引言

随着我国机场改扩建和不停航施工情况的逐渐增多，当遇到跑道、滑行道快修、事故、天气等原因时，需要使用助航标识灯给飞行员明确的跑道状态信号[1]，飞行员根据此信号决定是继续降落还是避让或复飞。

助航标识灯通常需满足全天候工作的要求，工作过程无人看守，可靠性要求较高。这就要求标识灯具备数据采集与状态监控功能，并不断向控制端（状态监视计算机）发送当前状态信息，以便工作人员掌控其具体状态，并及时对故障进行维修。本文首先对机场跑道助航标识灯状态采集与监控系统进行了总体设计，然后设计了各个组成模块的硬件电路，最后按照系统的功能划分，用ICCAVR编译器进行了程序编写，用AVR Studio进行了调试。

1 系统总体设计

助航标识灯数据采集与状态监控系统包括电池电量监测模块、光照强度采集模块、光强控制通道选择继电器模块、现场状态显示模块以及状态监控计算机等。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图

其中，蓄电池组为助航标识灯的各电气部分供电，充电装置连接发电机、太阳能帆板或市电，为蓄电池组充电。电池电量监测模块用于监测蓄电池组的使用状态。光照强度采集模块可根据当前的环境光强，自动调整助航标识灯的五级亮度，防止灯光对飞行员产生炫目效应。系统可实现助航标识灯的无限时连续工作，主、备用电源可自动切换，达到了全天候的工作要求[2]。此外，系统可将助航标识灯的工作状态发送到远程状态监控计算机并响应远程无线终端传来的命令，方便工作人员维护和管理。

2 系统组成

2.1 电池电量监测模块

系统的电池电量监测模块选用HDIBKC15系列开关量输出直流电流变送器。此开关量输出直流电流变送器利用霍尔开环原理测量原边电流，并设定某一固定点为阈值，当被测电流大于（或小于）此阈值时输出开关量电平信号或者继电器动作信号。原副边之间高度绝缘，具有高精确度、高线性度、高集成度、体积小、结构简单、长期工作稳定且适应各种工作环境的优点。在助航标识灯系统工作前，只需对其输出开关量进行检测即可了解电池组电量是否充足。

2.2 单片机

助航标识灯系统的控制核心选用Atmel公司的AVR系列ATmega128A单片机，信息处理能力强，具有丰富的片上资源而且具有更多类型的串行和并行数据接口[3]。与同类单片机相比，AVR单片机的稳定性和抗干扰能力更强，功耗较低，适用于机场跑道状态控制与监测。

2.3 光照强度采集模块

光照强度采集模块采用数字式16位串行I2C总线的BH1750FVI光强传感器。BH1750FVI具有高分辨度（1～65 535 lx），检测的环境光强范围广泛，而且精确度高，能够适应机场国际民航组织对于机场目视助航灯光的分级调光要求。

2.4 单工数据上传模块

机场跑道助航标识灯系统的采集模块采用周立功RSM485ECHT模块，该模块集电源隔离、电器隔离、RS485接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备。该模块具有很好的隔离及ESD总线保护功能，电磁辐射EME极低，电磁抗干扰EMS极高，在-40～+85℃温度范围内正常工作，很好地满足了国内大部分机场的工作环境要求。

2.5 光强控制通道选择继电器模块

助航标识灯在工作时，需要控制LED灯具频繁间隔闪烁以达到警示飞行员的作用，对继电器的可靠性和寿命要求较高。该系统的通道选择继电器选用YANGJI/JGX4FD型固态继电器，此种 SSR电路板式固态继电器用半导体器件代替传统电接点作为切换装置，开关速度快，使用寿命明显增长，适用于机场跑道标识系统数据采集模块的功能要求。

它的控制方式为直流控直流，负载电流为4 A，负载电压为110 VDC，控制电压为DC 3～32 V。输入端驱动电流小，可方便地与计算机终端和各种数字程控电路接口，实现了弱功率的隔离和控制。

3 应用电路设计

3.1 供电电路

机场跑道助航标识灯系统的数据采集模块采用MORNSUN公司的WRF0505P6W模块作为系统控制电路的电源。该模块输入电压为5～10 V，输出电压5 V，最大输出电流1.2 A。该模块效率高，工作性能受环境温度变化影响小，具有短路保护功能，可在复杂环境工作，其硬件电路如图2所示。

图2 采集模块供电电路

系统的直流继电器驱动电源选用MORNSUN公司的WRB1212D10W模块，输入电压为9～18 V，输出电压为12 V，额定输出电流为833 mA，其硬件电路如图3所示。

图3 直流继电器驱动电源电路

3.2 RS485总线通信电路

RS485总线通信使用周立功ZLG485模块，此模块具有很好的隔离特性，隔离电压可达2 500V DC，最多允许256个网络节点，传输速率可达500 kbps，传输距离更远,抗环境干扰能力极强，适合在机场环境下使用，如图4所示。

图4 RS485总线通信电路

3.3 电压控制通道选择继电器

机场跑道助航标识灯系统数据采集模块共有5路继电器控制通道，一路主电池组和备用电池组切换通道、三路光强控制电压选择通道和一路备用通道供模块日后功能扩展，其硬件电路如图5所示。

图5 通道选择电路

3.4 单片机系统电路

系统利用ATmega128A型单片机作为控制核心，其硬件电路如图6所示。

图6 单片机系统电路

系统采用8位PA端口作为LCD的数据交换端口，PF1、PF2、PF3为LCD的控制端口。PB0～PB3为单片机硬件SPI接口输出，PB4～PB7为普通I/O端口，留作日后功能扩展。PC1～PC5为继电器控制端口，PC6、PC7为普通I/O端口。PD0、PD1为单片机硬件I2C总线接口[4]，用于接收光强传感器的光强数据，PD2、PD3用作单片机1号UART串行数据接口，PD4～PD7为普通I/O端口被引出备用。PE0、PE1用作单片机2号UART串行数据接口，PE2～PE7端口用于5路开关量检测。PF4～PF7用于JTAG程序的下载和仿真，PF0～PF3作为普通I/O端口引出。PG端口全部作为普通I/O端口引出，用于日后功能扩展。

4 系统软件设计

整个机场跑道标识灯系统数据采集模块的软件部分可分为单片机控制程序和监控计算机数据接收软件两部分。单片机控制程序在IDE下用C语言编写，主要完成系统模块的电池电量采集和光强采集，并根据采集到的各项信息控制灯光光强和备用电池组切换的工作。计算机接收软件利用Visual C++ MFC制作的对话框应用程序，主要完成系统工作状态数据的接收，便于工作人员监控和及时维修。

跑道助航标识灯系统数据采集模块在上电后，首先进行单片机的初始化，之后对供电的电池组电量进行检测，若不满足要求，控制闭合相应继电器切换至备用电池组。电量检测后进行环境光强检测，根据检测数值选择相应亮度控制电压通道继电器通断，从而实现LED灯具的间隔闪烁。系统的状态信息会在LCD显示并不断向监控计算机发送，单片机控制系统的程序流程如图7所示。

图7 单片机控制系统的程序流程图

结语

根据机场跑道状态标识灯的使用条件和实际工作状况，设计了标识灯数据采集与状态监控系统。系统选用了廉价、可靠、性能优越的集成电路模块，实现了环境光强采集和电池组电量监测，通过控制通道选择继电器通断，从而达到灯光强度随环境光强变化而变化，节省了电能，延长了使用时间。同时，系统还可以将标识灯的状态信息实时显示并上传，系统简单可靠，可移植性强，应用前景广阔。