線導魚雷模擬器的改進設(shè)計

毛向輝, 葉慧娟, 張 寧

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線導魚雷模擬器的改進設(shè)計

毛向輝, 葉慧娟, 張 寧

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了滿足作戰(zhàn)訓練需求, 對某型線導魚雷模擬器進行了改進設(shè)計。模擬器的設(shè)計基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)和C++ Builder, 采用“工控機+ISA總線+CPLD+上位機軟件”結(jié)構(gòu)。在分析了已列裝的該型魚雷模擬器所存在的缺陷基礎(chǔ)上, 提出了新型模擬器的功能需求以及總體設(shè)計方案, 根據(jù)功能需求, 從硬件和軟件兩方面對模擬器進行設(shè)計: 硬件部分包括接口電路以及聯(lián)接ISA總線和接口電路的橋接電路; 軟件部分采用C++ Builder進行開發(fā), 通過Win IO函數(shù)實現(xiàn)對底層硬件的驅(qū)動。改進后的模擬器在試用過程中取得了良好的效果, 其主要技術(shù)性能達到了設(shè)計要求。

線導魚雷; 模擬器; C++ Builder; 可編程邏輯器件

0 引言

為解決某型線導魚雷實際訓練使用中出現(xiàn)的問題, 研制了該型魚雷的模擬器。然而伴隨著對該型魚雷認知程度的不斷加深, 以及對該型魚雷保障能力要求的不斷提高, 現(xiàn)有的功能比較單一的模擬器已不能滿足實際需求。

因此, 本文在分析了現(xiàn)有模擬器所存在缺陷的基礎(chǔ)上, 提出了新型模擬器的功能需求和總體設(shè)計方案, 并從硬件和軟件兩方面進行了設(shè)計。根據(jù)設(shè)計方案研制的模擬器在交付部隊試用過程中取得了良好的效果, 證明了新型模擬器的實用價值。

1 新型模擬器的功能需求與總體設(shè)計

線導魚雷模擬器用于與艇上線導系統(tǒng)對接后, 模擬線導魚雷接收線導指令并根據(jù)指令要求回復魚雷狀態(tài)信息。

現(xiàn)有的該型魚雷模擬器在與艇上線導系統(tǒng)對接進行魚雷操控訓練時, 該模擬器僅具備模擬魚雷與線導顯控臺(以下簡稱“顯控臺”)之間的雙向通信功能; 而缺乏對該型魚雷全彈道的評估手段, 即只能根據(jù)顯控臺推算顯示的魚雷彈道進行評估, 而無法獲取魚雷的實際彈道; 也缺乏對導引數(shù)據(jù)的分析手段, 即通常情況下只能在導引結(jié)束后根據(jù)線導顯控臺記錄的采樣數(shù)據(jù)進行線導導引過程的分析, 無法直接獲取魚雷與顯控臺之間的實時交換數(shù)據(jù)。

因此, 針對現(xiàn)有模擬器功能上的缺陷, 改進的模擬器的功能需求如下。

1.1 模擬器功能需求分析

1) 通信功能

模擬器可以直接與艇上線導系統(tǒng)相連接, 完成顯控臺與魚雷之間的通信: 接收顯控臺發(fā)送給魚雷的線導指令信息, 發(fā)送魚雷返回給顯控臺的魚雷狀態(tài)信息。

2) 模擬本艇和目標功能

輸入目標、本艇運動參數(shù)以及魚雷的設(shè)定參數(shù), 模擬器可以模擬本艇和目標運動, 并可以根據(jù)魚雷探測性能參數(shù), 在魚雷和目標滿足捕獲要求時, 控制魚雷進入“自導捕獲”狀態(tài)。

3) 模擬魚雷功能

模擬器可以替代實雷, 在線導導引階段按照顯控臺的線導控制指令進行魚雷航向、航速或狀態(tài)的解算, 在自導導引階段按照魚雷自導導引算法解算魚雷航向進行自主控制。

4) 繪制彈道功能

模擬器可以按照解算的魚雷運動參數(shù)繪制魚雷彈道[1]并輸出顯示, 便于與顯控臺所顯示的彈道進行對比。

5) 數(shù)據(jù)顯示及記錄功能

裝置可以按照通信周期實時顯示并記錄顯控臺發(fā)送的指令和航向控制信息、魚雷坐標、魚雷航向/航速以及魚雷狀態(tài)信息, 所記錄數(shù)據(jù)可在試驗后與顯控臺的記錄數(shù)據(jù)進行對比, 用于彈道分析。

1.2 模擬器總體方案

模擬器總體可分為硬件和軟件兩部分。硬件部分以下翻Ⅱ型加固便攜工控機為基礎(chǔ), 通過ISA總線與安裝在工控機擴展槽內(nèi)的接口板進行數(shù)據(jù)交換, 接口板包括橋接電路和接口電路兩部分[2]; 軟件部分負責處理通過接口板的通信數(shù)據(jù)、解算魚雷運動參數(shù)、繪制魚雷彈道以及記錄通信數(shù)據(jù)等。模擬器的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 改進型模擬器總體結(jié)構(gòu)圖

模擬器的設(shè)計包含以下特點:

1) 采用并行數(shù)據(jù)接口, 可以與艇上線導系統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)接口相匹配。

2) 接口電路設(shè)計采用與艇上線導系統(tǒng)相同的電路結(jié)構(gòu), 電氣兼容性良好。

3) 選用具備ISA總線接口的工控機, 通過I/O底層驅(qū)動實現(xiàn)軟硬件數(shù)據(jù)交互。

4) 對線導魚雷的導引采用雷上原有的算法。

2 硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

模擬器硬件框圖如圖2所示。

圖2 改進型模擬器的硬件框圖

ISA總線與接口電路的橋接通過complex programmable logic device(CPLD)來完成, 橋接電路包括譯碼電路、輸入輸出寄存器、輸入輸出緩沖器3個部分; 接口電路通過光耦輸入模塊直接接收來自并行數(shù)據(jù)接口的線導指令和航向控制信息, 通過繼電器輸出模塊將線導魚雷的狀態(tài)、航向和航速信息直接輸送到并行數(shù)據(jù)接口[3]。

模擬器所采用的工控機應帶有工業(yè)標準ISA總線(ISA總線是成熟的工業(yè)標準總線, 最高工作頻率為8 MHz, 數(shù)據(jù)傳輸速率可達16 MB/s), 其系統(tǒng)平臺采用Windows XP。

8月1日，國家糧食和物資儲備局召開“深化改革、轉(zhuǎn)型發(fā)展”大討論活動總結(jié)大會，對糧食和物資儲備系統(tǒng)深化改革、轉(zhuǎn)型發(fā)展進行部署。國家糧食和物資儲備局黨組書記、局長張務鋒要求：著力構(gòu)建統(tǒng)一的國家物資儲備體系；大力實施國家糧食安全戰(zhàn)略；不斷提高應對突發(fā)事件的能力；全面加強糧食流通和物資儲備基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建好、用好儲備設(shè)施，加快信息化建設(shè)，強化科技創(chuàng)新引領(lǐng)；加快提升依法管糧、管儲水平。

2.2 橋接電路設(shè)計

1) 地址分配和引腳定義

采用CPLD可編程電路作為ISA總線的橋接電路, 完成對ISA總線地址的譯碼和地址分配, 地址分為2個地址段, 分別為讀地址段和寫地址段, 具體地址含義如表1所示。

表1 可編程邏輯器件地址表

每個地址對應1個輸入或輸出端口, 輸入端口完成對線導指令和航向控制信息的接收, 輸出端口完成線導魚雷信息的輸出。數(shù)字可編程器件引腳與信號對應關(guān)系如表2所示。

表2 可編程器件引腳定義

2) 功能結(jié)構(gòu)

CPLD的內(nèi)部功能模塊包括譯碼電路、輸入寄存器、輸入寄存器、輸入緩沖器和輸出緩沖器。ISA總線常用的地址線為A0~A9, 共10位寬度, 這里將A4~A9作為某型線導魚雷模擬器擴展板的基地址, A0~A3作為偏移地址, 譯碼電路采用1個3線8線譯碼模塊作為地址譯碼電路, 譯碼電路輸出的低四位作為寫地址段, 高四位作為讀地址段。輸入輸出接口各由3個8Bit的觸發(fā)器構(gòu)成, 輸入輸出緩沖器分別接入到對應的寄存器上[4]?？删幊踢壿嬈骷砜驁D如圖3所示。

圖3 可編程邏輯器件原理框圖

可編程邏輯器件選用Xilinx公司的XC95288- HQ208, 利用該公司的XISE12.1可編程器件設(shè)計軟件。在完成原理圖輸入/輸出和功能時序仿真后, 通過開發(fā)平臺自動完成編譯、元件布局和邏輯走線并生成邏輯配置文件。邏輯配置文件通過JTAG接口下載到器件后, 完成CPLD設(shè)計[5]。

2.3 接口電路設(shè)計

接口電路分輸入輸出2個部分, 可直接采用與線導系統(tǒng)相同的光耦輸入模塊作為接口電路的輸入接口模塊; 輸出接口模塊采用繼電器方式輸出, 確保其與線導魚雷通信接口具有完全相同的電氣特性[6]。

輸出接口模塊的某一路輸出電路的原理圖如圖4所示。

圖4 繼電器輸出模塊電路原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

模擬器軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模擬器軟件結(jié)構(gòu)圖

在手動裝訂相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上, 通過Win IO函數(shù), 模擬器軟件可以獲取硬件電路通過并行數(shù)據(jù)接口接收到的指令信息, 按照指令內(nèi)容同時根據(jù)預定的算法解算魚雷運動參數(shù), 繪制魚雷彈道, 再次通過Win IO函數(shù)驅(qū)動硬件電路按要求向顯控臺發(fā)送魚雷信息。

3.2 功能模塊劃分

模擬器軟件按照功能應包含以下模塊, 如表3所示。

1) 橋接芯片驅(qū)動模塊

橋接芯片的驅(qū)動為底層硬件的驅(qū)動, 采用Win IO函數(shù)庫開發(fā)。Win IO作為1個專門操作I/O端口的第3函數(shù)方庫, 通過該庫可以直接在Windows上方便的操作I/O端口而不需要操作復雜的API函數(shù)。Win IO對I/O的操作只需要“讀”和“寫”2個函數(shù)就可以完成。

2) 線導魚雷模擬模塊

線導魚雷模擬模塊的主要功能是根據(jù)輸入的目標類型, 選擇針對該類型的目標的導引算法, 模擬發(fā)射后, 模塊可以模擬線導魚雷從發(fā)射到命中目標的一系列動作, 同時完成和艇上線導系統(tǒng)的信息交換。

表3 模擬器軟件模塊組成

4 模擬器的應用

模擬器與艇上線導系統(tǒng)對接示意圖如圖6所示。

圖6 模擬器與線導系統(tǒng)對接示意圖

模擬器通過并行數(shù)據(jù)接口與線導信號轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進行對接, 以接入線導系統(tǒng)。模擬器啟動后, 將根據(jù)線導指令執(zhí)行相應的運算操作[7]。

模擬器的運行流程如圖7所示。

模擬器與艇上線導系統(tǒng)對接后, 在其軟件界面設(shè)置與顯控臺相同的本艇和目標參數(shù), 并將發(fā)射前顯控臺解算的參數(shù)輸入到模擬器中; 在接收到顯控臺下達的“發(fā)射”指令后, 模擬器模擬發(fā)射魚雷; 在線導導引過程中, 模擬器通過并行接口接收線導控制指令, 其線導魚雷模擬模塊按照指令內(nèi)容同時根據(jù)預定的算法解算魚雷運動參數(shù), 繪制魚雷彈道, 并根據(jù)指令要求將魚雷信息通過并行接口回復給顯控臺(此間, 顯控臺會按照通信周期向模擬器發(fā)送同步信號, 以保證指令的完整性); 同時根據(jù)需求將模擬器與艇上線導系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)按照通信周期實時顯示; 在接收到顯控臺下達的“線導結(jié)束”指令時, 模擬器完成模擬魚雷任務, 停止解算魚雷參數(shù)并以文檔形式保存數(shù)據(jù)。

在該型魚雷的操控訓練過程中, 所使用的改進后的模擬器在現(xiàn)有模擬器功能的基礎(chǔ)上, 實現(xiàn)了解算魚雷自導階段運動、繪制魚雷實際彈道和實時顯示并記錄線導通信數(shù)據(jù)等功能, 所記錄的通信數(shù)據(jù)可用于該型魚雷操控訓練效果評估和線導過程異?，F(xiàn)象分析。

5 結(jié)束語

本文從作戰(zhàn)訓練需求出發(fā), 在分析現(xiàn)有的該型線導魚雷模擬器所具備功能的基礎(chǔ)上, 提出了改進設(shè)計的總體方案; 從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面對此方案進行了闡述; 最后對模擬器的接入方法及工作流程等進行了總結(jié)。

所設(shè)計的模擬器已投入該型魚雷的操控訓練中, 并且取得了良好的效果。相對于操雷實射而言, 線導魚雷模擬器的研制使得潛艇部隊在潛艇系泊狀態(tài)下即可進行魚雷的操控訓練, 不限于海況條件和訓練頻率, 且在一定程度上節(jié)約了訓練經(jīng)費, 達到了低成本高效率的戰(zhàn)斗力生成要求。同時該模擬器在原有模擬器基礎(chǔ)上進行的功能改進有利于該型魚雷的作戰(zhàn)訓練保障及其配套線導系統(tǒng)性能的檢測。所設(shè)計模擬器的主要技術(shù)性能達到了設(shè)計要求, 且具有較高的實用價值。

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(責任編輯: 許 妍)

Improvement of Wire-guided Torpedo Simulator

MAO Xiang-huiYE Hui-juanZHANG Ning

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To meet the requirement of battle and training, the conventional wire-guided torpedo simulator was improved. The improvement is based on complex programmable logic device (CPLD) and C++ Builder, and adopts the structure of “industrial personal computer(IPC)+ISA bus+ CPLD+ personal computer(PC) software”. By analyzing the shortcomings of the conventional simulator, the functional requirement and general design scheme of the improved simulator were put forward. The improvement concerns two aspects: 1) an interface circuit and a bridge circuit used for connecting the interface circuit and the ISA bus are employed for the hardware; and 2) the software is developed with the C++ Builder to drive the hardware through the Win IO function. This improved wire-guided torpedo simulator showed satisfactory effectiveness in trial stage, and its main performance parameters met the design requirement.

wire-guided torpedo; simulator; C++ Builder; complex programmable logic device

TJ631.4

A

1673-1948(2014)05-0385-05

2014-07-10;

2014-08-18.

毛向輝(1990-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為武器系統(tǒng)應用與保障.