飞机导光板照明亮度自动调节系统设计

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1、飞机导光板照明亮度自动调节系统设计曾庆兵;冉剑;徐捷【摘 要】针对现代飞机驾驶舱照明对均匀性、舒适性要求的提高,以及现有手动亮 度调节方式费时、执行效率低的不足,本文提出一种飞机导光板照明亮度自动调节 系统,该系统以光照传感器检测环境光照度,根据亮度控制模型计算驾驶舱内各路导 光板亮度,并利用PWM脉宽调制技术调节导光板在当前环境光下的亮度，具有功耗 低、调光过程光色一致性好等优点,保证驾驶舱照明环境的均匀、舒适,且具有好的 视觉工效.【期刊名称】照明工程学报【年(卷),期】2013(024)001【总页数】5页(P106-110) 【关键词】 照明;导光板;脉冲宽度调制;自动调光【作 者】

2、曾庆兵;冉剑;徐捷【作者单位】 上海航空电器有限公司,上海 201101;上海航空电器有限公司,上海201101;上海航空电器有限公司,上海 201101【正文语种】 中 文【中图分类】 TP2721 引言导光板是一种有机玻璃板，表面涂有漫反射的涂层，光源嵌在有机玻璃板内，通过 光线在有机玻璃内传递并照明导光板上的标记。导光板安装在驾驶舱控制板上，导 光板不通电时，导光板上标记呈白色;导光板通电时，导光板上标记显示所要求的 颜色13。现代全天候飞机，要求在昼间、夜间等条件下都能飞行或作战。 为满足飞行员观察驾驶舱内信息显示设备的需要，驾驶舱照明系统应提供恰当的照 明，保证飞行员看得见、看得清驾

3、驶舱内信息显示设备上信息，且不易疲劳。导光 板照明作为驾驶舱照明系统的一部分，要求无论白天还是黑夜，导光板上标记都应 清晰可见，将驾驶舱控制板上信息准确显示给飞行员46。导光板照明亮度调节主要指在黄昏、黎明时分，此时驾驶舱外环境光由亮渐渐变暗， 为保持驾驶舱内照明环境舒适，需开启导光板照明，且随着驾驶舱外环境光的变化， 导光板照明亮度应相应调节。现有的导光板照明亮度手动调节方式在环境光变化时， 由飞行员旋转亮度控制盒上旋钮，调节出当前环境光下的导光板照明亮度。但该调 节方式需要人工参与，且若驾驶舱较大，照明区域较多，则需调节多个亮度调节旋 钮方能完成对整个驾驶舱的亮度调节，这会影响飞行效率，加

4、重飞行负担7。 针对导光板照明亮度手动调节方式的不足，以及现代飞机对驾驶舱照明舒适性要求 的提高，本文提出一种飞机导光板照明亮度自动调节系统，本亮度调节系统以光照 传感器检测驾驶舱内环境光变化，根据导光板亮度控制模型确定当前环境光下导光 板亮度值，然后利用基于 PWM 调光的分布式总线方式控制驾驶舱导光板亮度， 实现驾驶舱导光板照明亮度的自动调节。2 导光板照明亮度自动调节原理 亮度为在给定方向单位投影面上单位立体角内发射和反射的光通量。导光板亮度是 对导光板发光强度的量度。导光板亮度与导光板中光源的亮度、透光材料的导光性 能、表面涂覆材料的透光率和环境光强等相关。韦伯费希纳定律给出了人眼受到

5、某些刺激时，人眼主观亮度与光源亮度之间的关 系。人眼的主观亮度不仅与导光板光源的辐射光功率、波长有关，还与周围环境和光源的明亮对比度有关。主观亮度F与光源亮度B的对数成正比，见式（1）。其中K0和K是与周围环境亮度有关的常数。不同亮度B时，人眼能察觉的最小光 源亮度变化 Bmin取决于相对亮度变化。人眼可察觉的最小相对亮度变化 Bmin/B称为对比灵敏度阈，以6表示，其值通常在0.005-0.05之间8。导光板照明亮度自动调节时，通过光照传感器检测到环境光照度后，根据导光板亮 度控制模型确定当前环境光照度下导光板亮度值。导光板亮度控制模型定义了驾驶 舱内环境光照度和导光板亮度对应关系，该亮度控

6、制模型由视觉工效试验建立。视 觉工效试验时模拟太阳光源产生不同照度的环境光，在某一环境光照度下，由飞行 员判读导光板上视标，若观看舒适，则认为当前导光板亮度为舒适亮度，否则，旋 转导光板亮度调节旋钮，调节出舒适亮度。根据环境光照度和导光板亮度对应关系 可建立导光板亮度控制模型，视觉工效试验示意图如图1所示。图 1 视觉工效试验示意图 Fig.1 The sketch of visual ergonomics experiments3 亮度自动调节系统设计 导光板照明亮度自动调节系统包括环境光照度检测单元、亮度调节控制单元、亮度 调节驱动单元。导光板照明亮度自动调节系统原理框图如图2所示。图2飞

7、机导光板照明亮度自动调节系统原理框图Fig.2 The principle diagram of the auto-dimming system of light plane illumination环境光照度检测单元利用光照传感器检测驾驶舱内环境光照度;亮度调节控制单元 采集、处理光照传感器输出信号后得到环境光照度，根据亮度控制模型计算各路导 光板亮度值，并将亮度值通过CAN总线发送给亮度调节驱动单元;亮度调节驱动单 元接收、解析亮度值后给出与亮度值相应的PWM控制信号，并驱动导光板。3.1 系统硬件设计3.1.1 环境光变化检测单元环境光变化检测单元为光照传感器，其作用是检测环境光的光照强

8、度，将环境光照 度转换成电信号。光照传感器布置在导光板周围，光照传感器个数及安装位置根据 导光板分布及驾驶舱内光分布情况而定。光照传感器的核心器件是光敏电阻，当无 光照射时，其电阻很大，电路的暗电流很小 ;当受到光照射时，其电阻值急剧减小， 电路的电流随之迅速增加9，10。光照传感器的电路原理图如图 3所示。图 3 光照传感器电路原理图 Fig.3 The circuit diagram of light sensors 面积为S、光通量为的光照传感器其接收面可认为是理想漫散射面，发光强度 为I的点光源照射在光照传感器上时，光照传感器上平均照度E为：式中，dO为面元dS上的光通量，dw为面元d

9、S对点光源所张的立体角，e为面 元法线与照射光线间夹角，1为面元与点光源间距离。光照传感器能检测（0200）lx范围内环境光照度，输出电压范围为（05.1）VDC。3.1.2 亮度调节控制单元 亮度调节控制单元原理框图如图4所示。亮度调节控制单元为亮度控制组件，安 装在驾驶舱内操纵台上。光照传感器的模拟量输入信号经过滤波、放大及过压保护 等处理后进入DSP的ADC采样通道。DSP采样、处理光照传感器输出信号后得 到光照传感器上环境光照度，根据亮度控制模型计算每路导光板亮度，并将亮度值 通过CAN总线发送到各亮度调节驱动单元。图4亮度调节控制单元原理框图Fig.4 The principle d

10、iagram of the luminance dimming unit亮度调节控制单元具有亮度控制模型数据更新接口，通过RS232接口与外部交互 数据，亮度调节控制单元自动识别连接状态，当连接成功后，则准备更新亮度控制 模型数据。为满足亮度调节控制单元模拟信号采样、总线通信、亮度数据计算等功能要求，亮 度调节单元中采用了 CPU结构，并配置相应的滤波电路、数据存储模块及通信接 口电路等。光照传感器信号滤波电路原理图如图5所示。图 5 光照传感器信号滤波电路 Fig.5 The filter circuit diagram of light sensor signals3.1.3 亮度调节驱动

11、单元亮度调节驱动单元 （即:调光控制单元）原理框图如图6所示。亮度调节驱动单元为 导光板亮度调节驱动板，调光系统为每路导光板配置一个亮度调节驱动板。图 6 调光控制单元原理框图 Fig.6 The principle diagram of the dimming control unit导光板中发光光源为LED，驱动LED光源的方法主要为模拟调光和PWM调光。 模拟调光的缺点是随着正向电流的变化会产生色偏现象，而PWM调光通过改变 开通和关断的时间比来调光，能保证调光过程中光色的一致性。当PWM调光频 率超过100Hz时，人眼察觉不到LED闪烁。如今，在照明要求高的应用场合多采 用PWM调光。

12、本方案中，也采用PWM调光方式。亮度调节驱动单元工作时接收亮度调节控制单元通过CAN总线发送的亮度数据， 并读取EEPROM中存储的调光数据，得到该亮度下相应的占空比控制信号，亮度 调节驱动单元处理器输出的PWM控制信号经隔离处理，通过滤波电路、瞬态保 护电路等处理后驱动功率管的开关状态，根据不同的占空比达到调节导光板亮度的 目的。PWM驱动电路原理图如图7所示。图 7 PWM 驱动电路原理图 Fig.7 The diagram of the PWM drive circuit 亮度调节驱动单元中E2PROM存储的调光数据为导光板的亮度特性数据，导光板 因受光源、制造、加工、喷漆等因素影响，各

13、路导光板在相同占空比时的亮度可能 会不同。为了保证驾驶舱照明效果的协调、统一，在导光板装机前利用专用测试设 备测量导光板的亮度数据，即PWM占空比和亮度对应数据，并将调光数据通过 外部接口下载至与导光板相配套的导光板亮度调节驱动板中。3.2 系统软件设计 导光板照明亮度自动调节系统由于采用分布式总线结构，其软件分为亮度调节控制 单元软件和亮度调节驱动单元软件，亮度调节控制单元软件装载于亮度控制组件中， 亮度调节驱动单元软件装载于导光板亮度调节驱动板中。亮度调节控制单元软件主要包括:1）光照传感器数据采集模块。主要负责采集光照传感器的模拟量信号;2）数据处理模块。主要是分析、处理采集的数据和总线

14、接收数据;3）总线数据收发模块。主要完成亮度数据的接收和发送;4）地面维护接口。主要完成亮度控制模型数据的下载和地面维护。5）BIT诊断模块。进行BIT诊断并获取结果数据。 亮度调节驱动单元软件主要包括:1）总线数据收发模块。主要完成亮度数据的接收和发送;2）数据处理模块。主要是解析亮度数据，并查找调光数据表，给出 PWM 控制信 号;3）总线数据收发模块。主要完成亮度数据、BIT诊断数据的接收和发送；4）地面维护接口。主要完成调光数据的下载。4 结束语 本文针对飞机导光板照度亮度手动调节的不足，设计了一种飞机导光板照明亮度自 动调节系统。由于亮度调节驱动单元中导光板调光数据的个别化定义，保证

15、了驾驶 舱导光板亮度的均匀性；亮度调节驱动单元中 PWM 调光方式的应用，保证了导光 板亮度调节过程中光色的一致性。该亮度调节系统已在实际应用，应用中表现出了 功耗低、调光过程光色一致性好等优点。参考文献1 李倩.LED调光控制技术在飞机导光板照明中的应用J 测控技术，2010 , 29(11):106-111.2黄瑜，林燕丹，姚其等.LED在民用飞机仪表板泛光照明中的应用J.照明 工程学报，2011，22(2):50-53.3 陈方虎，岳红萍飞机座舱导光板照明J.电子机械工程，2004 , 20(4):12-14.4 徐刚，岳三华某飞机座舱仪表照明方案C.中国航空学会航空电气工程 第七届学术

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