基于ARM+WinCE的某自行火炮火控系統(tǒng)模擬訓練與考核系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

程治新，張　瑞，黃麗娟，文谷生

（武漢軍械士官學校自行火炮系，武漢　430075）

基于ARM+WinCE的某自行火炮火控系統(tǒng)模擬訓練與考核系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

程治新，張瑞，黃麗娟，文谷生

（武漢軍械士官學校自行火炮系，武漢430075）

針對實裝訓練帶來的數(shù)量不足、組織難度大、綜合成本高等現(xiàn)實問題，構(gòu)建了一套基于“ARM+WinCE”的自行火炮火控系統(tǒng)模擬訓練設備；以ARM集成控制板為基礎，設計了集信號采集與處理，計算、控制等功能于一體的火控系統(tǒng)基本電路；設計了基于WinCE、DSP、XML故障診斷硬件與軟件，使得系統(tǒng)具有操作使用、理論與操作考核、故障診斷等功能；應用證明該模擬訓練系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，極大提升了裝備訓練的效益。

自行火炮；火控系統(tǒng)；ARM；WinCE；XML

0　引言

實裝訓練具有形象直觀、學用一致等優(yōu)勢，但也存在著裝備數(shù)量有限、組織難度較大、維修保障任務重等現(xiàn)實問題，而且實裝通常不具備訓練考核和故障診斷的工作方式，難以實現(xiàn)操作使用、故障診斷訓練與考核的結(jié)合［1］。為提高教學訓練的效率與效益，本文開發(fā)了一套基于ARM處理器、Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)的自行火炮火控系統(tǒng)操作使用與檢測維修模擬訓練系統(tǒng)。

1　總體設計

系統(tǒng)以完成某型自行火炮火控系統(tǒng)的操作使用、檢測、維修訓練與考核為基本目標，以實裝結(jié)構(gòu)為參考和基礎，以各模擬單體為支撐，在完成實裝基本功能的基礎上，通過預留接口、設置故障診斷開關(guān)與監(jiān)控電路、計算機軟件等方法手段實現(xiàn)操作使用、檢測維修、故障診斷的訓練與考核［2］。

1.1功能設計

一是實現(xiàn)火控系統(tǒng)的計算、控制、交互等基本功能。主要以“ARM+WinCE”構(gòu)成的軟硬件為基礎，在原理、結(jié)構(gòu)、關(guān)重件、接口等方面與實裝保持一致［3］。

二是正常操作使用的訓練。以前述基本功能為基礎，為受訓者提供與實裝一致的操作界面與環(huán)境，從而實現(xiàn)正常的操作使用訓練。

三是理論考核。利用系統(tǒng)強大的計算機功能，通過建立理論試題庫，開發(fā)基于可擴展標記語言（XML）的理論考核模塊，完成對受訓者的理論考核。

四是操作使用的考核。通過設計操作跟蹤模塊，記錄受訓者在操作過程中的動作及數(shù)據(jù)，并給出操作成績，以此達到對操作使用的考核。

五是故障診斷訓練與考核。在主要節(jié)點電路設置開關(guān)電路，模擬故障狀態(tài)，通過狀態(tài)監(jiān)控電路監(jiān)控主要電路工作情況，從而實現(xiàn)故障診斷的訓練與考核。

1.2結(jié)構(gòu)設計

模擬訓練與考核系統(tǒng)以火控操作顯示臺為核心，包括火控計算機模擬設備、瞄準手顯示器模擬設備、定位導航系統(tǒng)模擬設備，藥溫實時測量裝置模擬設備，初速測量雷達模擬設備，姿態(tài)角傳感器，高低測角器，方位測角器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　主要硬件設計

硬件是系統(tǒng)實現(xiàn)訓練與考核功能的基礎，整個系統(tǒng)包括10個單體或系統(tǒng)，如圖1所示。

2.1火控操作顯示臺

火控操作顯示臺主要完成與各下位機通信，數(shù)據(jù)計算，人機交互，控制各分系統(tǒng)上電等功能，是系統(tǒng)進行訓練、考核的主體。

圖1　模擬訓練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

火控操作臺控制原理如圖2所示，其核心部分為連接有LVDS驅(qū)動板的ARM集成控制板，通過SD卡可以加載WINCE系統(tǒng)以及操控平臺軟件。

選用WinCE嵌入式開發(fā)單板機SBC8600B作為火控操作顯示臺核心板，CPU為ARM3359.它提供了豐富的板對板輸出信號接口，包括Mc ASP信號、SPI信號、UART信號、TFT LCD信號、以太網(wǎng)MAC（EMAC）信號等等，使系統(tǒng)開發(fā)和硬件信號連接便捷可靠［4］。

DSP作為協(xié)處理器，用于故障模擬操作控制，檢測模擬故障并將信息通過串行數(shù)據(jù)接口送給ARM控制板。

圖2　火控操作顯示臺原理框圖

2.2火控計算機模擬設備

火控計算機模擬設備主要完成數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，與其他設備進行數(shù)據(jù)通信，完成操瞄解算并輸出隨動控制信號控制調(diào)炮。其原理框圖如圖3所示。

圖3　火控計算機原理框圖

火控計算機采用功能意群設計，共由7塊電路板組成。包括一塊6塊功能電路板和一塊母板，其中系統(tǒng)主控板是該設備核心，采用高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320F2812作為核心CPU，它具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能價格比等優(yōu)點，主控板原理如圖4所示。

圖4　火控計算機主控板原理圖

軸角轉(zhuǎn)換板的主要功能是將雙通道的高低測角器（旋變器）及方位測角器（自整角機）信號引入，轉(zhuǎn)換成高低角、方位角數(shù)字信號。軸角轉(zhuǎn)換的方法較多，單片機、FPGA、專用轉(zhuǎn)換模塊均可完成，為提高開發(fā)速度和系統(tǒng)可靠性，本文采用中船716所的12ZSZ-02和12XSZ02系列芯片。

通信板主要功能是與火控系統(tǒng)其他模擬設備單體進行串行數(shù)據(jù)與命令的傳輸。通過串行口通信的單體有炮長火控操作顯示臺、瞄準手顯示器、定位定向?qū)Ш较到y(tǒng)、初速雷達等模擬設備。通信方式采用標準RS232C串行通信，采用五線制，通信速率為9 600 b/s，為了保證模擬設備與各單體之間數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的實時性，串行口接收數(shù)據(jù)均采用中斷方式。

I/O轉(zhuǎn)換板主要完成系統(tǒng)開關(guān)量的輸入輸出以及姿態(tài)角傳感器軸角信號（旋變器）的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換芯片選用中船716所的12XSZ-02系列。

直流電源板和交流電源板分別為系統(tǒng)提供+5 V、±15 V、26 V/400 Hz、36 V/400 Hz、115 V/400 Hz等電源。

2.3故障診斷電路設計

故障診斷電路主要有三大功能：一是針對典型電路提供人為可控的故障環(huán)境；二是為故障修復提供操作環(huán)境；三是通過特制信號對典型電路的工作狀態(tài)進行判定。以軸角轉(zhuǎn)換電路為例的故障診斷電路如圖5所示［5］。

圖5　故障診斷電路

3　軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要完成數(shù)據(jù)計算，數(shù)據(jù)與命令通信，人機交互（界面），理論考核，操作考核，故障診斷訓練與考核等功能。

系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)如圖6所示，它是分4層編寫，以提高程序的可管理性、實效性和協(xié)同性，它由底層向上依次是底層數(shù)據(jù)和通訊、設備和數(shù)據(jù)處理層、中間管理層、圖形操作層。

1）底層程序需要記錄并存儲具體的用戶窗體操作數(shù)據(jù)、完成模擬器軟件和硬件的通訊，處理用戶定制的配置數(shù)據(jù)，并完成按鍵處理等。

2）設備和數(shù)據(jù)處理層包括設備模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，本層提供了數(shù)據(jù)的處理方法，包括存儲、讀取和解算等，還有硬件層設備的管理方法，包括數(shù)據(jù)通訊和按鍵處理等。

3）中間管理器實現(xiàn)程序設備和數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一管理并為上層窗體提供管理接口。

4）圖形操作界面是與用戶發(fā)生直接交互的界面，在具體的界面中實現(xiàn)所有的程序功能，包括狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、操縱控制、數(shù)據(jù)存取和數(shù)據(jù)測量等功能。

圖6　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1通信設計

系統(tǒng)串口通訊連接關(guān)系如圖1所示。各模擬設備之間RS232通訊接口均采用光電隔離。

各單體之間通信以報文的形式進行，按信息傳送方向分為命令和響應兩類報文，火控操作顯示臺發(fā)往各其他單體的為命令報文。反之，稱為響應報文。兩類報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同，由Head、Address、Command、Length、Data、Check和End等7個部分共N+10個字節(jié)組成，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖7示。

圖7　報文結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各單體的通信以數(shù)據(jù)包的形式進行。考慮到于通信的命令種類多，且每一包的數(shù)據(jù)長度并不一致，如果按照選擇判斷模式編程，軟件工作量大，且易出錯，故筆者采用了有限狀態(tài)機的解決方案。該方案降低了程序編寫復雜度，增強了軟件系統(tǒng)的可維護性，便于后期擴展，如圖8所示［6］。

圖8　有限狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.2基于XML的數(shù)據(jù)存儲

模擬訓練與考核系統(tǒng)主要通過顯示器顯示界面進行人機交互，為完成數(shù)據(jù)輸入輸出、操作使用與考核、故障診斷訓練與考核，共需要100多組顯示界面。

我們采用可擴展標記語言XML的方法將這些界面進行分類成7大類，每類中都由若干個子界面組成，每個界面的數(shù)據(jù)又可以分類保存。

可擴展標記語言XML（Extensible Markup Language）是SGML（Standard Generalized Markup language）的子集，提供了統(tǒng)一的方法進行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的描述和交換。這樣將所有的數(shù)據(jù)都按結(jié)構(gòu)分類存儲后，讀取數(shù)據(jù)時也可以按圖索驥，使存儲和讀取都變得便捷且不易出錯。另一方面，由于XML具有獨立于應用平臺，具有便于傳輸?shù)奶匦?，并不依賴于開發(fā)環(huán)境，用戶可以方便的按照設計的格式自定義考試內(nèi)容和軟件配置文件，并保存為XML文件，將該文件存于程序的配置目錄中程序會自動讀取并配置，這為用戶和軟件開發(fā)方提供了便捷的數(shù)據(jù)處理手段。

XML主要用于處理存儲界面顯示參數(shù)，包括用戶自定義輸入?yún)?shù)和通過通信讀取的瞄準手、分系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)等，如圖9和圖10所示。在數(shù)據(jù)存儲和讀取過程中，數(shù)據(jù)主要由數(shù)據(jù)存儲路徑、節(jié)點描述（屬性名稱）和數(shù)據(jù)（value）3個特性來表述，存儲和讀取過程的區(qū)別即在于：存儲是使用XML合成模塊按上述3個特性來將數(shù)據(jù)合成為XML格式的數(shù)據(jù)，讀取是按圖索驥的將數(shù)據(jù)解析成節(jié)點描述和數(shù)據(jù)值，將XML數(shù)據(jù)解析成界面的參數(shù)，整個數(shù)據(jù)的處理過程非常有效率，并且也保證了正確性［9］。

圖9　XML數(shù)據(jù)保存流程

圖10　XML數(shù)據(jù)讀取流程

界面元素是系統(tǒng)監(jiān)控功能和人機界面的一個較豐富和較集中體現(xiàn)。界面元素可以實時顯示數(shù)據(jù)并刷新數(shù)據(jù)。界面信息用文件存儲以便讀取。為了規(guī)范性和兼容性，界面文件（包含界面無素信息）用XML文檔格式存儲和讀取。界面元素類設計形式如下：

class Cxxx：public Cyyy

｛//Cyyy為相關(guān)界面元素類

public：

bool Load From XMLFile（TiXmlElement*itemElement）//讀XML文件

void

RefreshShow（void）；//界面刷新

protected：

…

｝；

使用抽象工廠方法管理Cxxx的創(chuàng)建與銷毀。工廠類設計如下：

Class Graphics AbstractFactory

｛

public：

Cobject*Create Cxxx 0；//創(chuàng)建界面元素對象Cxxx

…

｝

界面組件分別提供初始化接口和銷毀接口Initialize（）和Destroy（）。系統(tǒng)啟動后，點擊窗口菜單欄中的某個菜單項時，界面組件會自動解析相應的XML文件，將解析得到的界面元素顯示出來，由界面元素完成對數(shù)據(jù)的顯示和刷新。

3.3操作考核模塊設計

對受訓者進行操作使用的考核是本系統(tǒng)的重要功能，我們選取了火控系統(tǒng)10個典型操作使用科目。在考核模塊中，將教員總結(jié)出的最優(yōu)操作方案轉(zhuǎn)化為程序的操作評估算法，并在考核模塊中設計操作跟蹤模塊，記錄學員在操作過程中的界面及操作數(shù)據(jù)，包括界面跳轉(zhuǎn)順序、界面參數(shù)值輸入等，最后用評估算法對學員專項操作數(shù)據(jù)進行評估，并給出學員操作成績，考核模塊流程如圖11所示［10］。

圖11　操作考核流程

3.4故障診斷模塊設計

隨著科技的發(fā)展，特別是信息技術(shù)的廣泛應用，大型復雜裝備的功能越來越強大，結(jié)構(gòu)越來越復雜，自動化、智能化程度越來越高，故障的產(chǎn)生因素也變得錯綜復雜，使得故障診斷的訓練日益重要，故障診斷模擬訓練為此提供了很好的解決途徑。完成故障診斷模擬訓練主要有兩種方式：基于虛擬樣機的故障診斷訓練及基于實物的故障診斷訓練。前者具有低成本、表現(xiàn)力好等優(yōu)勢，而后者更貼近實際?？紤]到本系統(tǒng)已經(jīng)有了接近實裝的硬件基礎，可提供顯示、交互、接口等必要的測試判斷環(huán)境，選擇基于實物的故障診斷訓練［11］。

本模塊主要涉及故障診斷的訓練與考核兩個模塊。

在訓練模塊，通過開關(guān)電路控制關(guān)鍵模塊或電路的工作情況，提供真實的故障環(huán)境，使得受訓者能夠充分體驗故障狀態(tài)下的系統(tǒng)表現(xiàn)，做出診斷判斷，積累故障診斷經(jīng)驗。

在考核模塊中，主要利用相應電路獲取狀態(tài)及動作信息，給出故障診斷訓練與考核環(huán)境，并對受訓者故障診斷能力進行評估。軟件流程如圖12所示。受訓學員進入故障診斷考核模塊后，首先選擇考核科目，在確定系統(tǒng)各項功能正常后，由教員進行故障設置，可手動和自動進行，完畢后系統(tǒng)給出故障設置完畢的提示。學員進入答題模式后，可轉(zhuǎn)入正常操作使用界面，通過操作，觀察故障現(xiàn)象，分析故障原因，形成故障結(jié)論，并通手動完成故障排除操作。在提交后，系統(tǒng)監(jiān)控對應電路工作情況，完成對學員故障排除情況的評判。軟件流程如圖12所示［12］。

圖12　故障診斷流程

3.5操作界面

模擬訓練系統(tǒng)操作使用、操作考核、理論考核、故障診斷操作界面如圖13所示。

圖13　軟件界面

4　試驗結(jié)果與分析

應用表明，系統(tǒng)設計的交流信號源、信號采集與轉(zhuǎn)換、通信、計算、控制、接口、人機交互、系統(tǒng)操作考核、理論考核、故障診斷訓練與考核等功能正常實現(xiàn)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具體見表1所示。

5　結(jié)語

構(gòu)建了一套基于“ARM+WinCE”的自行火炮火控系統(tǒng)模擬訓練系統(tǒng)，在實現(xiàn)實裝火控系統(tǒng)信息采集、計算、控制、人機交互等功能的基礎上，通過硬件電路及軟件系統(tǒng)使得系統(tǒng)具備操作使用與理論考核、故障診斷訓練與考核等功能，應用證明該模擬訓練系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，極大提升了裝備訓練的效益。

表1　試驗結(jié)果

操作考核*：該模塊評估算法基于標準化的操作路徑設置，在受訓學員較為熟練的情況下，考核結(jié)果能正確反映，但對于不熟練的操作者，經(jīng)過多個不必要的界面跳轉(zhuǎn)之后，盡管其操作結(jié)果正確，但考核結(jié)果判斷錯誤。此模塊評估算法還需要進一步優(yōu)化，以便更加客觀反映操作水平。

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Design of Self-Propelled Gun Fire Control System Virtual Training and Testing System Based on WinCE and ARM

Cheng Zhixin，Zhang Rui，Huang Lijuan，Wen Gusheng
（Self-propelled Artillery Department，Wuhan Ordnance Non-commissioned Officer Academy，Wuhan430075，China）

In order to solve the problem of quantity insufficiency，the group is difficult and the comprehensive cost higher，building a set of self-propelled gun fire control system virtual training and testing system based on"ARM+WinCE".designing integrates signal acquisition and processing，computing，control，and other functions in one of the basic circuit of fire control system based on ARM；Design hardware and software of fault diagnosis based on the WinCE，DSP，XML，bring up the operation system，the theory and operation evaluation，fault diagnosis，etc.Practice proves that the simulation training system is stable and reliable operation，greatly improved the benefit of the equipment training.

self-propelled gun；fire control system；ARM；WinCE；XML

1671-4598（2016）05-0135-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.039

TP391.9

A

2015-10-19；

2015-12-04。

程治新（1978-），男，湖北公安人，碩士，講師，主要從事自行火炮火控與電氣系統(tǒng)方向的研究。