潘傳勇　張　濤　黃　葵

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)　青島　266041)

PAN Chuanyong　ZHANG Tao　HUANG Kui

(Navy Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch, Qingdao　266041)

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艦載機(jī)光學(xué)引導(dǎo)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

潘傳勇張濤黃葵

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)青島266041)

論文利用工控機(jī)、PC104單板機(jī)、單片機(jī)等主控單元，對(duì)艦載機(jī)光學(xué)引導(dǎo)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用CAN總線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)橋接技術(shù)和故障模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了艦載機(jī)光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)多項(xiàng)模擬訓(xùn)練功能。

光學(xué)引導(dǎo); 模擬訓(xùn)練系統(tǒng); 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PAN ChuanyongZHANG TaoHUANG Kui

(Navy Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch, Qingdao266041)

Class NumberTP391.9

1　引言

光學(xué)引導(dǎo)裝置是艦載機(jī)著艦引導(dǎo)的重要組成部分，該裝置具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，其操作管理的復(fù)雜性和難度較高，只有通過訓(xùn)練有素的人員的正確使用，才能發(fā)揮出應(yīng)有的作戰(zhàn)效能。然而，高水平的使用管理人員需要一個(gè)較長(zhǎng)的持續(xù)訓(xùn)練過程，由于艦艇操作管理人員具有定期的流動(dòng)性，因此，如何保持和提高人員的訓(xùn)練質(zhì)量和訓(xùn)練水平，是一個(gè)迫切需要解決的重要問題[1～3]。

目前，各國海軍使用的訓(xùn)練方式及手段主要包括岸基訓(xùn)練和實(shí)船海上訓(xùn)練[4～7]。實(shí)船海上訓(xùn)練效果好，作用不可替代，但存在訓(xùn)練成本高、受外部因素影響大、承訓(xùn)量有限等問題，解決這些問題的有效途徑是研制岸基模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[8]，本文利用現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研制了艦載機(jī)光學(xué)引導(dǎo)裝置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，滿足了院校與部隊(duì)新裝備日常訓(xùn)練和技術(shù)保障的實(shí)際需要。

2　系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)就是模擬實(shí)操及訓(xùn)練功能，能代替實(shí)際裝備進(jìn)行戰(zhàn)位的操作訓(xùn)練，在操作方式、顯示效果、界面信息等方面與實(shí)裝相同，同時(shí)還具有操作流程演練、故障設(shè)置與診斷、操作示范教學(xué)、考核評(píng)定等多項(xiàng)功能，能夠滿足院校教學(xué)和部隊(duì)模擬訓(xùn)練要求[9]。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)就是綜合運(yùn)用多種仿真技術(shù)，模擬出實(shí)際操作環(huán)境和故障現(xiàn)象[10～11]。本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括訓(xùn)練管理系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、模擬場(chǎng)景單元三部分，如圖1所示。

訓(xùn)練管理系統(tǒng)包括訓(xùn)練管理臺(tái)和燈具驅(qū)動(dòng)電路板。訓(xùn)練管理臺(tái)通過以太網(wǎng)向燈光控制系統(tǒng)發(fā)送故障設(shè)置信息，接收并記錄狀態(tài)信息和操作訓(xùn)練信息，通過CAN總線發(fā)送燈具的故障信息，完成狀態(tài)監(jiān)控、故障設(shè)置考核評(píng)定等任務(wù)。燈具驅(qū)動(dòng)電路板接收燈光控制系統(tǒng)產(chǎn)生燈具的控制命令和訓(xùn)練管理臺(tái)產(chǎn)生的燈具故障命令，將燈具控制命令轉(zhuǎn)換成模擬燈具的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，根據(jù)燈具故障命令模擬故障現(xiàn)象，并將燈具的狀態(tài)上報(bào)給燈光控制系統(tǒng)。

圖1　模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

燈光控制系統(tǒng)包括燈光控制臺(tái)和燈具供電箱。燈光控制臺(tái)具有操作功能，采集操作信息控制燈具的亮滅并進(jìn)行亮度調(diào)整，采集燈具和燈具供電箱的狀態(tài)信息進(jìn)行顯示，接收訓(xùn)練管理臺(tái)設(shè)定的燈光控制系統(tǒng)故障信息，模擬相應(yīng)的故障現(xiàn)象，向訓(xùn)練管理系統(tǒng)發(fā)送操作信息作為考核評(píng)定依據(jù)。供電箱負(fù)責(zé)為燈具供電。燈光控制系統(tǒng)內(nèi)部通過CAN總線進(jìn)行信息傳遞。

模擬場(chǎng)景單元主要用來模擬顯示燈光控制系統(tǒng)的操作和故障模擬效果，利用高亮度的發(fā)光二極管代替實(shí)際燈具，以降低模擬訓(xùn)練系統(tǒng)成本，減小系統(tǒng)占地面積。模擬場(chǎng)景單元實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)容易，本文只討論訓(xùn)練管理系統(tǒng)和燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真對(duì)象復(fù)雜程度不同，系統(tǒng)采用了單片機(jī)、嵌入式PC104單板計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等多種不同類型的計(jì)算機(jī)。根據(jù)不同通信要求，將模擬系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分為兩類。第一類為100Mbps以太網(wǎng)，由訓(xùn)練管理臺(tái)、燈光控制臺(tái)組成，可以提高仿真數(shù)據(jù)和邏輯指令等信息的傳輸速度，實(shí)現(xiàn)大容量的通信。第二類是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的CAN網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練管理臺(tái)、燈光控制臺(tái)中帶CAN接口的I/O板卡和供電箱、燈具驅(qū)動(dòng)電路板則組成CAN現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)燈具控制指令和狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)傳輸，既滿足系統(tǒng)對(duì)通信速度的要求，又便于單片機(jī)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為兩級(jí)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。

圖2　模擬訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2訓(xùn)練管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1訓(xùn)練管理臺(tái)設(shè)計(jì)

訓(xùn)練管理臺(tái)主要與燈光控制臺(tái)和燈具驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行信息交換，通過以太網(wǎng)向燈光控制臺(tái)發(fā)送控制系統(tǒng)故障設(shè)置信息，接收并記錄操作訓(xùn)練信息，通過CAN總線將燈具故障信息發(fā)送給燈具轉(zhuǎn)換箱，接收燈具工作狀態(tài)。訓(xùn)練管理臺(tái)與系統(tǒng)其它部分的信息關(guān)系如圖3所示。

圖3　訓(xùn)練管理臺(tái)信息關(guān)系

設(shè)計(jì)訓(xùn)練管理臺(tái)基于一臺(tái)研華工控機(jī)，內(nèi)置以太網(wǎng)卡，與燈光控制臺(tái)通信；機(jī)箱內(nèi)擴(kuò)展一塊CAN總線通信卡，與燈具驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行通信。

3.2.2燈具驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)計(jì)

秀容月明苦笑著說：“你請(qǐng)她都不來，我去請(qǐng)，她更不來。我出門一步，都有人跟著，就算把親兵都打發(fā)走，像賀三媳婦那些人，也會(huì)跟過來看熱鬧。那樣，還不如不去?！?/p>

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中共有四塊燈具驅(qū)動(dòng)電路板，分擔(dān)200多個(gè)發(fā)光二極管的控制任務(wù)，每塊電路板的結(jié)構(gòu)和功能基本相同，差別在于所驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管燈數(shù)量略有不同。燈具驅(qū)動(dòng)電路板結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要包括單片機(jī)、CPLD、CAN總線接口電路、發(fā)光二極管恒流驅(qū)動(dòng)電路、故障模擬單元等，完成信息接收與綜合、故障現(xiàn)象模擬、發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)等功能。

圖4　燈具驅(qū)動(dòng)電路板結(jié)構(gòu)框圖

燈具亮度的調(diào)節(jié)采用PWM波調(diào)光方式。通過調(diào)整PWM波的占空比來調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的亮度。恒流驅(qū)動(dòng)通過光電耦合器實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)光耦工作于線性狀態(tài)，通過設(shè)定輸入端串聯(lián)電阻值決定發(fā)光二極管的工作電流。故障模擬單元用來模擬燈具短路和斷路故障現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。正常工作時(shí)，短路繼電器觸點(diǎn)斷開，斷路繼電器觸點(diǎn)吸合。當(dāng)設(shè)定斷路故障時(shí)，首先使CPLD的輸出變?yōu)榈碗娖?，使光電耦合器輸出斷開，發(fā)光二極管熄滅，然后使短路繼電器常閉觸點(diǎn)吸合，此時(shí)用萬用表測(cè)量接線端1和3之間的電壓值為0V，模擬出短路故障信號(hào)。當(dāng)設(shè)定斷路故障時(shí)，短路繼電器觸點(diǎn)斷開，CPLD的輸出信號(hào)保持不變，此時(shí)用萬用表測(cè)量接線端1和3之間的電壓值為5V，模擬出斷路故障信號(hào)。

圖5　故障模擬單元電路

3.3燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1燈光控制臺(tái)設(shè)計(jì)

燈光控制臺(tái)是燈光控制系統(tǒng)的控制、顯示核心。主要完成系統(tǒng)操作狀態(tài)的采集、所有燈具的亮滅和調(diào)光控制、燈具工作狀態(tài)匯總、與供電箱以及燈具間的總線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、與訓(xùn)練管理臺(tái)通信等功能。燈光控制臺(tái)包括主控箱、顯控盒、電源箱。

PC104模塊和8塊通信板構(gòu)成主控箱。PC104模塊包括PC104主機(jī)板、CAN卡、寬溫高速型CF存儲(chǔ)卡和PC104電源板。主機(jī)板集成了PS/2 鍵盤鼠標(biāo)接口、視頻輸出接口、以太網(wǎng)接口以及串行和并行接口，在極小空間里實(shí)現(xiàn)PC機(jī)幾乎所有的功能。由于PC104需要較穩(wěn)定的電源，配備PC104系統(tǒng)專用的電源板，輸入電源范圍為7V～30V，輸出為穩(wěn)定的5V,保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。通過擴(kuò)展CAN卡，實(shí)現(xiàn)PC104模塊和主控箱中的通信板及顯控盒進(jìn)行通信。

圖6　主控箱組成框圖

顯控盒的核心是顯控電路板，顯控電路板完成從操作面板上讀取控制命令，并對(duì)操作面板上的工作狀態(tài)指示燈以及鳴音器送驅(qū)動(dòng)信號(hào)的任務(wù)。顯控電路板的主控芯片采用單片機(jī)，輔以各種I/O接口電路完成系統(tǒng)功能，其組成原理圖如圖7所示。

圖7　顯控電路板組成框圖

電源單元主要由一個(gè)大功率的開關(guān)電源組成，輸入交流220V、50Hz電源，輸出5V、15A和24V、5A兩種電壓等級(jí)的直流電，為顯控盒、主控箱供電。同時(shí)為顯示器、控制臺(tái)風(fēng)機(jī)提供交流電源。

3.3.2供電箱設(shè)計(jì)

供電箱通過CAN總線接收通信板轉(zhuǎn)發(fā)PC104的控制指令，將220V交流電送到燈具驅(qū)動(dòng)電路板，提供燈具的供電信號(hào)。供電箱的主控板電路也是一個(gè)基于單片機(jī)控制的系統(tǒng)，其硬件電路框圖如圖8所示。直流電源單元將交流220V電源轉(zhuǎn)換成直流5V，給單片機(jī)供電，單片機(jī)讀入控制命令后，輸出燈具驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制燈具驅(qū)動(dòng)電路為燈具供電。供電檢測(cè)電路將檢測(cè)到燈具供電狀態(tài)發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)通過CAN總線上傳給PC104單板機(jī)。

圖8　供電箱硬件原理框圖

針對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)，編寫訓(xùn)練管理臺(tái)、燈光控制臺(tái)、通信電路板、供電箱、燈具驅(qū)動(dòng)電路板軟件，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)光學(xué)引導(dǎo)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的裝置操作、流程演練、故障設(shè)置與診斷、操作示范教學(xué)、考核評(píng)定等多項(xiàng)功能。

4　結(jié)語

本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)用實(shí)物仿真與模擬場(chǎng)景相結(jié)合的方式，利用CAN總線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)橋接技術(shù)和故障模擬技術(shù)，首次構(gòu)建了集操作訓(xùn)練與維修訓(xùn)練于一體的艦載機(jī)光學(xué)引導(dǎo)操作維修訓(xùn)練平臺(tái)，填補(bǔ)了新裝備訓(xùn)練的空白。

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Design and Implementation of Carrier Plane Optical Guiding Equipment Training Simulation System*

The carrier plane optical guiding equipment training simulation system is designed based on IPC, PC104 and MCU. The system employs can bus scrutiny, network bridge, fault simulation techniques, achieves multi-functions of simulation training.

optical guiding, training simulation system, design and implementation

2016年2月11日,

2016年3月20日

潘傳勇,男,碩士研究生,副教授,研究方向：艦載機(jī)引導(dǎo)裝備。張濤,男,博士研究生,講師,研究方向：艦面航空保障。黃葵,女,碩士研究生,副教授,研究方向：航空艦面保障。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.026