1助航燈光結(jié)構(gòu)圖鑒于機場助航燈光對于飛機起降安全的重要性，民航總局機場司下發(fā)的工作手冊規(guī)定：燈光工作人員每天都要對所有燈泡巡檢一次，更換燒壞和發(fā)暗的燈泡。助航燈光巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)生，就是用于對整個機場所有助航燈進(jìn)行狀態(tài)檢測及監(jiān)控的。助航燈光巡檢監(jiān)控系統(tǒng)由電腦主機及與燈位等量的故障定位器，及通訊環(huán)路組成。系統(tǒng)的基本工作原理是，由安裝于隔離變壓器和燈具之間的故障定位器，實時檢測隔離變壓器和燈具的有關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過通訊環(huán)路傳輸，由監(jiān)控系統(tǒng)的電腦主機接收顯示，告知燈位的正常、老化、斷芯及封裝隔離變壓器的鐵桶進(jìn)水等狀態(tài)信息。國內(nèi)外監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)在助航燈光巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的研究上有一定的進(jìn)展。太原的無宿機場、武漢的天河機場、福建的武夷山機場、西安的咸陽機場等，先后與國內(nèi)的一些研究所聯(lián)合研制助航燈光計算機監(jiān)控和巡檢系統(tǒng)。并且在監(jiān)控方面取得一定的成就，推動我國助航燈光管理的現(xiàn)代化發(fā)展，但是在故障巡檢方面卻沒能研制出能實際應(yīng)用的成熟系統(tǒng)，在機場大規(guī)模使用時效果并不理想，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。因此國內(nèi)規(guī)模較大的機場都使用國外的助航燈光巡檢系統(tǒng)。同時，國內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)價格也偏高，一個中型機場，要實現(xiàn)助航燈光巡檢監(jiān)控兩種功能，需投資約幾百萬，這對于目前大多數(shù)并不景氣的民航機場來講是無法承受的。此外，有不少從事機場燈光工作的技術(shù)人員，針對工作上遇到的一些問題與困難，做了一些技術(shù)革新和QC課題，使問題簡單化（或部分解決），并使一些隱蔽的故障能及時有效地發(fā)現(xiàn)，這些技術(shù)上的創(chuàng)新，對于助航燈光系統(tǒng)的可靠運行，對于設(shè)備的維護(hù)都起到一定的輔助作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些大的新建機場引進(jìn)了國外的助航燈光監(jiān)控和燈泡斷芯監(jiān)測系統(tǒng)。其中南京祿口機場引進(jìn)了英國的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)；上海的浦東機場、杭州的蕭山機場先后引進(jìn)了瑞典的助航燈光監(jiān)控與燈泡斷芯監(jiān)測系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)的故障檢測都只是完成燈泡的斷芯檢測，功能單一，不能滿足我國機場的實際需要。國外的產(chǎn)品雖然能完成一定的功能，但價格高。據(jù)說上海浦東機場購買了瑞典的助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)的斷芯檢測，每盞燈折合人民幣約3000元。由于財力有限，燈泡的斷芯檢測只安裝了少數(shù)燈位，占整個機場燈光的20％左右，余下約4000多盞燈還是靠人工開車巡檢。而整個系統(tǒng)建立起來，斷芯檢測只是系統(tǒng)的一小部分。這樣昂貴的價格，對一般的機場來講是不現(xiàn)實的。售后服務(wù)也是進(jìn)口產(chǎn)品的另外一個問題。從國外引進(jìn)的系統(tǒng)，技術(shù)方面的資料很少，廠家一般不提供，這使得引進(jìn)以后，用戶對系統(tǒng)的掌握比較膚淺，給修護(hù)帶來了麻煩。遇到稍為復(fù)雜一點的問題，只能送廠家或請其公司人員來修理，修理、差旅、備件等費用也相當(dāng)高，給機場帶來沉重負(fù)擔(dān)。而且后續(xù)的軟件升級，版本更新等會帶來更多的問題。目前，國外很多機場都另外鋪設(shè)光纖，用于監(jiān)控系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的通訊。這種模式既有高速、可靠，又沒有電磁污染，并能從根本上解決巡檢系統(tǒng)的難點，能實現(xiàn)更多的檢測功能，是非常不錯的方案。國外一般機場在建設(shè)時，都有鋪設(shè)布線管，不用進(jìn)行大規(guī)模施工就能進(jìn)行光纖鋪設(shè)。但是這種方案在國內(nèi)有相當(dāng)?shù)碾y度，國內(nèi)機場除了近幾年新建外，一般都沒有預(yù)埋布線管道，有些機場將供電電纜直接布在跑道的水泥里。因此，對處于運行中的機場進(jìn)行如此大規(guī)模的施工并不現(xiàn)實，而且影響機場的正常運行。系統(tǒng)設(shè)計難點3.1現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題目前國內(nèi)外現(xiàn)有的助航燈檢測系統(tǒng)，其檢測數(shù)據(jù)的傳送，都是采取調(diào)制耦合的方案，其主要思路是利用主電纜通訊。在隔離變壓器與燈泡之間安裝檢測電路，檢測燈位信息，然后將檢測數(shù)據(jù)通過隔離變壓器的次級耦合到主電纜回路上，用載波的方式傳到調(diào)光器，由控制臺接收，然后解調(diào)顯示。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。圖2調(diào)制耦合方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖這種方案雖然不用另外構(gòu)架信道，但卻存在許多技術(shù)難題。首先是目前國內(nèi)各機場所使用的調(diào)光器種類眾多，其技術(shù)參數(shù)相差很大。雖然主要頻率均為50Hz，但輸出波形都不相同，差別也比較大。第二，根據(jù)隔離變壓器生產(chǎn)商所提供的資料，每個隔離變壓器初級兩端的電壓有效值為6～30V。如果一個調(diào)光器帶有100個負(fù)載（隔離變壓器），調(diào)光器輸出電壓有效值將達(dá)到3000V，峰值還將更高。要在這么高的電壓里可靠檢測伏級的燈位檢測信息的調(diào)制信號是相當(dāng)困難的，一點點小的干擾就會使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判斷，使整個檢測系統(tǒng)的檢測可靠性大幅度下降。第三，由于調(diào)光器的輸出電路上接了很多的隔離變壓器，隔離變壓器在回路上為感性負(fù)載，信號頻率越大阻抗就越大。要把檢測到的燈位信息用調(diào)制的方式傳送到燈光站，隔離變壓器就起著嚴(yán)重的阻礙作用。第四，由于助航燈光系統(tǒng)的供電信號原則上都是低頻的，所以隔離變壓器生產(chǎn)商在設(shè)計時并沒有考慮讓隔離變壓器能通過高頻信號，隔離變壓器的最高截止頻率僅為300Hz，這對調(diào)制信號也造成了嚴(yán)重的障礙。最后，調(diào)光器的輸出電流在供電回路上造成的頻譜，分布著廣泛的雜波，對調(diào)制信號的解調(diào)也是一個難題。因此，要想利用主電纜進(jìn)行信號傳輸，并能滿足所有調(diào)光器的方案是不可行的。這些都是目前國內(nèi)外此類系統(tǒng)可靠性難以保證并且價格昂貴的根本原因之一。而采用光纖進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的通訊，對于國內(nèi)營運中的機場來說又存在前面談到的現(xiàn)實問題，因此我們放棄了傳統(tǒng)思路，重新構(gòu)思一種新的數(shù)據(jù)傳送和通訊的思路——利用紅外通訊進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的傳送。3.2本系統(tǒng)的設(shè)計方案本課題研制的助航燈光巡檢監(jiān)控系統(tǒng)主要由電腦主機及與燈位等量的故障定位器，及紅外無線通訊環(huán)路組成。故障定位器安裝于隔離變壓器和燈具之間，實時檢測隔離變壓器和燈具的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，這與現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)基本一致。本系統(tǒng)的不同之處在與其通訊環(huán)路，系統(tǒng)首次將紅外無線通訊應(yīng)用于機場特殊環(huán)境條件下對助航燈光的燈位狀態(tài)檢測信息的傳送，燈位狀態(tài)信息經(jīng)由紅外通訊環(huán)路傳送至電腦主機顯示。紅外通訊裝置安裝于跑道邊緣，對應(yīng)于每一盞燈具，有左向、右向各一對收發(fā)器，可用于雙向數(shù)據(jù)的收發(fā)。在離燈光站和塔臺最近的燈位上，分別設(shè)置一個出口站，在紅外通訊環(huán)路中傳送的數(shù)據(jù)從這里送出環(huán)路，用RS-485的通訊接口，將環(huán)路中所有燈位的狀態(tài)數(shù)據(jù)分別傳送至燈光站和塔臺的電腦主機接收顯示。本系統(tǒng)不使用主電纜傳送檢測數(shù)據(jù)，因此與所使用的調(diào)光器性能完全無關(guān)，不影響主電纜絕緣性。是目前已知的唯一可以適用于任何調(diào)光器的助航燈光故障監(jiān)測定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下功能：(1)完成各燈位中燈泡正常、老化、斷芯、隔離變壓器故障及封裝隔離變壓器的鐵桶進(jìn)水的檢測，并可確定電纜兩對地短路點之間范圍；(2)自動處理紅外通訊環(huán)路中的故障；(3)提供故障警示信息，顯示各調(diào)光回路燈位分布圖及其它相關(guān)信息；(4)打印和存儲維修報表，存儲工作日記等。(5)光通訊環(huán)路具有多個出口，有多個調(diào)光控制室的機場可以用多臺電腦獨立地對整個機場地?zé)艄庀到y(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。3.3系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)難點本系統(tǒng)采用紅外通訊環(huán)路了進(jìn)行燈位檢測數(shù)據(jù)通訊的方案，克服和避開了前面所述的調(diào)制耦合方案所存在部分的技術(shù)困難，但它也存在其自身的技術(shù)難題。(1)紅外通訊的距離問題紅外通訊的缺點是距離很短，要使其能在相距五六十米甚至可能更長距離的兩個燈位之間可靠地傳送燈位檢測信息，不但得設(shè)法增加其通訊距離，還同時得盡可能增強其抗干擾能力，以減少自然光和人工光線對紅外傳感器的干擾。(2)檢測電路和紅外器件的工作電源問題檢測電路和紅外通訊器件的工作電源都要在隔離變壓器的次級取電，需要穩(wěn)出一個穩(wěn)定的工作電壓。燈泡正常時，隔離變壓器次級（即燈泡兩端）的電壓有效值在1－5級光變化范圍內(nèi)約6－30V，在這個范圍提取檢測器的工作電壓，是比較容易的。但在燈泡斷芯時，相當(dāng)于隔離變壓器的次級負(fù)載電阻無窮大，隔離變壓器次級的電壓就大幅度上升，根據(jù)目前測到的數(shù)據(jù)，在3級調(diào)光，次級電壓的峰值已超過400V。而根據(jù)從事燈光維修的同志介紹，有些隔離變壓器的次級電壓在5級光時高到3500V（用500型萬用表測量）。要把這么寬的電壓穩(wěn)定到檢測器的工作電壓，也是一個難題。(3)助航燈光供電及調(diào)光系統(tǒng)的多樣性不同的恒流調(diào)光器輸出的電流波形并不相同，這對上述工作電源的設(shè)計是有影響的。目前投入商業(yè)運用的調(diào)光器，根據(jù)使用功率器件的不同，分為可控硅式、磁放大器式和鐵磁諧振式。早期的調(diào)光器一般采用磁放大技術(shù)，控制比較困難，體積大；大功率可控硅出現(xiàn)后，很多調(diào)光器都使用可控硅移相調(diào)壓技術(shù)對正弦波進(jìn)行卻割從而控制輸出電流大小，但可控硅在切割瞬間很容易產(chǎn)生沖激，對整個系統(tǒng)造成很大損壞；到了近期，國外的調(diào)光器一般是結(jié)合了這兩種技術(shù)，先用可控硅對正弦波進(jìn)行切割，控制電流，再利用磁放大技術(shù)對切割后的波形進(jìn)行緩沖、整形，輸出類似正弦波的波形。但是目前國內(nèi)生產(chǎn)的調(diào)光器還是使用單純的可控硅移相調(diào)壓技術(shù)，將切割后的波形直接輸出。目前，國內(nèi)規(guī)模較大的機場一般采用英美等國進(jìn)口的調(diào)光器，而中小機場則采用國內(nèi)生產(chǎn)的調(diào)光器。北京首都、廈門高崎國際機場引進(jìn)美國CLOUSE－HINDS公司的系統(tǒng)，珠海機場引進(jìn)德國ADB公司的系統(tǒng)，武漢天河機場、汕頭機場則使用大連電子研究所生產(chǎn)的系統(tǒng)。圖3CCR－THO調(diào)光器輸出波形圖4C－H調(diào)光器輸出波形圖5HCR－2調(diào)光器輸出波形為了確保巡檢系統(tǒng)能適用于各種調(diào)光器，先后對廈門機場、汕頭機場進(jìn)行測量，圖3、4、5分別為英國THORN公司的CCR－THO調(diào)光器、美國CLOUSE－HINDS公司的C－H調(diào)光器、大連電子研究所的HCR－2調(diào)光器的輸出波形。三種調(diào)光器輸出的波形都不相同，圖3是最接近正弦波的，它的主要頻率為50Hz。圖4則出現(xiàn)波形不對稱，但這個波形的頻譜也相對比較窄，比較干凈。而國內(nèi)中小型機場普遍使用的調(diào)光器的輸出波形（圖5）相當(dāng)復(fù)雜，其頻譜非常寬。另外這種信號對主電纜、隔離變壓器等等設(shè)備都有損害，嚴(yán)格講是個不合格的產(chǎn)品?；诩t外通訊的巡檢監(jiān)控系統(tǒng)4.1通訊環(huán)路的結(jié)構(gòu)環(huán)形結(jié)構(gòu)是一種常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。環(huán)形網(wǎng)中每個節(jié)點對占用環(huán)路傳送數(shù)據(jù)都有相同權(quán)力，它發(fā)送的信息流按環(huán)路設(shè)計的流向流動。為了提高環(huán)路通訊的可靠性，可采用雙環(huán)或多環(huán)等冗余措施來解決。在本系統(tǒng)中，采用雙向環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)中某站點出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)流將反向流動，可檢測出環(huán)中的故障點，及時進(jìn)行修復(fù)。檢測系統(tǒng)通訊環(huán)路中的站點是由檢測單元構(gòu)成，負(fù)責(zé)燈光狀態(tài)的采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。大部分機場都有多個燈光站，因此要求通信網(wǎng)中要有多個出口能與燈光站聯(lián)系，圖6是本系統(tǒng)通信網(wǎng)的簡易圖，圖中站點（黑點）為燈位檢測單元，與燈光站（圖中的A站、B站、C站、D站）相鄰的又叫做出口站點。圖6機場助航燈光檢測系統(tǒng)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖為了減少加工及設(shè)計的復(fù)雜度，出口站點與檢測單元在硬件和軟件上的設(shè)計都是一樣的，不用單獨設(shè)計出口站點（量較?。?，但設(shè)計板上用一個開關(guān)來控制該單元的狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求以及機場的實際情況，本項目在FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口,FiberDistributedDataInterconnect）基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，提出多出口雙向環(huán)形網(wǎng)訪問控制方式。多出口雙向環(huán)形采用紅外線作為傳輸介質(zhì)。在FDDI中外環(huán)一般在系統(tǒng)出現(xiàn)故障是才接通使用。而雙向環(huán)形網(wǎng)則使用接力控制方式，連續(xù)使用內(nèi)外環(huán)。本系統(tǒng)采用單向控制方式，只有出口站才能主動發(fā)送命令。當(dāng)某個站點接收到命令信號，則將本站點置成“忙”，不接收下個站點的數(shù)據(jù)；然后該站點檢測自身是否有狀態(tài)數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有，則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上個站點（發(fā)送命令站點），與上個站點通訊完畢后，該站點判斷是否要將命令傳遞下去，如果是本站主動發(fā)送的，就將命令卸去，否則轉(zhuǎn)發(fā)到下個相鄰的站點。除了出口站外，任何站點都不能主動產(chǎn)生命令，都只能進(jìn)行命令的轉(zhuǎn)發(fā)與數(shù)據(jù)的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)；在環(huán)路沒有出現(xiàn)故障時，命令信號循環(huán)一周后將由出口站卸去。發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀是每個站點的基本任務(wù)，它與命令傳輸最大的區(qū)別在于每個站點都可以主動發(fā)送數(shù)據(jù)幀，站點都努力將本站的數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)）發(fā)送出去，所有數(shù)據(jù)最終由相應(yīng)出口站接收，傳給控制主機。但是，所有數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都是由于命令信號，站點根據(jù)接收到命令進(jìn)行檢測產(chǎn)生其它的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)某個站點出現(xiàn)故障，故障點的上一個站點將產(chǎn)生報錯信息，并作為一種數(shù)據(jù)發(fā)送到上上個站點，最終返回到控制主機，由主機進(jìn)行處理，如果有必要主機將發(fā)送命令按反方向進(jìn)行檢測，圖7是雙向環(huán)形網(wǎng)出現(xiàn)故障時的訪問控制過程。圖7雙向環(huán)形網(wǎng)出現(xiàn)故障時的訪問控制過程4.2紅外通訊與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計4.2.1紅外通訊的特性及調(diào)制方式無線紅外數(shù)字通訊是以紅外線作為載體來傳送數(shù)據(jù)信息，它作為無線通訊的一種，與無線電通訊相比，由于其性能價格比高，實現(xiàn)簡單，具有抗電磁干擾、便于高速應(yīng)用、空間接入靈活、經(jīng)濟(jì)的特點。系統(tǒng)中使用ASK調(diào)制方式主要考慮到下面幾個原因：(1)紅外系統(tǒng)經(jīng)常用于存在有高強度紅外輻射的環(huán)境或背景中，這種高強度紅外輻射通常是由散熱器、鎢絲點燈和人體燈熱源所產(chǎn)生的。為了使紅外系統(tǒng)能夠區(qū)分出背景環(huán)境中的紅外輻射并提供具有良好效果的傳輸范圍，發(fā)射機所發(fā)射的紅外光束總是由頻率來調(diào)制。(2)根據(jù)紅外線波長以及空氣中塵埃、水分子的特性，系統(tǒng)采用38KHz脈沖進(jìn)行調(diào)整。(3)紅外LED和光敏探測器是反應(yīng)極為快速的器件，因而一個紅外系統(tǒng)的有效傳輸范圍是由饋送給發(fā)射LED的峰值電流而不是由平均電流所決定的，因此可以降低功耗。4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)設(shè)計主要分成五個模塊：信息處理模塊、電源監(jiān)控模塊、電源模塊、紅外發(fā)射接收模塊、狀態(tài)檢測模塊。如圖8所示。圖8系統(tǒng)整體設(shè)計框圖單片機P89LPC922是信息處理模塊的核心，它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期。6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。P89LPC922集成了許多系統(tǒng)級的功能：看門狗、上電復(fù)位、2個可選擇輸入和參考源的模擬比較器、增強型UART（具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址識別和通用的中斷功能）、400kHz字節(jié)寬度的I2C通訊端口、可配置的片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍和RC振蕩器選項。這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本。(2)接收模塊紅外線數(shù)據(jù)傳輸距離較短，一般的發(fā)送接收電路不能滿足實際應(yīng)用，必須采用AGC電路更好的接收紅外數(shù)據(jù)，增長接收距離。圖9是紅外接收電路的原理框圖。圖9紅外接收模塊的原理框圖(3)發(fā)射模塊增加紅外通訊距離其中的一個辦法就是提供發(fā)射功率，即提高發(fā)射電流。但是電流也不能太大，一方面將對電源提出更高要求，在本系統(tǒng)中電源模塊是設(shè)計的最大一個難點。另一方面，紅外發(fā)射管的功率都有一定限制，一般的發(fā)射管浪涌電流不能超過1A。因此系統(tǒng)設(shè)計時采用600mA的脈沖發(fā)射電流，平均電流達(dá)到300mA，這對電源會產(chǎn)生一定的影響。圖10發(fā)射電路的原理圖為了保證發(fā)射電路能可靠的以600mA電流發(fā)射信號，電路中采用恒流源供電方式。圖10是發(fā)射電路的原理圖，圖中使用兩個紅外發(fā)射管，可以增加通訊距離。經(jīng)實地測量，使用圖9和圖10的發(fā)送接收電路，并以2400bit/S的速率傳輸數(shù)據(jù)，有效距離已達(dá)到50m，測量時也加入干擾源（日光、燈光）。4.3巡檢系統(tǒng)檢測的內(nèi)容及實現(xiàn)方式本系統(tǒng)將對燈泡老化、燈泡斷芯、隔離變壓器的封裝桶入水進(jìn)行檢測。(1)燈泡斷芯燈泡斷芯檢測是本系統(tǒng)最主要的任務(wù)，根據(jù)前面的分析可知，當(dāng)燈泡斷芯時，隔離變壓器兩邊（即燈泡兩邊）電壓將迅速上升，巡檢系統(tǒng)就利用這個特性進(jìn)行燈泡的斷芯檢測。將輸入電壓整流、分壓，接入比較器一端，由單片機檢測比較器的輸出。電路中的分壓比等參數(shù)都是根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得出的。(2)燈泡老化一些發(fā)達(dá)國家在消費觀念上與我國有很大的差別。發(fā)達(dá)國家的助航燈光，燈泡固定用1000個小時，達(dá)到這個時間后，不管壞與不壞都進(jìn)行更換。在我國就不一樣，不壞一般不換。其實比較暗的燈泡也應(yīng)該換，但暗到什么程度，沒有一個衡量的標(biāo)準(zhǔn)。只能憑肉眼估計，由于不同人對暗的判斷不一樣，形成了燈光亮度不均勻性。在能見度不好時，燈光排列有不少空缺的感覺，存在安全隱患。助航燈的燈泡與普通燈的燈泡不同，其燈泡老化時，燈泡電阻減小，由于系統(tǒng)是恒流供電，燈泡兩端電壓降低，用比較器對其電壓進(jìn)行比較判斷。由于沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實際應(yīng)用時，考慮每個機場工作人員對燈暗定義不同，在電路中加入精密可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。(3)隔離變壓器封裝桶的入水任何含有礦物質(zhì)的水均能導(dǎo)電。在隔離變壓器的封裝桶內(nèi)，水含有桶被氧化的鐵的成份，可以導(dǎo)電。本系統(tǒng)采用簡單方式，使用兩個導(dǎo)線作為探頭，有水時，兩根導(dǎo)線就會由水作介質(zhì)，形成電流。此電流作為封裝桶內(nèi)入水的標(biāo)志信號。寬交流輸入的直流穩(wěn)壓電源電子設(shè)備需要直流電源為其供電，以便使其內(nèi)部的電子電路得到正常工作所必需的能源?？紤]到成本問題，大多數(shù)設(shè)備的直流供電方式都是將交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列變換，得到所需的直流電壓?，F(xiàn)代設(shè)備中常用的穩(wěn)壓電源有兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。本系統(tǒng)中的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計也按線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行嘗試，最后根據(jù)系統(tǒng)的特性設(shè)計出能實際應(yīng)用的直流穩(wěn)壓電源。本系統(tǒng)要在四級調(diào)光的狀態(tài)下工作，根據(jù)燈泡的不同狀態(tài)（正常、老化或者斷芯），隔離變壓器的次級輸出在10V到400V以上，所以所設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源需要滿足這么寬的輸入范圍。對各大公司和電源公司進(jìn)行咨詢，目前查到的芯片（模塊）的輸入電壓范圍最大為85V到264V。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，可能有滿足要求的芯片（模塊）問世，但價格必定昂貴，無法滿足系統(tǒng)的低成本要求。(1)線性穩(wěn)壓電源方式串聯(lián)式穩(wěn)壓電路是目前應(yīng)用較多得電路，它能提供幾十毫安至十幾安培的負(fù)載電流。串聯(lián)式穩(wěn)壓電路得原理如圖11所示，圖中：RL為等效負(fù)載電阻；RS為串聯(lián)調(diào)整元件的等效可變電阻，利用它能自動調(diào)整的原理，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖11串聯(lián)式穩(wěn)壓原理從圖11進(jìn)行粗略計算便知：當(dāng)輸入電壓Ui為400V，輸出為5V，負(fù)載電流為1A時，整個Rs的損耗將達(dá)395W。即使使用復(fù)雜電路進(jìn)行改進(jìn)，也改善不了多少。由于本系統(tǒng)使用的隔離變壓器為200W，輸出電壓有所降低，Rs的損耗不可能達(dá)到395W，但也接近195W。這樣的損耗將對鐵桶產(chǎn)生影響，也使設(shè)備的老化速度劇增。實驗證實這樣的電路是無法工作的。由于沒有一種穩(wěn)壓器件能滿足12V至400V的穩(wěn)壓范圍，實驗中采用BUT11A作為調(diào)整管、LT1117作為穩(wěn)壓器件。輸入電壓為5V，輸出電流為500mA，調(diào)整管損壞達(dá)到80W，幾分鐘后BUT11A自動進(jìn)行保護(hù)狀態(tài)。(2)開關(guān)穩(wěn)壓電源方式開關(guān)電源是一種較新的穩(wěn)壓電源，它和線性穩(wěn)壓電源在原理上有本質(zhì)的區(qū)別，它的電壓調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，必須經(jīng)過儲能電路的變換才能得到平滑、穩(wěn)定的直流電壓輸出，它是通過取樣電壓控制和改變調(diào)整管導(dǎo)通或截止時間來實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出的。常用的開關(guān)穩(wěn)壓電源主要是串聯(lián)型，圖12是串聯(lián)型大致組成框圖。圖12串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源組成框圖但是開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍對開關(guān)電源的性能有較大影響。在其它條件不變的情況下，穩(wěn)壓范圍越大，轉(zhuǎn)換效率越低，且可靠性下降，反之亦然。圖13是典型串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的等效原理圖。一方面，起始時，輸入端加上400V電壓，電容C電量為零，此時開關(guān)管T的壓降達(dá)到400V，導(dǎo)致開關(guān)管集電極電流Ic增大，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)管瞬時耗散功率Pc以及開關(guān)損耗Ps的增大（因Ps隨Ic的增大而增大）；另一方面，控制開關(guān)管的脈沖并不是理想脈沖波形，有一定的上升沿和下降沿，這也導(dǎo)致開關(guān)管的耗散功率Pc增大。最終導(dǎo)致開關(guān)電源效率的降低和可靠性的下降。圖13典型串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的等效原理圖(3)輸入電壓分段處理方式單從線性或開關(guān)穩(wěn)壓電源都無法設(shè)計出滿足系統(tǒng)要求的電源。本設(shè)計在前端部分加入控制模塊，其電源模塊的原理框圖如圖14。圖14電源模塊的原理框圖降壓模塊可根據(jù)實際需要進(jìn)行增減，根據(jù)系統(tǒng)的特性，采用兩個降壓模塊，壓降比分別為：1比1和10比1。輸入控制模塊則將適當(dāng)?shù)慕祲耗K輸出接入DC/DC穩(wěn)壓模塊。最后由DC/DC穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓。當(dāng)工作在高電壓段時，效率達(dá)到70％；在低電壓段時，效率可達(dá)到80％。實際運行時，整個電源模塊的發(fā)熱量很小。4.5檢測單元的單片機控制程序設(shè)計4.5.1程序設(shè)計思想對于大部分單片機，一般都使用匯編語言或C語言進(jìn)行軟件編寫。匯編是一種低級語言，對于不同的單片機，語句往往不相同，使程序移植性降低。目前一般局限于子程序中或一些子語句中，或則是很特殊的要求中（一般是很小的程序中），這是單片機的特點所決定：要求程序高效及緊湊。因為用匯編可以消除C語言的代碼塊之間的冗余，消除C編譯器的代碼重復(fù)。匯編對于時間控制精度高的工作，優(yōu)勝于C語言，每一句指令的時間，完全可在計算之內(nèi)，C語言只能粗略把時間算出來。C語言通常稱為中級語言，其包含了高級語言和匯編語言的實用。C允許位、字節(jié)和地址操作，這是單片機的基本元素，而且C語言有著驚人的移植性。不過C51中因為加入了很多單片機的特性，使它的可移植性有所降低。C語言是一種結(jié)構(gòu)化的語言，代碼和數(shù)據(jù)的分離是結(jié)構(gòu)化語言和其它語言不同的一個特性，實現(xiàn)分離的一種方法就是使用子程序，子程序使用局部（臨時）變量，這樣，子程序有變量不影響程序其它部分的能力，這種能力使得C的程序很獨立，很容易共享。這是比匯編優(yōu)越的能力。因此，系統(tǒng)中采用C語言編寫主程序，對于時間要求精確的模塊（數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等）則采用匯編編寫。這種混編的方式使程序結(jié)構(gòu)清晰，移植性強，并且保證了控制精確度。檢測單元的單片機控制程序包括五大模塊：握手程序模塊、地址判斷模塊、狀態(tài)采集模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、出錯處理模塊。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊是通訊的基礎(chǔ)，完成二進(jìn)制檢測數(shù)據(jù)的收發(fā)，它并不提供出錯處理，數(shù)據(jù)可能因為網(wǎng)絡(luò)擁塞、鏈路故障等而造成的丟失或出錯，對此，則由主程序判斷并調(diào)用出錯處理模塊進(jìn)行處理。每個檢測單元進(jìn)行通訊時都要進(jìn)行握手，這部分主要由握手模塊處理。當(dāng)檢測單元接收到相應(yīng)的命令信號后，調(diào)用狀態(tài)采集模塊進(jìn)行信息采集，同時也調(diào)用地址判斷模塊，將得到的狀態(tài)信息和地址信息加上幀頭并進(jìn)行傳輸。程序流程圖下面根據(jù)信息時序，給出較為詳細(xì)的流程圖：(a)主流程(b)應(yīng)答流程(c)轉(zhuǎn)發(fā)處理(d)命令處理(e)中斷處理(f)狀態(tài)處理4.5.3監(jiān)控系統(tǒng)使用的幀格式在出口站無發(fā)送命令時，雙向環(huán)形網(wǎng)上無信息傳輸，每個站點都在等待接收數(shù)據(jù)。可見，雙向環(huán)形網(wǎng)中有兩種信息幀：命令幀與數(shù)據(jù)幀，為了使通訊更可靠，通訊網(wǎng)中增加了兩種信號：請求信號與應(yīng)答信號。為了減少成本及復(fù)雜度，提高處理效率，增強可靠性，設(shè)計時都盡量將幀格式簡化，同時也可增加傳輸速率。請求/應(yīng)答信號及命令采用單個字節(jié)，如圖15；數(shù)據(jù)幀則采用三個字節(jié)，如圖16。下面將參照圖15和圖16說明各比特的意義。圖15請求/應(yīng)答、命令信號圖16數(shù)據(jù)信號A：兩比特，用于區(qū)別請求/應(yīng)答、命令及數(shù)據(jù)信號。B：兩比特，在A為命令及數(shù)據(jù)信號時，這兩位用于存放出口站編號，由相應(yīng)出口站點產(chǎn)生與卸去。當(dāng)檢測到A時請求/應(yīng)答信號時，則用于區(qū)別請求信號與回答信號。C：四比特，不用信號的含義有所不同。為請求/應(yīng)答信號時，沒有定義，可進(jìn)行擴(kuò)充。為命令信號，注意控制數(shù)據(jù)流的流向（雙向），也可進(jìn)行擴(kuò)充。為數(shù)據(jù)信號，表示此幀數(shù)據(jù)的環(huán)路號，總共可表示16個環(huán)路。D：由一個字節(jié)表示，存放燈位編碼，可表示256盞燈，它與C部分（為數(shù)據(jù)信號時）一起確定該站點的地址。E：目前只使用四位，分別用于：燈泡老化、燈桶入水、燈泡斷芯、環(huán)路故障，其余也可擴(kuò)充。系統(tǒng)PC軟件的設(shè)計5.1軟件的功能需求監(jiān)控系統(tǒng)PC軟件是機場助航燈光巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的配套主控軟件，其作用是發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，并采集監(jiān)控系統(tǒng)中由單片機組成的通訊環(huán)路送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類判斷和提示，從而使維修人員可以方便的進(jìn)行故障定位和維修。系統(tǒng)具有以下功能：(1)完成各燈位中燈泡斷絲、燈泡老化、燈位進(jìn)水、隔離變壓器故障檢測數(shù)據(jù)的采集；(2)同時處理所有連入光通訊環(huán)路中所有調(diào)光回路的檢測數(shù)據(jù)；(3)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理后并存入數(shù)據(jù)庫，以備查詢；(4)能顯示機場助航燈光分布圖并提供友好人機操作界面；故障檢測器安裝于隔離變壓器和燈具之間,實時檢測隔離變壓器和燈具的有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理并通過光傳送環(huán)路直接進(jìn)入電腦主機顯示。需要時可打印出報表。光通訊環(huán)路具有多個出口，有多個調(diào)光控制室的機場可以用多臺電腦獨立地對整個機場的助航燈光系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。5.2軟件實現(xiàn)5.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖17所示，采用模塊化的設(shè)計思想，使模塊的獨立性增強，模塊之間通過數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)。其中全局?jǐn)?shù)據(jù)為Lightstate[16][256][2]。圖17系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2.2檢測流程及模塊功能檢測模塊屬于底層模塊，直接對單片機送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，在檢測的同時更新全局?jǐn)?shù)組Lightstate[16][256][2](助航燈狀態(tài)，根據(jù)要求，適應(yīng)最多16回路，每個回路最多256個燈，每個燈的信息包括回路號，燈號，燈狀態(tài),第一維代表回路號,第二維代表燈號,Lightstate[XX][XX][0]的值代表燈的信息)。檢測完畢之后，數(shù)組的信息就可以用以控制模擬圖的故障燈狀態(tài)顯示，生成[故障表]。若需要打印，則可以啟動維修處理模塊，調(diào)用[故障表]打印維修單。每次檢測的結(jié)果存于[故障記錄表],便于日后查詢。其他的機場信息及天氣信息模塊提供開放的數(shù)據(jù)接口，應(yīng)用Microsoft的DataGrid和RemoteData控件，可以實現(xiàn)信息的錄入和查詢。5.2.3檢測模塊的實現(xiàn)作為整個系統(tǒng)的底層，檢測模塊是最重要的，它是聯(lián)結(jié)硬件（單片機）和用戶界面（故障模擬圖及故障表）的主要通道。串口送來的信息編碼在該模塊中根據(jù)協(xié)議將被解釋轉(zhuǎn)換成全局?jǐn)?shù)組Lightstate[16][256][2]的狀態(tài)數(shù)據(jù)。串口通訊使用MSCOM控件，控件的各項屬性均可通過圖形界面設(shè)置，實現(xiàn)簡單，使用方便。檢測流程：(a)在提示”檢測開始?”，回車或打”Y”后，向指定串口發(fā)送左傳命令。(b)第一次發(fā)出命令之前PC機發(fā)送“請求”,當(dāng)收到“應(yīng)答”后發(fā)出命令,然后等待三個字節(jié)的狀態(tài)信息；在5秒內(nèi),沒有收到”應(yīng)答”時，在屏幕上顯示“串口故障”。之后每接收一次狀態(tài)信息之前都要握手，即PC機接收“請求”,回答“應(yīng)答”，再接收三個字節(jié)的狀態(tài)信息，直至正常結(jié)束，顯示“檢測完畢”。(c)在收到第一次左傳命令非正常中止(信息中止)時，自動再發(fā)一次左傳命令，如收到非正常結(jié)束，才自動發(fā)出右傳命令，如右傳命令非正常中止(信息中止)，則第二次發(fā)右傳命令，根據(jù)結(jié)果顯示”系統(tǒng)故障”，標(biāo)出故紙的性質(zhì)和顯示提示信息。(d)檢測模塊的程序流程圖如圖18：圖18檢測模塊流程圖5.3軟件操作說明5.3.1啟動與登陸在燈光系統(tǒng)工作后，啟動系統(tǒng)，進(jìn)入操作系統(tǒng)桌面，點擊機場助航燈故障定位系統(tǒng)圖標(biāo)，進(jìn)入檢測系統(tǒng)，可以見到啟動畫面，如圖19。單擊鼠標(biāo)左鍵，進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面，如圖20。圖19啟動畫面輸入用戶名和密碼進(jìn)入可檢測系統(tǒng)主界面。圖20登錄界面系統(tǒng)窗口及菜單主窗口分為：系統(tǒng)主菜單、助航燈模擬圖（該圖將根據(jù)實際的回路數(shù)進(jìn)行分割，回路數(shù)可設(shè)置）。圖21系統(tǒng)主窗口設(shè)有系統(tǒng)設(shè)置、顯示故障表、檢測、其它信息、幫助等五個選項。(1)系統(tǒng)設(shè)置：系統(tǒng)設(shè)置的下拉菜單有：用戶選項、所有燈狀態(tài)、系統(tǒng)配置、查看日志、初始化、退出等選項·用戶選項：用于注冊新用戶和修改密碼。新用戶注冊或老用戶修改密碼時點擊該選項，彈出用戶選項窗口,如圖22?！は到y(tǒng)配置：用于配置串口屬性及檢測時限,彈出配置窗口,如圖23?！に袩魻顟B(tài)：用于初始化時輸入各個燈對應(yīng)的環(huán)路編號，當(dāng)系統(tǒng)故障時也可由該選項查看環(huán)路故障位置，彈出所有燈狀態(tài)窗口,如圖24?！げ榭慈罩荆狐c擊該選項，可查看登錄該系統(tǒng)所有操作員的登錄時間和退出時間，以提高系統(tǒng)的安全性,彈出日志窗口，如圖25。·初始化：點擊該選項，根據(jù)機場的實際情況重新設(shè)置回路數(shù)及相關(guān)信息，彈出初始化窗口，如圖26?！ね顺觯和顺霰鞠到y(tǒng)，返回到Windows2000桌面。圖22用戶選項圖23系統(tǒng)配置圖24所有燈狀態(tài)圖25操作日志圖26初始化(2)