CN105675010A - 一种组合式飞机大气数据仪表及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式飞机大气数据仪表及其控制方法，包括：处理控制单元、气压测量单元、液晶显示屏、控制面板和电源单元，所述处理控制单元分别与气压测量单元、液晶显示屏、控制面板和电源单元相连，处理控制单元设有校准接口。方法包括：1)处理控制单元对气压测量单元数据采集程序采集各种空速和高度参数进行存储；2)数据处理程序计算出需要显示的数据，进过滤波处理，剔除突变值；3)显示程序更新液晶屏界面的显示；4)控制面板的操作采用外部IO中断方式触发处理控制单元更新显示结果。该仪表综合传统仪表界面为一体，飞行员可以根据需要进行切换，方便操作，可靠性高。

Description

一种组合式飞机大气数据仪表及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种航空飞机电子仪表，特别是涉及一种组合式大气数据仪表。

背景技术

飞机仪表板上安装有空速表、气压高度表、垂直速度表三种仪表。小飞机中由于价格因素、仪表板面积限制，一般采用模拟式独立仪表。这种仪表结构简单、反应快，但是这些仪表为独立仪表，数量较多，占用仪表板面积大，图4-6分别出示了传统空速表界面、传统气压高度表界面和传统垂直速度表界面。飞机上还需要安装其他仪表，因此空间比较紧张。同时膜盒式仪表累计误差较大，校准不方便。仪表越多，校准工作时间越长、工作量越大。由于小飞机受成本因素影响大，无法安装昂贵的综合电子仪表，并且飞行员熟悉模拟式独立仪表的表盘，不希望仪表盘变化较大。因此小飞机仪表板很难减少仪表数量和面积。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，设计一种组合式飞机大气数据仪表，为一种集成了气压高度表、空速表和垂直速度表的组合式飞机大气数据仪表，飞行员可以根据需要进行切换，方便操作，可靠性高。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

本发明实施例提供一种组合式飞机大气数据仪表，其特征在于，包括：

处理控制单元，用于将气压测量单元测得各种数据进行处理和控制；

气压测量单元，用于测量包括差压和静压大气气压相关参数；

液晶显示屏，用于仪表表盘综合数字的显示；

控制面板，包括按键和旋钮，用于完成仪表界面的切换和场压修改；

电源单元，用于将飞机电源转换为各硬件功能单元的供电电压；

所述处理控制单元分别与气压测量单元、液晶显示屏、控制面板和电源单元相连，处理控制单元设有校准接口。

进一步，所述处理控制单元采用嵌入式ARMCortex-M3芯片作为处理器，主频72MHz；具有复位电路、晶振、滤波保护电路和接口匹配电路；处理控制单元具有IIC接口、GPIO接口、LCD接口和RS232接口。

进一步，所述气压测量单元包括静压传感器和动压传感器；所述静压传感器和动压传感器采用IIC总线数字传感器。

进一步，所述控制面板包括按键和旋钮，按键和旋钮控制接口接入处理控制单元的GPIO输入端，通过外部中断触发处理器。

进一步，所述液晶显示屏选择成熟的工业级宽温4.3寸OLED显示屏。

进一步，所述电源单元输入为机载12V直流电源，经过滤波、防浪涌电路和电圧转换电路，输出5V、3.3V电压。

相应地，本发明揭示了一种组合式飞机大气数据仪表控制方法，包括下述步骤：

1)处理控制单元对气压测量单元的数据采集程序以10Hz的速率采集各种空速和高度参数，并存放在相应的内存中；

2)数据处理程序以10Hz的速率从对应的内存中取数据并计算出需要显示的数据，其中数据处理程序读取数据后进过滤波处理，剔除毛刺、突变值；

3)显示程序以10Hz的速率更新液晶屏界面的显示，通过虚拟方式绘制出传统气压高度表、空速表和垂直速度表表盘，显示到液晶屏上；

4)控制面板的操作采用外部IO中断方式触发处理控制单元，更新显示结果。

进一步，步骤2)中，数据处理程序中空速的计算方法为：取出内存中的差压值，根据空速－差压公式计算空速，公式为：

$V=C_n*\sqrt{\frac{2}{k-1}*({\left(\frac{P_c+P_n}{P_n}\right)}^{\frac{k-1}{k}}-1)}$

其中：V为空速；Cn为海平面标准声速；k为绝热指数；Pn为海平面标准大气压力；Pc为大气差压。

进一步，步骤2)中，数据处理程序中高度的计算方法为：取出内存中静压值，根据气压高度-静压计算公式计算气压高度，公式为：

$H=\frac{T_b}{-\mathrm{\ρ}}*({\left(\frac{P_s}{P_b}\right)}^{\frac{(\mathrm{\ρ}*R)}{g_n}}-1)+H_b$

其中：H为气压高度；Ps为大气绝压；Tb为相应层下界大气温度；ρ为大气密度；Pb为相应层下界大气压力；R为专用气体常数；gn为自由落体标准加速度；H_b为相应层下界高度。

进一步，系统设置有连接计算机的RS232串口与仪表的校准接口，将测量出空速表、气压高度表、和垂直速度表的校准数据写入到仪器中，校准程序接收校准数据，将其存储到内部存储器中，然后仪表重启，将读取校准数据，修正空速、气压高度、垂直速度显示数据。

本发明与现有技术相比，具有下述特点：

1)组合式飞机大气数据仪表采用传感器融合方法代替膜盒式气压传动机构。将静压传感器和动压传感器综合为一个气压测量单元。

2)组合式飞机大气数据仪表通过虚拟方式绘制出传统气压高度表、空速表和垂直速度表表盘，显示到液晶屏上。显示方式与模拟式独立仪表显示保持一致，并预留数字综合显示界面。飞行员可以根据需要进行切换。

3)组合式飞机大气数据仪表装于一个壳体内。壳体前面板采用矩形结构，后壳采用31/4〞标准尺寸，与传统仪表安装方式兼容。壳体后端具有全压管和静压管气嘴。

4)组合式飞机大气数据仪表对气压高度、空速、垂直速度统一进行校准，通过RS232接口写入校准数据。

附图说明

图1为本发明的系统硬件原理框图；

图2是本发明的软件流程图；

图3是本发明的界面显示流程图；

图4是传统空速表界面；

图5是传统气压高度表界面；

图6是传统垂直速度表界面；

图7是本发明的综合仪表界面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种组合式飞机大气数据仪表，包括：

处理控制单元，用于将气压测量单元测得各种数据进行处理和控制；

气压测量单元，用于测量包括差压和静压大气气压相关参数；

液晶显示屏，用于仪表表盘综合数字的显示；

控制面板，包括按键和旋钮，用于完成仪表界面的切换和场压修改；

电源单元，用于将飞机电源转换为各硬件功能单元的供电电压；

所述处理控制单元分别与气压测量单元、液晶显示屏、控制面板和电源单元相连，处理控制单元设有校准接口。上述所有单元设置在壳体内。

其中：处理控制单元采用嵌入式ARMCortex-M3芯片作为处理器，主频72MHz。具有复位电路、晶振、滤波保护电路和接口匹配电路。处理控制单元具有IIC接口、GPIO接口、LCD接口和RS232接口。

气压测量单元包括静压传感器和动压传感器。静压传感器和动压传感器采用IIC总线数字传感器，从而减少模拟调理电路，降低复杂度，提高抗干扰性。气压测量单元通过4芯线缆连接处理控制单元；

控制面板包括按键和旋钮，通过5芯线缆连接处理控制单元。按键和旋钮控制接口接入处理控制单元的GPIO输入端，通过外部中断触发处理器。

液晶显示屏选择成熟的工业级宽温4.3寸OLED显示屏，响应速度快、无拖尾、视角宽和对比度高。通过20芯线缆和处理控制单元相连。

电源单元输入为机载12V直流电源，经过滤波、防浪涌电路和电圧转换电路，输出5V、3.3V电压。为传感器、液晶屏、按键、旋钮供电。

校准接口，用于将校准数据写入仪表存储器，完成仪表的校准。

壳体前面板采用矩形框，安装液晶屏、按键、旋钮。后壳采用31/4〞标准尺寸，与传统仪表安装方式兼容。壳体后端具有DB9连接器和宝塔状静压、全压管气嘴。

本发明出示了组合式飞机大气数据仪表控制方法，其包括初始化程序、硬件驱动程序、数据采集程序、数据处理程序、人机交互程序、显示程序和校准程序。

硬件驱动程序提供应用软件访问硬件的接口，完成采集、控制功能；数据采集程序通过硬件驱动程序，采集静压、动压各种参数；数据处理程序把采集的气压值转换成空速值、高度值和垂直速度值；人机交互程序接收来自控制面板的操作，响应并触发显示程序或者数据处理程序；显示程序用于在液晶屏上绘制各种点、线、字符、图形、表盘等内容，显示传统气压高度表、传统空速表、传统垂直速度表和综合数字显示界面，更新表头指针位置或者数字显示；校准程序通过校准接口接收校准数据，存储于内部存储器中，完成气压高度表、空速表、垂直速度表的校准。

软件处理流程图如图2所示，包括下述步骤：

1)系统初始化，上电读取校准数据；

2)处理控制单元判断是否接收到命令，接到则进入步骤3)进行串口命令解析；否则，进入步骤5)通过气压测量单元中的静压传感器和动压传感器进行数据采集；

3)对串口命令解析后，进行标定处理；

4)处理控制单元重新启动；

5)对静压传感器和动压传感器采集的空速和高度数据进行处理；

6)显示数据处理后的结果。

该组合式飞机大气数据仪表控制方法如下：

1)处理控制单元对气压测量单元的数据采集程序以10Hz的速率采集各种参数，并存放在相应的内存中；

2)数据处理程序以10Hz的速率从对应的内存中取数据并计算出需要显示的数据，其中数据处理程序读取数据后进过滤波处理，剔除毛刺、突变值；

3)显示程序以10Hz的速率更新液晶屏界面的显示，通过虚拟方式绘制出传统气压高度表、空速表和垂直速度表表盘，显示到液晶屏上；

4)控制面板的操作采用外部IO中断方式触发处理控制单元，更新显示结果。

其中，步骤2)中，数据处理程序中空速的计算方法为：取出内存中的差压值，根据空速－差压公式计算空速，公式为：

$V=C_n*\sqrt{\frac{2}{k-1}*({\left(\frac{P_c+P_n}{P_n}\right)}^{\frac{k-1}{k}}-1)}$

其中：V为空速；Cn为海平面标准声速，取值340.294；k为绝热指数，取值为1.4；Pn为海平面标准大气压力，取值为101325；Pc为大气差压。

数据处理程序中高度的计算方法为：取出内存中静压值，根据气压高度-静压计算公式计算气压高度，公式为：

$H=\frac{T_b}{-\mathrm{\ρ}}*({\left(\frac{P_s}{P_b}\right)}^{\frac{(\mathrm{\ρ}*R)}{g_n}}-1)+H_b$

其中：H为气压高度；Ps为大气绝压；Tb为相应层下界大气温度，取值288.15；ρ为大气密度，取值0.0065；Pb为相应层下界大气压力，取值101325；R为专用气体常数，取值287.05287；gn为自由落体标准加速度，取值9.80665；H_b为相应层下界高度，取值0。

进一步，系统设置有校准接口，校准程序采用串口中断方式接收串口校准数据，接收完成后进入校准流程。

仪表校准程序采用一个校准接口同时对空速表、气压高度表和垂直速度表进行校准。方法为：在专用仪器的激励下，测量出空速表、气压高度表、和垂直速度表的校准数据，连接计算机的RS232串口与仪表的校准接口，将校准数据写入到仪器中，校准程序接收校准数据，将其存储到内部存储器中，然后仪表重启，将读取校准数据，修正空速、气压高度、垂直速度显示数据。

进一步，显示程序以10Hz的速率刷新液晶屏，根据选择的界面读取相应的界面刷新函数，驱动液晶屏显示。由于处理控制单元采用处理器为低成本处理器，性能有限，因此需要将每一个传统仪表界面显示要素分为底色、表盘、指针三部分分别进行显示。显示时首先控制液晶屏设置底色，然后读取表盘显示数据，发送到液晶屏，最后根据显示数据计算出指针显示坐标，生产指针显示数据，发送给液晶屏。显示流程如图3所示。

本发明组合式飞机大气数据仪表采用传感器融合方法代替膜盒式气压传动机构。将静压传感器和动压传感器综合为一个气压测量单元。

如图7所示，组合式飞机大气数据仪表通过虚拟方式绘制出传统气压高度表、空速表和垂直速度表表盘，显示到液晶屏上，图4-6分别是传统空速表界面、传统气压高度表界面和传统垂直速度表界面。显示方式与模拟式独立仪表显示保持一致，并预留数字综合显示界面。飞行员可以根据需要进行切换。

组合式飞机大气数据仪表装于一个壳体内。壳体前面板采用矩形结构，后壳采用31/4〞标准尺寸，与传统仪表安装方式兼容。壳体后端具有全压管和静压管。

组合式飞机大气数据仪表对气压高度、空速、垂直速度统一进行校准，通过RS232接口写入校准数据。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种组合式飞机大气数据仪表，其特征在于，包括：

处理控制单元，用于将气压测量单元测得各种数据进行处理和控制；

气压测量单元，用于测量包括差压和静压大气气压相关参数；

液晶显示屏，用于仪表表盘综合数字的显示；

控制面板，包括按键和旋钮，用于完成仪表界面的切换和场压修改；

电源单元，用于将飞机电源转换为各硬件功能单元的供电电压；

所述处理控制单元分别与气压测量单元、液晶显示屏、控制面板和电源单元相连，处理控制单元设有校准接口。

2.根据权利要求1所述的一种组合式飞机大气数据仪表，其特征在于，所述处理控制单元采用嵌入式ARMCortex-M3芯片作为处理器，主频72MHz；具有复位电路、晶振、滤波保护电路和接口匹配电路；处理控制单元具有IIC接口、GPIO接口、LCD接口和RS232接口。

3.根据权利要求1所述的一种组合式飞机大气数据仪表，其特征在于，所述气压测量单元包括静压传感器和动压传感器；所述静压传感器和动压传感器采用IIC总线数字传感器。

4.根据权利要求1所述的一种组合式飞机大气数据仪表，其特征在于，所述控制面板包括按键和旋钮，按键和旋钮控制接口接入处理控制单元的GPIO输入端，通过外部中断触发处理器。

5.根据权利要求1所述的一种组合式飞机大气数据仪表，其特征在于，所述液晶显示屏选择成熟的工业级宽温4.3寸OLED显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种组合式飞机大气数据仪表，其特征在于，所述电源单元输入为机载12V直流电源，经过滤波、防浪涌电路和电圧转换电路，输出5V、3.3V电压。

7.一种组合式飞机大气数据仪表控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)处理控制单元对气压测量单元数据采集程序以10Hz的速率采集各种空速和高度参数，并存放在相应的内存中；

2)数据处理程序以10Hz的速率从对应的内存中取数据并计算出需要显示的数据，其中数据处理程序读取数据后进过滤波处理，剔除毛刺、突变值；

3)显示程序以10Hz的速率更新液晶屏界面的显示，通过虚拟方式绘制出传统气压高度表、空速表和垂直速度表表盘，显示到液晶屏上；

4)控制面板的操作采用外部IO中断方式触发处理控制单元，更新显示结果。

8.根据权利要求7所述的一种组合式飞机大气数据仪表控制方法，其特征在于，步骤2)中，数据处理程序中空速的计算方法为：取出内存中的差压值，根据空速－差压公式计算空速，公式为：

$V=C_n*\sqrt{\frac{2}{k-1}*({\left(\frac{P_c+P_n}{P_n}\right)}^{\frac{k-1}{k}}-1)}$

其中：V为空速；Cn为海平面标准声速；k为绝热指数；Pn为海平面标准大气压力；Pc为大气差压。

9.根据权利要求7所述的一种组合式飞机大气数据仪表控制方法，其特征在于，步骤2)中，数据处理程序中高度的计算方法为：取出内存中静压值，根据气压高度-静压计算公式计算气压高度，公式为：

$H=\frac{T_b}{-\mathrm{\ρ}}*({\left(\frac{P_s}{P_b}\right)}^{\frac{(\mathrm{\ρ}*R)}{g_n}}-1)+H_b$

其中：H为气压高度；Ps为大气绝压；Tb为相应层下界大气温度；ρ为大气密度；Pb为相应层下界大气压力；R为专用气体常数；gn为自由落体标准加速度；H_b为相应层下界高度。

10.根据权利要求7所述的一种组合式飞机大气数据仪表控制方法，其特征在于，系统设置有连接计算机的RS232串口与仪表的校准接口，将测量出空速表、气压高度表、和垂直速度表的校准数据写入到仪器中，校准程序接收校准数据，将其存储到内部存储器中，然后仪表重启，将读取校准数据，修正空速、气压高度、垂直速度显示数据。