一种基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，包括依次连接的以太网无源光网络光电转换单元、冗余信号切换单元、控制单元和电源，以太网无源光网络光电转换单元通过光纤接口实现远程控制计算机与助航灯具控制器通信，实现串行信号到并行差分信号以及并行差分信号到串行信号的协议转换；冗余信号切换单元与控制单元连接，用于检测以太网无源光网络光电转换单元通信链路故障时的冗余切换；控制单元对助航灯具的工作电压、电流、状态及故障检测；对助航灯具内的温度和湿度实时监测；提供局域网接口以及与功能电路的通信和数据转换端口，实现助航灯具的开关控制，本实用新型具有单只助航灯具的准确定位、实时状态监测功能。
【专利说明】
一种基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器
技术领域
[0001]本实用新型属于机场助航灯光技术领域，涉及一种基于以太网无源光网络(EPON)接入网技术的助航灯具控制器。
【背景技术】
[0002]机场助航灯光系统是保障飞机在夜间、低能见度或者其它复杂天气条件下，为飞机进行正常的起飞、着陆、滑行的必要目视助航设备。飞机在起飞或降落时参照助航灯，可方便地找到机场跑道中线，安全地沿路面跑道航行；同时飞机在滑行或泊位时参照助航灯，实现准确停机。目前伦敦希思罗机场和新加坡樟宜机场在夜间和能见度较低的条件下采用人工控制方式控制跑道中线灯的亮灭来引导飞机的滑行，此种工作方式不仅存在检修不方便、易漏检、工作效率低下、运营成本高，人为因素影响较大等诸多问题，同时采用手工记录其工作状态，不方便存储历史数据和浏览历史记录。
[0003]随着航空工业的不断发展、飞机品质和机场复杂度的提高，对助航灯光控制系统也提出了更高要求。SESAR组织2015年春天在德国慕尼黑机场对“Fol low-The_Greens”的验证结果表明，通过对助航灯光远程控制去引导飞机，能有效减少飞机滑行的总时间，显著降低了燃油消耗和CO2的排放。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是快速准确助航、实时监控灯具的运行状态，降低机场的运行成本，从而提供一种基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器。
[0005]为了达成所述目的，本实用新型提供一种基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器的技术方案包括:依次连接的以太网无源光网络光电转换单元、冗余信号切换单元、控制单元和电源，其中:
[0006]所述以太网无源光网络光电转换单元通过光纤接口实现远程控制计算机与助航灯具控制器通信，实现串行信号到并行差分信号以及并行差分信号到串行信号的协议转换；
[0007]所述冗余信号切换单元与以太网无源光网络光电转换单元连接，用于检测通信链路故障时的冗余切换；
[0008]所述控制单元与冗余信号切换单元连接，并对助航灯具的工作电压、工作电流、工作状态及故障检测；对助航灯具内的温度和湿度进行实时监测；提供局域网接口以及与功能电路的通信和数据转换端口；
[0009]所述电源，与以太网无源光网络光电转换单元、冗余信号切换单元、控制器单元对应连接，用于提供双路直流电源。
[0010]优选实施例:所述以太网无源光网络光电转换单元是两个能冗余切换的以太网无源光网络模块。
[0011 ]优选实施例:所述光纤接口采用标准SC插座。
[0012]优选实施例:所述冗余信号切换单元包括MBB继电器、驱动单元和MBB继电器工作状态回读单元；
[0013]所述驱动单元与MBB继电器连接，向相应MBB继电器的控制线圈提供工作电流，对MBB继电器的控制线圈断开后的续流；
[0014]所述MBB继电器工作状态回读单元，监测MBB继电器的导通或关闭状态。
[0015]优选实施例:所述驱动单元包括多个驱动芯片和第一二极管，所述驱动芯片向相应的MBB继电器控制线圈提供工作电流;所述第一二极管反向并联连接于相应MBB继电器控制线圈的两端，对MBB继电器控制线圈断开后的续流。
[0016]优选实施例:所述MBB继电器工作状态回读单元由串联连接于相应MBB继电器控制线圈端的第二二极管和电阻构成。
[0017]优选实施例:所述控制单元包括信号调理单元、电压电流检测单元、温度湿度信号检测单元、灯具开关控制单元、ARM处理器和以太网控制单元；
[0018]所述信号调理单元与电压电流检测单元连接，完成对助航灯具的工作电压、工作电流、工作状态及故障检测；
[0019]所述温度湿度信号检测单元对助航灯具内的温度和湿度进行实时监测；
[0020]所述灯具开关控制单元，控制接通和断开助航灯具；
[0021]所述ARM处理器用于运行嵌入式FreeRTOS操作系统，建立网络通讯协议客服端，提供局域网接口和数据转换端口；所述ARM处理器与信号调理单元、温度湿度信号检测单元、灯具开关控制单元连接并进行通信；
[0022]所述以太网控制单元与嵌入式系统处理芯片连接，实现物理层的协议转换。
[0023]优选实施例:所述灯具开关控制单元包括驱动单元、功率继电器和功率继电器工作状态回读单元，其中:
[0024]所述驱动单元向功率继电器提供驱动电流；
[0025]所述功率继电器实现独立控制接通和断开助航灯具；
[0026]所述功率继电器工作状态回读单元监测功率继电器的导通或关闭状态，所述功率继电器工作状态回读单元由串联连接于相应功率继电器控制线圈端的第三二极管和电阻构成。
[0027]优选实施例:所述ARM处理器以CorteX-M3为内核的32位嵌入式系统处理器;所述以太网控制单元为具有光纤支持的单端口 10/100MbpS以太网物理层收发器。
[0028]优选实施例:所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，所述电源包括依次连接的隔离变压器的次级、输入保护电路、整流电路、恒流稳压电路。
[0029]本实用新型的有益效果:本实用新型的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，在首次将EPON技术运用到机场助航灯光控制领域，具有创新。
[0030]1.本实用新型基于EPON标准协议，可以使得PC机通过LAN接口对远程助航灯具准确定位、实时的开关控制，实现快速准确助航，同时还可以实时监控灯具的运行状态，有效降低机场的运行成本；
[0031]2.使用简单。本实用新型的接口采用标准SC接插座，用户只需用两头带SC插头的光纤跳线将本实用新型控制器和远程控制计算机同时连接到一台光交换即可。利用用户应用程序来控制助航灯具控制器，可对单只或多只助航灯具实现关断控制和状态回读，实现单灯检测和控制功能。
[0032]3.可靠性。采用双冗余通信链路和驱动电路设计，能自动检测通信链路连接状态和本实用新型控制器自身工作状态，一旦故障发生能及时切换到standby链路，能很好的满足机场对助航灯光控制系统高可靠性的要求。
[0033]4.通用性和灵活性。可直接将本实用新型控制器串接到现有助航灯具供电回路中，无需增加额外的隔离变压器;同时选用大功率继电器，不仅适用于新型的LED助航灯具，也适用于传统的卤素灯具。
【附图说明】
[0034]图1是本实用新型基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器的结构框图；
[0035]图2是图1中EPON光电转换单元的具体实施例；
[0036]图3是图1中冗余信号切换单元的具体实施例；
[0037]图4是图1中控制单元结构的具体实施例示意图；
[0038]图5是图4控制单元中ARM处理器的具体实施例；
[0039]图6是图4控制单元中以太网控制单元的具体实施例；
[0040]图7是图4控制单元中灯具开关控制单元的具体实施例；
[0041]图8是图4控制单元中电压电流检测单元和信号调理单元的具体实施例；
[0042]图9是图4控制单元中温度湿度信号检测单元的具体实施例；
[0043]图10是图1中电源的结构示意图；
[0044]图11是图1O中具有恒流稳压的电源的具体实施例。
【具体实施方式】
[0045]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，下面以具体实施并结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0046]请参阅图1示出本实用新型基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器的实施例。本实施例包括依次连接的EPON光电转换单元、冗余信号切换单元和控制单元，其中:
[0047]所述EPON光电转换单元通过光纤接口实现远程控制计算机与助航灯具控制器通信，实现串行信号到并行差分信号以及并行差分信号到串行信号的协议转换；
[0048]所述冗余信号切换单元与EPON光电转换单元连接，用于检测通信链路故障时的冗余切换。
[0049]所述控制单元与冗余信号切换单元连接，对助航灯具的工作电压、工作电流、工作状态及故障检测;对助航灯具内的温度和湿度进行实时监测；提供局域网(LAN)接口、以及提供与功能电路的通信和数据转换端口；
[0050]所述光源，为太网无源光网络光电转换单元、冗余信号切换单元、控制单元提供双路直流电源，可对助航灯具实现关断控制和状态回读，实现单灯检测和控制功能。
[0051]其中，请参阅图1示出所述光纤接口，是使用第一光纤接口和第二光纤接口，所述光纤接口采用标准SC插座。
[0052]其中，请参阅图1和图2示出所述EPON光电转换单元的实施例，是使用第一EPON光电转换单元和第二 EPON光电转换单元。所述EPON光电转换单元是两个可冗余切换的以太网无源光网络模块。所述EPON光电转换单元U14提供标准数据接口和电源接口，所述标准数据接口与以太网控制模块的通信接口连接。
[0053]请参阅图3示出图1中冗余信号切换单元的具体实施例；其中，所述冗余信号切换单元包括MBB(make before break)继电器K2、K3、驱动单元和MBB继电器工作状态回读单元;其中:
[0054]所述驱动单元与MBB继电器连接，向相应MBB继电器的控制线圈提供工作电流，对MBB继电器的控制线圈断开后的续流；
[0055]所述MBB继电器工作状态回读单元，用于监测MBB继电器的导通或关闭状态。
[0056]所述驱动单元包括多个驱动芯片QlO、Q11和第一二极管D7，所述驱动芯片QlO、Q11向相应的MBB继电器的控制线圈提供工作电流;所述第一二极管D7反向并联连接于相应MBB继电器控制线圈的两端，用于对MBB继电器的控制线圈断开后的续流。所述MBB继电器工作状态回读单元由串联连接于相应MBB继电器控制线圈两端的第二二极管CR12和电阻R60构成。
[0057]鉴于助航灯具需实现准确控制，本实用新型通信链路也采用冗余设计，由两个双刀双掷(DPDT)的MBB继电器K2和K3实现主从EPON光电转换模块之间的切换，同时MBB继电器的驱动设计方法跟灯具开关控制单元驱动电路类似，同样采用驱动芯片QlO和Qll串接冗余实现，并通过第二二极管CR12实时检测继电器的工作状态，显著提升系统的可靠性。
[0058]其中，请参阅图4示出图1中控制单元结构的具体实施例示意图，本实施例所述控制单元包括信号调理单元、电压电流检测单元、温度湿度信号检测单元、灯具开关控制单元、ARM处理器和以太网控制单元；
[0059]所述信号调理单元与电压电流检测单元连接，完成对助航灯具的工作电压、工作电流、工作状态及故障检测；
[0060]所述温度湿度信号检测单元完成对助航灯具内的温度和湿度进行实时监测；
[0061 ]所述灯具开关控制单元，控制接通和断开助航灯具；
[0062]所述ARM处理器用于运行嵌入式迷你的实时操作系统(FreeRTOS)操作系统，建立网络通讯协议(TCP/IP)客服端，提供局域网(LAN)接口和数据转换端口；所述ARM处理器与信号调理单元、温度湿度信号检测单元、灯具开关控制单元连接并进行通信；
[0063]所述以太网控制单元与ARM处理器连接，实现物理层的协议转换。
[0064]请参阅图5示出图4控制单元中ARM处理器U6的具体实施例，本实施例所述ARM处理器U6包括内部的FLASH存储器和同步动态随机存储器SARAM，所述FLASH存储器使用256KBFLASH存储器，所述同步动态随机存储器SARAM使用64KB同步动态随机存储器SARAM，主频高达72MHz ALASH存储器用于存储ARM处理器U6的上电运行程序，同步动态随机存储器SDRAM用于工作过程中临时数据和程序的存储。
[0065]续请参阅图5示出图4所述ARM处理器U6包括接口电路U6A和供电电路U6B，所述接口电路U6A包括IIC接口、ADC接口和MAC接口；所述接口电路U6A分别与以太网控制单元U8、温度湿度检测单元和电压电流采集单元连接;供电电路U6B为嵌入式处理单元供电；电压参考芯片U7的输出与供电电路U6B的端子VREF+连接，为ARM处理器U6提供+2.5V的高精度电压参考信号。图5中还有外部时钟电路和RTC时钟电路，所述外部时钟电路包括时钟单元Y1、电容C42和电容C44并为ARM处理器U6输入高速时钟信号，所述高速时钟信号的频率为25MHz;所述RTC时钟电路由时钟单元Y2、和电容C40、电容C45组成并为ARM处理器U6提供RTC时钟信号。超级电容C15在系统掉电的情况下为RTC时钟电路供电。本实施例中:所述ARM处理器U6以Cortex-M3为内核的32位嵌入式系统处理器。
[0066]请参阅图6示出图4控制单元中以太网控制单元的具体实施例，本实施例所述以太网控制单元U8实现，通过上拉电阻R36、R38和下拉电阻R72将以太网控制单元U8配置为光纤接口、RMII主模式；2位发送数据线RMII_TXD0，RMII_TXD1和2位接收数据线RMII_RXD0，RMII_RXD1分别与ARM处理器U6的MAC接口相连，实现通信连接的建立和数据交互;ARM处理器U6通过串行数据端口 MDC和MD10，实现对以太网控制单元U8的初始化和工作模式的配置。电阻1?41、1?44、1?45、1?46、1?74、1?78和电容056工57与差分数据线端了0+、了0-和1^+、1^-连接，用于提尚?目号的完整性。所述以太网控制单兀U8为具有光纤支持的单端口 10/1 OOMbps以太网物理层收发器。
[0067]请参阅图7出图4控制单元中灯具开关控制单元的具体实施例;本实施例所述灯具开关控制单元包括一个单刀单掷开关的功率继电器Κ1、功率驱动单元和功率继电器工作状态回读单元，所述功率驱动单元向功率继电器提供驱动电流;所述功率继电器实现独立控制接通和断开助航灯具;所述功率继电器工作状态回读单元用于监测功率继电器的导通或关闭状态，所述功率继电器工作状态回读单元由串联连接于相应功率继电器控制线圈两端的第三二极管CR9和电阻R93构成。所述功率继电器的最大功率为8750VA。鉴于助航灯具的亮灭控制需要极高可靠性，避免误动作，本实用新型灯具开关控制单元的驱动电路采用驱动芯片Q7和Q8串接冗余实现，继电器工作状态回读单元使用第三二极管CR9，并通过第三二极管CR9实时检测继电器的工作状态。
[0068]请参阅图8示出图4控制单元中电压电流检测单元和信号调理单元具体实施例;本实施例所述电压电流检测单元包括电压检测单元和电流检测单元;所述电压检测单元包括分压电阻R59、电阻R62和保护电路电容C38和第五二极管CR10。电流检测单元包括采样电阻R3、低通滤波电路和放大电路;其中:所述采样电阻R3为高精度电阻;所述低通滤波电路包括电阻Rl、电阻R2、电容C1、电容C2 ；所述放大电路为差分放大器Ul 2。所述信号调理单元包括低噪声放大器U13、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C3和电容C4和第四二极管CR8。其中:电流检测单元具有固定50倍增压的差分放大器U12将流过采样电阻R3的电流转换成电压信号，经后信号调理单元的一级低噪声放大器U13、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4和第四二极管CR8滤波处理后，送ARM处理器U6进行模数转换，所述信号调理单元是二阶有源低通滤波器。所述低通滤波电路由电阻Rl、电容Cl、电阻R2、电容C2组成，用于有效降低共模噪声，提升系统的采集精度；电压检测电路由电阻R59、电阻R62组成用于检测助航灯具的工作电压由高频滤波电容C38与第五二极管CRlO—起有效保护ARM处理器U6。
[0069]请参阅图9所示控制单元中温度湿度信号检测单元的具体实施例，本实施例所述温度湿度信号检测单元由温湿度传感器U9和信号保护单元组成，通过将地址线ADDRO和地址线ADDR2接地将其地址设置为80Η，本实用新型在IIC数据线上增加了信号保护单元，显著提高了系统的抗电磁干扰特性，信号保护单元包括电阻R31、电阻R32、电容C21、电容C22和第六二极管CRl I。
[0070]请参阅图10示出图1中电源的结构示意图，本实施例所述电源包括隔离变压器次级、输入保护电路、整流电路、恒流稳压电路依次连接。
[0071]请参阅图11示出是图10电源具体实施例，所述电源是恒流稳压电源包括12V线性电源和3.3V开关电源两部分。线性电源由DC-DC转换芯片Ul组成，线性电源将13.5V稳压到12V并为灯具开关控制单元和电流电压信号调理单元提供工作电压;开关电源由DC-DC转换芯片U2组成，开关电源将13.5V稳压到3.3V，并为以太网无源光网络光电转换单元、冗余信号切换单元、控制器单元提供工作电压，提高了电源使用效率。本实施例中:所述电源与控制单元连接，为控制单元提供双路直流电源。所述双路直流电源为+3.3V直流电源和+12V直流电源。
[0072]以上所述，本实施例仅是对本实用新型方法作举例说明。并非用以限定本实用新型的实质技术内容范围，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内。
【主权项】
1.一种基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:包括依次连接的以太网无源光网络光电转换单元、冗余信号切换单元、控制单元和电源，其中: 所述以太网无源光网络光电转换单元通过光纤接口实现远程控制计算机与助航灯具控制器通信，实现串行信号到并行差分信号以及并行差分信号到串行信号的协议转换； 所述冗余信号切换单元与以太网无源光网络光电转换单元连接，用于检测通信链路故障时的冗余切换； 所述控制单元与冗余信号切换单元连接，对助航灯具的工作电压、工作电流、工作状态及故障检测;对助航灯具内的温度和湿度进行实时监测;提供局域网接口、以及提供与功能电路通信和数据转换的端口； 所述电源，与以太网无源光网络光电转换单元、冗余信号切换单元、控制器单元对应连接，用于提供双路直流电源。2.根据权利要求1所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述以太网无源光网络光电转换单元是两个能冗余切换的以太网无源光网络模块。3.根据权利要求1所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述光纤接口采用标准SC插座。4.根据权利要求1所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述冗余信号切换单元包括MBB继电器、驱动单元和MBB继电器工作状态回读单元； 所述驱动单元与MBB继电器连接，向相应MBB继电器的控制线圈提供工作电流，对MBB继电器的控制线圈断开后的续流； 所述MBB继电器工作状态回读单元，监测MBB继电器的导通或关闭状态。5.根据权利要求4所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述驱动单元包括多个驱动芯片和第一二极管，所述驱动芯片向相应的MBB继电器控制线圈提供工作电流;所述第一二极管反向并联连接于相应MBB继电器控制线圈的两端，对MBB继电器控制线圈断开后的续流。6.根据权利要求4所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述MBB继电器工作状态回读单元由串联连接于相应MBB继电器控制线圈端的第二二极管和电阻构成。7.根据权利要求1所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述控制单元包括信号调理单元、电压电流检测单元、温度湿度信号检测单元、灯具开关控制单元、ARM处理器和以太网控制单元； 所述信号调理单元与电压电流检测单元连接，完成对助航灯具的工作电压、工作电流、工作状态及故障检测； 所述温度湿度信号检测单元，对助航灯具内的温度和湿度进行实时监测； 所述灯具开关控制单元，控制接通和断开助航灯具； 所述ARM处理器用于运行嵌入式FreeRTOS操作系统，建立网络通讯协议客服端，提供局域网接口和数据转换端口；所述ARM处理器与信号调理单元、温度湿度信号检测单元、灯具开关控制单元连接并进行通信； 所述以太网控制单元与嵌入式系统处理芯片连接，实现物理层的协议转换。8.根据权利要求7所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述灯具开关控制单元包括功率驱动单元、功率继电器和功率继电器工作状态回读单元，其中: 所述功率驱动单元向功率继电器提供驱动电流； 所述功率继电器实现独立控制接通和断开助航灯具； 所述功率继电器工作状态回读单元监测功率继电器的导通或关闭状态，所述功率继电器工作状态回读单元由串联连接于相应功率继电器控制线圈端的第三二极管和电阻构成。9.根据权利要求7所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述ARM处理器以Cortex-M3为内核的32位嵌入式系统处理器;所述以太网控制单元为具有光纤支持的单端口 1AOOMbps以太网物理层收发器。10.根据权利要求1所述的基于以太网无源光网络技术的助航灯具控制器，其特征在于:所述电源包括依次连接的隔离变压器的次级、输入保护电路、整流电路、恒流稳压电路。
【文档编号】H05B37/02GK205622958SQ201620426220
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】杨灏, 李拓, 李磊, 杨小龙, 贺宁
【申请人】中国民用航空总局第二研究所