某型平臺羅經(jīng)訓(xùn)練模擬器的設(shè)計

董傳恒，胡柏青，金云翔

（1.海軍工程大學(xué) 湖北 武漢 430033；2.92854部隊 廣東 湛江 524002）

平臺羅經(jīng)擔(dān)負(fù)著為艦艇上導(dǎo)彈、作戰(zhàn)指揮等系統(tǒng)提供航向、姿態(tài)及位置等信息的重要任務(wù)，一旦失效，將直接影響艦艇航行安全及其戰(zhàn)斗效能的發(fā)揮。平臺羅經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且涉及多學(xué)科知識，維護(hù)使用人員只有經(jīng)過專門培訓(xùn)才能勝任故障定位、排除以及裝備等日常維護(hù)工作。由于受經(jīng)費(fèi)、生產(chǎn)能力等客觀條件制約，以及訓(xùn)練內(nèi)容、形式有限，實裝訓(xùn)練不能完全滿足訓(xùn)練需求[1]。

為了提高使用人員的操作技能和維護(hù)保養(yǎng)水平，本文設(shè)計了平臺羅經(jīng)訓(xùn)練模擬器，研制成本僅約為實裝的十分之一，而且可以設(shè)定多種工作方式和工作環(huán)境，提高了訓(xùn)練效果，具有顯著的軍事意義和經(jīng)濟(jì)價值。

1 系統(tǒng)組成及功能

平臺羅經(jīng)維修訓(xùn)練模擬器以 “硬模擬與軟模擬結(jié)合，硬模擬為主”為基本原則，設(shè)計一個操作實踐平臺即學(xué)員操作臺和一個控制與演示平臺即教員控制臺。

其中學(xué)員操作臺利用“硬模擬”的直觀性，為受訓(xùn)人員發(fā)現(xiàn)、分析、排除故障提供一種動手上機(jī)實踐的環(huán)境。學(xué)員操作臺以1:1比例模擬平臺羅經(jīng)系統(tǒng)電子機(jī)柜，其外觀及維修操作控制與實裝完全一致，具有模擬實裝操作的功能。由單片機(jī)、CH452L、8255A組成的硬件電路完成其功能。

教員控制臺接收來自學(xué)員操作臺的操作信息，具有設(shè)置、記錄、提示、報警等功能。此外，教員控制臺利用“軟模擬”的適應(yīng)性，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，有效地節(jié)省模擬器的研制成本，在提高通用性的同時拓展其模擬功能。該系統(tǒng)以VB6.0和SQL2000為軟件設(shè)計平臺，采用面向?qū)ο笤O(shè)計思想和數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)設(shè)計。

2 硬件設(shè)計

2.1 電路總體結(jié)構(gòu)

為正確模擬平臺羅經(jīng)系統(tǒng)操作控制面板，設(shè)計了基于單片機(jī)的控制與顯示電路。該電路接收來自控制計算機(jī)的控制字與數(shù)據(jù)，顯示相應(yīng)的信息，并采集按鍵狀態(tài)，反饋至計算機(jī)。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該電路實現(xiàn)的功能：

1）通過MAX232，實現(xiàn)單片機(jī)與計算機(jī)之間的串口通信，傳遞控制命令與數(shù)據(jù)；

2）基于CH452L可驅(qū)動8個數(shù)碼管或64個發(fā)光二極管的功能，采用3片CH452L并聯(lián)，實現(xiàn)1片單片機(jī)驅(qū)動18個數(shù)碼管與54個發(fā)光二極管，顯示來自計算機(jī)的相應(yīng)數(shù)據(jù)；

3）通過光耦隔離芯片TLP521-1，控制蜂鳴器的工作狀態(tài)；蜂鳴器采用12 V直流電源供電，單片機(jī)控制電路為5 V直流電源供電；

圖1 電路總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structured flowchart of circuit

4）通過8255A采集模擬器按鍵開關(guān)狀態(tài)，傳遞至計算機(jī)。

2.2 電路模塊化設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，主要由通信模塊、數(shù)碼管(指示燈)顯示模塊組成。

2.2.1 通信模塊設(shè)計

本文中89C51單片機(jī)與PC機(jī)通過串口進(jìn)行通信。89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個可編程全雙工串行通信接口（RXD、TXD），具有UART的全部功能。該接口電路能同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，一般情況下只要通過TXD、RXD和GND 3條線連接就可以實現(xiàn)與PC機(jī)的串行通信[2－3]。由于PC機(jī)的串行口是RS－232標(biāo)準(zhǔn)接口，其電平采用的是EIA電平,而單片機(jī)要求的是TTL電平，為了實現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間能可靠地進(jìn)行串行通信，還需要將單片機(jī)的串行接口的電平轉(zhuǎn)換成RS－232電平標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計選用MAXIM公司生產(chǎn)的專用芯片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.MAX232芯片具有集成度高，內(nèi)置了電壓倍增電路及負(fù)電源電路，單+5 V電源工作，只需外接5個容量為0.1～1 μF的小電容,即可完成兩路RS－232與TTL之間電平轉(zhuǎn)換[4].其連接圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與PC機(jī)串口通信接線Fig.2 Circuit diagram of serial communication between MCU and PC

2.2.2 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計

數(shù)碼管顯示電路包括了3片CH451芯片。CH451是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及u P監(jiān)控的多功能外圍芯片。內(nèi)置RC振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或者64位LED，通過串行接口與單片機(jī)相連接。CH451向89C51單片機(jī)提供復(fù)位信號RESET和系統(tǒng)時鐘信號SCLK。CH451的段驅(qū)動引腳串接了電阻R1（200 Ω），用以限制和均衡段驅(qū)動電流，在5 V電源電壓下，串接200 Ω電阻通常對應(yīng)段電流13 mA。本文不需要鍵盤功能，省去KEY信號線，只使用DCLK、DIN、LOAD三個信號線[5]。

當(dāng)數(shù)碼管多于8個時，可以采用多個CH451進(jìn)行驅(qū)動。多個CH451與單片機(jī)的連接方式有兩種方案：一是并聯(lián)，單片機(jī)為每個CH451提供一根獨(dú)立的LOAD信號線，但DIN和DCLK信號線同時提供給所有的CH451，也就是說，各個LOAD信號線相當(dāng)于各個CH451的片選線；二是串聯(lián)，單片機(jī)將DCLK和LOAD信號線同時提供給所有的CH451，單片機(jī)只提供DIN給最前級的CH451，而后級CH451的DIN連接到前級CH451的DOUT引腳。由于該平臺羅經(jīng)顯控面板有18位數(shù)碼管，故本文采用3片CH451級聯(lián)方式，其連接圖如圖3所示。

圖3 數(shù)碼管顯示電路接線圖Fig.3 Circuit connection diagram of led

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件使用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，采用VB6.0作為軟件平臺，使用SQL2000作為數(shù)據(jù)庫平臺，進(jìn)行編程開發(fā)。本系統(tǒng)既可與模擬器硬件配合進(jìn)行實物操作，也可單獨(dú)使用進(jìn)行模擬操作。進(jìn)行實物訓(xùn)練時，通過硬件電路采集相應(yīng)操作和顯示相應(yīng)響應(yīng)，同時計算機(jī)顯示器同步顯示操作過程和響應(yīng)。當(dāng)進(jìn)行模擬操作時，通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互操作。軟件采用模塊塊化設(shè)計，軟件主要功能模塊如圖4所示。

圖4 軟件主要功能模塊Fig.4 Main function module of software

3.1 通信模塊設(shè)計

在VB6.0中提供了完成串行通信的控件MSComm,該控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)、過程[6]，并通過屬性的方法提供了串行通信口參數(shù)的設(shè)置，比較容易地解決了串行通信的問題。

其基本的屬性：

CommPort:設(shè)置并返回通信端口號，缺省為COM1；

Settings:以字符串形式設(shè)置并返回波特率，奇偶校驗,數(shù)據(jù)位，停止位；

PortOpen:設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，也可以打開和關(guān)閉端口；

InputMode:定義 Input屬性獲取數(shù)據(jù)的方式（0：文本方式；1：二進(jìn)制方式）

Inputlen:設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)內(nèi)用；

Input:讀入的個數(shù),若取0，則Input讀取整個緩沖區(qū)的內(nèi)容，Input表示從接收緩沖區(qū)移走一串字符；

Inbuffersize:設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)的大小，缺省1 024 B。

3.2 邏輯判斷模塊

模擬器實質(zhì)是一個控制系統(tǒng)，程序主要是針對大量事件的響應(yīng)。如鼠標(biāo)、鍵盤的輸入，模擬器按鍵、開關(guān)量的輸入等，通過計算機(jī)屏幕、數(shù)碼管、指示燈等輸出設(shè)備進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在檢測到事件響應(yīng)時，首先查找數(shù)據(jù)庫，確定當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，讀取在不同狀態(tài)和事件下相應(yīng)響應(yīng)或調(diào)用相應(yīng)的子程序，使大量的邏輯判斷通過查找數(shù)據(jù)庫完成，簡化了系統(tǒng)程序的邏輯關(guān)系。程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of progrom

該平臺羅經(jīng)模擬器模擬平臺羅經(jīng)工作情況，可進(jìn)行平臺羅經(jīng)開機(jī)、關(guān)機(jī)、裝訂查看、調(diào)平和導(dǎo)航等操作的訓(xùn)練，模擬器操作和相應(yīng)與實際裝備完全一致，具有較好的使用環(huán)境和交互界面。在保證訓(xùn)練效果的同時，具有價格低廉的優(yōu)勢。

[1] 譚繼帥，郝建平.淺析當(dāng)前裝備維修訓(xùn)練的發(fā)展趨勢[J].設(shè)備管理與維修，2007 （11）：11-12.TANG Ji-shuai，HAO Jian-ping.The developing process of equipment maintenance training [J].Plant Maintenance Engineering，2007 （11）：11-12.

[2] 許永和，張 丹.Visual Basic接口設(shè)計與工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3] 劉艷美，姜 波.VB實現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)（8051）的串行通訊[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26（11）：94-96.LIU Yan-mei， JIANG Bo.Implementation ofserial communication between PC and Microprocessor by Using VB[J].Techniques of Automation and Applications，2007，26（11）：94-96.

[4] 肖金球.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5] 鄧中亮，劉愛斌.利用定時器中斷實現(xiàn)CH452鍵盤驅(qū)動[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2009，30（19），4371-4373.DENG Zhong-liang，LIU Ai-bin.Realization ofCH452 keyboard driver using timer interruption [J].Computer Engineering and Design，2009，30（19），4371-4373.

[6] 孫秀梅，安 劍，劉彬彬.Visual Basic開發(fā)技術(shù)大全[M].北京：人民郵電出版社，2009.