某型微波著陸引導(dǎo)設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/劉云飛，海軍航空大學(xué)青島校區(qū)

微波著陸引導(dǎo)設(shè)備是保證飛機(jī)安全回收的重要手段，要求操作人員必須具備準(zhǔn)確、可靠的操作能力。微波著陸引導(dǎo)設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)昂貴，院校不會(huì)配備。如果采用實(shí)裝的訓(xùn)練模式，訓(xùn)練時(shí)間少，成本高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足院校教學(xué)訓(xùn)練需要，不僅會(huì)縮短裝備服役壽命，甚至?xí)斐裳b備損壞。如果研制與實(shí)裝操作使用一致的微波著陸引導(dǎo)設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行模擬訓(xùn)練，則安全、經(jīng)濟(jì)、可控、可多次重復(fù)、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、不受氣候條件和場(chǎng)地空間限制，既能進(jìn)行常規(guī)操作訓(xùn)練，又能培訓(xùn)學(xué)員處理各種故障的應(yīng)變能力，具有訓(xùn)練效率高、效益好的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]。

微波著陸引導(dǎo)設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)仿真與控制技術(shù)，能夠模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備的操作、使用、維護(hù)流程，外型結(jié)構(gòu)與實(shí)裝相仿，具有一樣的操作界面和顯示界面。

1.系統(tǒng)功能

微波導(dǎo)航模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)象為院校學(xué)員或設(shè)備初始操作人員，應(yīng)具有以下功能：

①模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備各分機(jī)控制面板開關(guān)的操作和指示燈的狀態(tài)顯示；

②模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備中央控制計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面的操作和狀態(tài)顯示；

③模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備一般故障時(shí)的信號(hào)輸出。

此外還要具備設(shè)備的監(jiān)控和管理功能，便于教員進(jìn)行教學(xué)控制。

2.總體方案規(guī)劃

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由仿真分機(jī)和系統(tǒng)管理臺(tái)組成，采用數(shù)據(jù)采集卡＋PC 的硬件構(gòu)架。仿真分機(jī)包括中央監(jiān)控仿真分機(jī)、靜變電源仿真分機(jī)、方位電子仿真分機(jī)、伺服控制仿真分機(jī)、仰角電子仿真分機(jī)和精密測(cè)距仿真分機(jī)。如圖1所示[2]。

圖1 微波著陸引導(dǎo)設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)框圖

為保證學(xué)員訓(xùn)練的真實(shí)感，仿真分機(jī)與實(shí)際裝備外觀基本相同，提供包括操作面板、指示燈的顏色、尺寸、面板元件規(guī)格、布局等與實(shí)際設(shè)備完全一致的模擬。各仿真分機(jī)均安裝數(shù)據(jù)采集卡，采集仿真分機(jī)操作面板上開關(guān)、按鈕等操作裝置的操作狀態(tài)，送入系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)，并根據(jù)設(shè)備工作原理及操作狀態(tài)，控制操作面板上的指示燈、LED面板等顯示。

系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)通過(guò)422總線與各分機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡相連，能獲取各分機(jī)的操作狀態(tài)，并將其送入中央控制仿真計(jì)算機(jī)，更新仿真計(jì)算機(jī)界面的設(shè)備狀態(tài)；通過(guò)串行總線與中央仿真控制計(jì)算機(jī)通信，接收中央監(jiān)控仿真分機(jī)的分機(jī)控制指令，向其余分機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，控制各分機(jī)的狀態(tài)顯示；同時(shí)提供人機(jī)界面，支持模擬訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行故障模擬，將模擬的故障類型解釋處理為各分機(jī)的狀態(tài)控制信號(hào)送至相應(yīng)的仿真分機(jī)，由其控制面板指示燈、監(jiān)控界面等輸出裝置，模擬設(shè)備故障時(shí)的信號(hào)輸出。

系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)安裝在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)管理臺(tái)上。中央控制仿真計(jì)算機(jī)主要模擬實(shí)裝設(shè)備中的中央控制計(jì)算機(jī)，提供與實(shí)裝設(shè)備完全一致的人機(jī)交互界面，安裝在中央監(jiān)控分機(jī)中。

3.數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分，在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)六個(gè)分機(jī)中都要配備。主要完成面板開關(guān)量的采集、與上位機(jī)通信、面板指示燈驅(qū)動(dòng)、喇叭驅(qū)動(dòng)及模擬波形輸出的功能。數(shù)據(jù)采集卡采用MCU+FPGA的構(gòu)架實(shí)現(xiàn)，MCU作為系統(tǒng)的主控芯片，完成數(shù)據(jù)的采集、打包，以及與PC 端的通信和控制驅(qū)動(dòng)輸出的功能，F(xiàn)PGA主要完成開關(guān)量的采集以及與 MCU的通信。

數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集功能之后，需要同上位機(jī)的PC進(jìn)行通信。模擬系統(tǒng)中所有操作都是面向人的，數(shù)據(jù)更新速度較慢，因此數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)PC通信采用RS422總線，即可滿足要求。

4.系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)與中央控制仿真計(jì)算機(jī)

微波導(dǎo)航模擬訓(xùn)練系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境要求較低，不需要考慮高溫高濕和振動(dòng)等環(huán)境影響，因此系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)與中央控制仿真計(jì)算機(jī)采用普通商用臺(tái)式機(jī)，即可滿足系統(tǒng)的性能要求。

5.各分機(jī)及管理臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)軟件采用VC++進(jìn)行開發(fā)，界面菜單交互性強(qiáng)，人機(jī)界面友好。

5.1 中央監(jiān)控仿真分機(jī)

中央監(jiān)控仿真分機(jī)模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備的中央監(jiān)控分機(jī)，包括數(shù)據(jù)采集卡、指示燈面板、開關(guān)面板以及中央控制仿真計(jì)算機(jī)等；數(shù)據(jù)采集卡采用RS422總線與中央控制仿真計(jì)算機(jī)通信，中央控制仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)串行總線與系統(tǒng)管理臺(tái)通信，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)電纜與分機(jī)的面板相連。中央監(jiān)控仿真分機(jī)軟件模塊組成如圖2所示。主要由中央監(jiān)控分機(jī)系統(tǒng)管理模塊、測(cè)角系統(tǒng)人機(jī)交互模塊、測(cè)距系統(tǒng)人機(jī)交互模塊，模擬故障輸出模塊、狀態(tài)監(jiān)視模塊、開關(guān)面板操作模塊、指示燈狀態(tài)顯示模塊和目標(biāo)指示數(shù)據(jù)模塊組成。與其它虛線框模塊相互交聯(lián)。

其中模擬故障輸出模塊，用以模擬中央控制計(jì)算機(jī)各模塊故障時(shí)的狀態(tài)輸出，包括異步通信模塊故障、網(wǎng)絡(luò)模塊故障、軟件系統(tǒng)損壞、硬盤模塊故障和主板模塊故障等。其他各分機(jī)的軟件模塊設(shè)置與中央監(jiān)控仿真分機(jī)類似。

圖2 中央監(jiān)控仿真分機(jī)軟件模塊組成圖

5.2 方位和仰角電子仿真分機(jī)

方位和仰角電子仿真分機(jī)模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備的方位電子分機(jī)和仰角電子分機(jī)，包括數(shù)據(jù)采集卡、狀態(tài)顯示與控制組合前面板、開關(guān)電源前面板、直流電源前面板等；數(shù)據(jù)采集卡采用RS422總線與系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)通信，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)電纜與分機(jī)面板相連。仿真分機(jī)具備以下功能：

（1）模擬電子分機(jī)狀態(tài)顯示與控制組合前面板的開關(guān)操作和指示燈狀態(tài)顯示；

（2）模擬電子分機(jī)開關(guān)電源前面板的開關(guān)操作和指示燈狀態(tài)顯示；

（3）模擬電子分機(jī)直流電源前面板的開關(guān)操作和指示燈狀態(tài)顯示；

（4）模擬電子分機(jī)模塊故障時(shí)的狀態(tài)輸出，支持故障排查訓(xùn)練，這些故障包括：

電子分機(jī)開關(guān)電源模塊故障；電子分機(jī)直流電源模塊故障；

電子分機(jī)狀態(tài)顯示與控制組合的指示燈故障；電子分機(jī)狀態(tài)顯示與控制組合的開關(guān)故障；電子分機(jī)保險(xiǎn)管故障；

（5）支持電子分機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)操作訓(xùn)練。

5.3 靜變電源仿真分機(jī)

靜變電源仿真分機(jī)模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備的靜變電源分機(jī)，包括數(shù)據(jù)采集卡、靜變電源操作面板、配電單元顯示面板等；數(shù)據(jù)采集卡采用RS422總線與系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)通信，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)電纜與分機(jī)面板相連。仿真分機(jī)具備以下功能：

（1）模擬靜變電源操作面板的開關(guān)操作；（2）模擬配電單元顯示面板的狀態(tài)顯示；（3）模擬輸出電壓的電位器調(diào)節(jié)操作；（4）模擬靜變電源分機(jī)故障時(shí)的狀態(tài)輸出（5）支持靜變電源分機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)操作訓(xùn)練。

5.4 伺服控制仿真分機(jī)

伺服控制仿真分機(jī)模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備的伺服控制分機(jī)，包括數(shù)據(jù)采集卡、面板等；數(shù)據(jù)采集卡采用RS422總線與系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)通信，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)電纜與分機(jī)面板相連。仿真分機(jī)具備以下功能：

（1）模擬伺服控制分機(jī)故障指示燈的狀態(tài)顯示；（2）支持伺服控制分機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)操作訓(xùn)練。

5.5 精密測(cè)距仿真分機(jī)

精密測(cè)距仿真分機(jī)模擬微波著陸引導(dǎo)設(shè)備的精密測(cè)距分機(jī)，包括數(shù)據(jù)采集卡、操作面板等；其設(shè)計(jì)思路及模塊構(gòu)成與方位和仰角電子分機(jī)類似，不再贅述。

5.6 天線模擬設(shè)計(jì)

微波著陸引導(dǎo)設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，由于原設(shè)備天線部分為相控陣天線，對(duì)于模擬訓(xùn)練，可操作部分很少，因此對(duì)于天線的模擬，由中央仿真控制計(jì)算機(jī)通過(guò)動(dòng)畫仿真實(shí)現(xiàn)，可以降低成本。

5.7 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)管理臺(tái)

微波訓(xùn)練模擬器系統(tǒng)管理臺(tái)主要完成以下功能：

（1）模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中及轉(zhuǎn)發(fā)功能：

通過(guò)RS422總線與各仿真分機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡（不含中央監(jiān)控仿真分機(jī)）通信，獲取、匯總各仿真分機(jī)的操作及指示燈控制信息，將中央監(jiān)控仿真計(jì)算機(jī)的分機(jī)控制命令向各分機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)；

通過(guò)串行總線與中央仿真控制計(jì)算機(jī)通信，接收中央監(jiān)控仿真分機(jī)的分機(jī)控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)其余分機(jī)的操作信息；

解釋管理員的故障設(shè)置指令，將解釋處理后的狀態(tài)控制指令向各仿真分機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的管理及控制功能：

具備對(duì)整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的加電控制、復(fù)位功能；

提供人機(jī)界面，支持管理員進(jìn)行模擬訓(xùn)練的故障設(shè)置；

具備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和自檢功能。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)管理臺(tái)包括系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)、422接口通信模塊等。系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)選擇商用臺(tái)式機(jī)，422接口通信模塊提供系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡的422通信接口。

（3）系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)管理軟件應(yīng)具備以下功能：

提供人機(jī)界面，解釋處理故障設(shè)置指令，顯示系統(tǒng)狀態(tài)，支持系統(tǒng)自檢及復(fù)位操作；

完成與數(shù)據(jù)采集卡、中央控制仿真計(jì)算機(jī)的串口數(shù)據(jù)通信。

6.結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，成本低、生產(chǎn)周期較短，能大幅降低制作成本，數(shù)據(jù)采集卡采用MCU+FPGA的構(gòu)架實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA集成度高、編程方便，具有較高的可靠性和設(shè)計(jì)靈活性，并充分考慮了故障設(shè)置及排除方面的內(nèi)容，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，可代替昂貴的實(shí)裝進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練，適用于院校及培訓(xùn)基地使用[3]。

* [1]彭雪梅.微波著陸系統(tǒng)信號(hào)模擬器的研究[D].西安電子科技大學(xué)，2008，1∶2—13.

* [2]蘇鵬達(dá).微波著陸系統(tǒng)模擬信號(hào)的研究及FPGA實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2014，1∶2—13.

* [3]劉云飛，田華明，王鼎，等.某型雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].設(shè)備管理與維修，2017(1)∶109—110.