某型戰(zhàn)車信息終端仿真器的設(shè)計(jì)

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(陸軍裝甲兵學(xué)院 信息通信系, 北京 100072)

0 引言

裝備維修是軍隊(duì)裝備保障工作的重要組成部分，是裝備保持、恢復(fù)乃至提高戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵。隨著我軍信息化建設(shè)的發(fā)展，裝備呈現(xiàn)出技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，在實(shí)裝上進(jìn)行維修訓(xùn)練變得越來越困難，用何種手段與方法“替代實(shí)裝”開展訓(xùn)練，成為維修訓(xùn)練研究的一個(gè)重要課題。目前裝備維修訓(xùn)練主要存在以下問題[1-2]：

1)實(shí)裝的數(shù)量和訓(xùn)練場地有限，所以受訓(xùn)人員數(shù)量和訓(xùn)練時(shí)間難以保證，訓(xùn)練效率低。

2)受訓(xùn)人員無法結(jié)合實(shí)裝看到全部的故障現(xiàn)象，只能從書本上進(jìn)行抽象理解。

3)受訓(xùn)人員結(jié)合實(shí)裝的操作多限于分解、組裝，而對(duì)故障檢測這一維修訓(xùn)練內(nèi)容的實(shí)際操作甚少。

4)新裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維修訓(xùn)練成本甚高。

針對(duì)裝備維修實(shí)際情況，在實(shí)裝上進(jìn)行維修訓(xùn)練已不現(xiàn)實(shí)，且故障不可能再現(xiàn)，因此，采用以實(shí)際裝備為模型，采用仿真技術(shù)、實(shí)物建模技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)等，分析實(shí)裝的結(jié)構(gòu)特征、信號(hào)特性、功能模塊、維修流程等，構(gòu)造仿真平臺(tái)，在該平臺(tái)上進(jìn)行維修訓(xùn)練，是本文的基本設(shè)計(jì)思想，以滿足日益增長的信息裝備維修訓(xùn)練需要。本文以裝甲車輛中的信息終端為例，構(gòu)造信息終端仿真器，在仿真器中植入故障模型，通過設(shè)計(jì)一套軟硬件結(jié)合的電路方案，開展信息終端的維修訓(xùn)練。

1 某型駕駛員終端基本原理

裝甲車輛中的信息終端主要包括車載計(jì)算機(jī)、車載一體計(jì)算機(jī)(如：駕駛員任務(wù)終端、車長任務(wù)終端)、便攜式計(jì)算機(jī)和任務(wù)控制終端(如電臺(tái)、PDA)等，這些是裝甲車輛的主要控制設(shè)備，其運(yùn)行好壞直接影響到車輛的完好性。某型戰(zhàn)車的駕駛員任務(wù)終端完成狀態(tài)指示信號(hào)、報(bào)警信號(hào)輸入和儀表模擬信號(hào)采集，將工況數(shù)據(jù)、車況數(shù)據(jù)信息等儀表信息顯示，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀表功能；連接駕駛員輔助潛望鏡，實(shí)現(xiàn)電視輔助駕駛功能；提供戰(zhàn)場電子地圖，連接車長任務(wù)終端，接收車長指揮命令及報(bào)告車輛工況；接收、顯示車輛定位導(dǎo)航信息及戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)功能；連接其他控制器，實(shí)時(shí)接收并顯示控制器工作狀態(tài)及車況監(jiān)測和報(bào)警功能。內(nèi)部組成如圖1所示，主要由以下部分組成[3]。

1)液晶顯示器：顯示虛擬儀表、報(bào)警及狀態(tài)信息、CCD視頻圖像、電子地圖、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器狀態(tài)信息等。

2)電源開關(guān)及指示燈：指示供電情況和報(bào)警指示燈閃爍。

3)按鍵：用于對(duì)顯示內(nèi)容的操作。

4)電纜插座：分別為電源電纜插座、調(diào)試電纜插座、儀表信號(hào)電纜插座、報(bào)警信號(hào)電纜插座、通信信號(hào)電纜插座、CCD視頻信號(hào)電纜插座。

5)系統(tǒng)電源模塊：用以將車上電氣系統(tǒng)提供的24V電源轉(zhuǎn)變?yōu)楸狙b置所需要的電源。

6)儀表信號(hào)模塊：包括儀表信號(hào)調(diào)理模塊和儀表信號(hào)接口模塊，其中調(diào)理模塊用以將各傳感器信號(hào)及車況信號(hào)轉(zhuǎn)換為接口模塊所要求的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；接口模塊將調(diào)理模塊輸出的信號(hào)經(jīng)采集、編碼傳輸給CPU進(jìn)行處理。

7)報(bào)警信號(hào)模塊：用于檢測車內(nèi)一些開關(guān)量的報(bào)警信號(hào)，經(jīng)采集、編碼傳輸給CPU進(jìn)行處理。

8)通信信號(hào)模塊：用于實(shí)現(xiàn)駕駛員終端與車長終端、其他控制器、信息處理單元等部件之間的通信。

9)主板模塊：主要是給其他模塊提供載板的功能，其自身實(shí)現(xiàn)按鍵監(jiān)測、CCD視頻信號(hào)捕獲、CF卡接口、調(diào)試接口、液晶顯示等功能。

10)CPU模塊：采用嵌入式主板用以處理、顯示、存儲(chǔ)各種輸入/輸出信息，是整個(gè)裝置的核心。

圖1 駕駛員任務(wù)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2 信息終端仿真器的設(shè)計(jì)

根據(jù)某型駕駛員任務(wù)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和信號(hào)特征，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于維修訓(xùn)練的信息終端仿真器[4-6]，如圖2所示。

2.1 仿真器硬件總體設(shè)計(jì)

如圖2所示，仿真器的硬件模塊包括CPU主板、電源組件仿真板、報(bào)警信號(hào)仿真板、虛擬儀表仿真板、通信信號(hào)仿真板、GPS信號(hào)仿真板、CCD組件仿真板、鍵盤顯示接口仿真板、航空插頭接口、RS485總線、液晶顯示屏和操作面板。這些模塊構(gòu)成了駕駛員終端仿真器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與實(shí)裝內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相一致，在功能上也相似，為了進(jìn)行維修訓(xùn)練應(yīng)用，在內(nèi)部各模塊中增加了一項(xiàng)故障設(shè)置功能，可以根據(jù)維修人員的要求進(jìn)行故障設(shè)置，便于維修訓(xùn)練。

CPU主板：用于模擬實(shí)裝對(duì)內(nèi)部各部件的數(shù)據(jù)采集與處理，并將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上，或者通過操作面板完成相關(guān)的輸入操作。CPU主板與其他仿真板之間分別通過串口總線RS232相連，完成信息交互，液晶顯示屏和操作面板連接于CPU主板上。

電源組件仿真板：用于模擬實(shí)裝的電源供電方式，提供+12 V、-12 V、+5 V、-5 V和+3.3 V電源，供內(nèi)部各部件使用，另一方面，通過故障設(shè)置單元設(shè)置所需的故障，通過RS232總線接口與CPU主板連接，通過RS485總線接口與外部連接。由于各仿真板的電路有兩部分，一部分是功能電路、另一部分是用于設(shè)置故障的電路，后部分必須持續(xù)供電，由電源組件仿真板分出一路+5 V電源供仿真板中的設(shè)置故障電路供電。

報(bào)警信號(hào)仿真板：從航空插頭接口接收輸入信號(hào)，模擬實(shí)裝的報(bào)警信息處理方式，在液晶顯示屏上顯示報(bào)警信息，另一方面，通過故障設(shè)置單元設(shè)置所需的故障，通過RS232總線接口與CPU主板連接，通過RS485總線接口與外部連接。

虛擬儀表仿真板：從航空插頭接口接收輸入信號(hào)，模擬實(shí)裝的虛擬儀表信息處理方式，在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示各儀表數(shù)據(jù)，另一方面，通過故障設(shè)置單元設(shè)置所需的故障，通過RS232總線接口與CPU主板連接，通過RS485總線接口與外部連接。

通信信號(hào)仿真板：模擬實(shí)裝的通信連接方式，構(gòu)成2個(gè)RS232接口、2個(gè)RS422接口、1個(gè)RS485接口，分別與航空插頭接口相連，另一方面，通過故障設(shè)置單元設(shè)置所需的故障，通過RS232總線接口與CPU主板連接，通過RS485總線接口與外部連接。

GPS信號(hào)仿真板：模擬實(shí)裝的GPS接收方式，通過內(nèi)置GPS模塊接收信息，另一方面，通過故障設(shè)置單元設(shè)置所需的故障，通過RS232總線接口與CPU主板連接，通過RS485總線接口與外部連接。

CCD組件仿真板：模擬實(shí)裝的CCD連接方式，與航空插頭接口相連，完成視頻信息的傳輸，另一方面，通過故障設(shè)置單元設(shè)置所需的故障，通過RS232總線接口與CPU主板連接，通過RS485總線接口與外部連接。

鍵盤顯示接口仿真板：接收操作面板的鍵盤操作信息，完成相應(yīng)的動(dòng)作，另一方面，通過故障設(shè)置單元設(shè)置所需的故障，通過RS232總線接口與CPU主板連接，通過RS485總線接口與外部連接。

航空插頭接口：與外部信號(hào)部件相連，內(nèi)部分別與電源組件仿真板、報(bào)警信號(hào)仿真板、虛擬儀表仿真板、通信信號(hào)仿真板、GPS信號(hào)仿真板、CCD組件仿真板相連，完成內(nèi)、外信息的交互。

RS485總線：用于仿真器內(nèi)部各仿真板之間以及與外部命令的交互，故障設(shè)置命令通過RS485總線傳送。

液晶顯示屏：用于顯示報(bào)警信息、儀表數(shù)值、通信信息和各種提示信息，連接在CPU主板上。

操作面板，與實(shí)裝一致的鍵盤按鈕，用于界面的切換，連接在CPU主板上。

圖2 信息終端仿真器的模塊結(jié)構(gòu)

2.2 仿真板硬件設(shè)計(jì)

仿真板的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括功能單元，故障模型和故障設(shè)置單元。功能單元，是根據(jù)實(shí)裝對(duì)應(yīng)部件分析出結(jié)構(gòu)特征、信號(hào)特征，完成各功能部件的特征模擬，通過RS232總線與CPU主板相連并交互；故障模型，是根據(jù)實(shí)裝對(duì)應(yīng)部件分析出故障模式以及故障設(shè)置策略，提供給故障設(shè)置單元，當(dāng)需要設(shè)置故障時(shí)提供指導(dǎo)。

仿真板的設(shè)計(jì)是本仿真器的重點(diǎn)，各仿真板的功能單元并不需要對(duì)實(shí)裝各對(duì)應(yīng)部件的復(fù)現(xiàn)，只需把功能特征和信號(hào)特征體現(xiàn)出來，然后分析電路中可能會(huì)出現(xiàn)的故障點(diǎn)引起的故障現(xiàn)象找出來，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)電路板，保持相同的輸入輸出接口，最后設(shè)計(jì)新的仿真板。

圖3 仿真板模塊結(jié)構(gòu)

圖4 仿真板故障設(shè)置單元模型

2.3 仿真板故障設(shè)置單元設(shè)計(jì)

故障設(shè)置單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括單片機(jī)控制模塊和電子開關(guān)，其中，單片機(jī)控制模塊，通過RS485總線從外部接收故障設(shè)置命令，根據(jù)故障模型完成故障設(shè)置，單片機(jī)使用MSP430F149，也可以是其他單片機(jī)。電子開關(guān)為模擬開關(guān)(組)，低導(dǎo)通電阻、寬電源電壓(±4.5～±20 V)，滿足電子開關(guān)(組)的設(shè)計(jì)要求。

故障設(shè)置單元是仿真板中智能部分，當(dāng)接收到設(shè)置故障的命令時(shí)，根據(jù)已分析出的故障模型，在單片機(jī)的控制下，通過電子開關(guān)的動(dòng)作倒向相應(yīng)的故障源，故障源分為4種：懸空、接地、高/低電平和某一電平值。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

信息終端仿真器的軟件設(shè)計(jì)包括顯示界面軟件設(shè)計(jì)和仿真板軟件設(shè)計(jì)[7]，配合硬件完成某型裝甲車駕駛員任務(wù)終端的基本功能及維修訓(xùn)練時(shí)的故障設(shè)置等。

2.4.1 顯示界面軟件設(shè)計(jì)

仿真器顯示界面軟件主要以某型裝甲車駕駛員任務(wù)終端為樣本，對(duì)實(shí)裝界面進(jìn)行了研究和仿真實(shí)現(xiàn)，軟件將仿真器采集的物理信號(hào)經(jīng)處理后顯示在液晶屏上，其界面與實(shí)裝完全一樣。完成的主要功能包括：虛擬儀表顯示、報(bào)警信號(hào)顯示、通信信號(hào)顯示、視頻信號(hào)顯示、地圖導(dǎo)航、按鍵響應(yīng)(面板按鍵功能響應(yīng))等。

虛擬儀表：駕駛員任務(wù)終端將傳感器采集過來的車況信息通過虛擬儀表顯示出來，儀表的指針讓駕駛員對(duì)車況有直觀地定性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在每個(gè)儀表上顯示具體的數(shù)值大小使得駕駛員能夠精確的知道車況信息。

電子地圖：電子地圖為駕駛員提供地形地貌等信息，同時(shí)通過GPS導(dǎo)航、北斗導(dǎo)航提供駕駛員的行車路線。程序完成電子地圖縮放，經(jīng)緯度顯示，地形地貌顯示，GPS數(shù)據(jù)的顯示、定位標(biāo)記、導(dǎo)航等功能。

視頻監(jiān)測：兩棲裝甲車在水上行進(jìn)時(shí)，主要依靠CCD采集視頻圖像進(jìn)行輔助駕駛。程序采用Intel公司提供的開源計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV插件，開發(fā)出CCD視頻采集模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻監(jiān)測、圖像采集等功能。

超限報(bào)警：當(dāng)車內(nèi)傳感器檢測到某一特征信號(hào)超過限定值時(shí)，將傳送對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)給駕駛員任務(wù)終端，程序控制報(bào)警指示燈進(jìn)行閃爍報(bào)警，同時(shí)以文字的方式顯示對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。對(duì)于需要進(jìn)行超限報(bào)警的儀表盤(如機(jī)油壓等)，一旦指針指示到達(dá)報(bào)警界限，則指針立刻變?yōu)榧t色，同時(shí)報(bào)警指示燈閃爍，以起到警示的作用。

通信信號(hào)顯示：駕駛員任務(wù)終端需要與車長終端及其他控制器、信息處理單元等模塊之間進(jìn)行通信，終端程序依據(jù)串口傳輸過來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，得到具體的通信命令，然后顯示在終端界面的指定位置。

2.4.2 仿真板軟件設(shè)計(jì)

仿真板軟件嵌入在單片機(jī)內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)器中，接收RS485串行總線傳送的故障設(shè)置命令，按照命令的樣式，根據(jù)故障模型的要求，模擬出與實(shí)際故障現(xiàn)象相似的故障，該部分嵌入式軟件必須與硬件配合才能滿足要求。

當(dāng)接收到設(shè)置故障命令時(shí)，各仿真板與本身的識(shí)別碼比較，若是發(fā)給本仿真板的，則接收命令后設(shè)置相應(yīng)故障，故障現(xiàn)象即出現(xiàn)；當(dāng)接收到撤銷故障命令時(shí)，各仿真板與本身的識(shí)別碼比較，若是發(fā)給本仿真板的，則接收命令后撤銷相應(yīng)故障，故障現(xiàn)象即消失，可重新設(shè)置故障或撤銷故障。

3 信息終端仿真器的應(yīng)用

3.1 裝備維修訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)信息終端仿真器的目的是為了進(jìn)行裝備的維修訓(xùn)練，以提高維修人員的實(shí)際水平。利用該仿真器構(gòu)建了如圖5所示的裝備維修訓(xùn)練平臺(tái)[8-9]。

圖5 維修訓(xùn)練平臺(tái)

由三部分組成：

1)信息終端仿真器，依據(jù)實(shí)際裝備(駕駛員任務(wù)終端設(shè)備)的各部件的樣式、尺寸、功能及信號(hào)特征來構(gòu)建，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)裝相似；

2)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生信息終端仿真器所需的各種信號(hào)；

3)主控部分，由上位機(jī)和接口適配板組成。上位機(jī)為普通PC機(jī)，通過主界面來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，完成故障設(shè)置、維修訓(xùn)練和訓(xùn)練效果評(píng)估等功能。接口適配板一方面通過串口接收上位機(jī)的控制參數(shù)，另一方面通過485總線與各仿真板進(jìn)行組網(wǎng)連接，“轉(zhuǎn)發(fā)”上位機(jī)的故障設(shè)置和其他控制信息。

可實(shí)現(xiàn)如下功能[10]：

1)學(xué)習(xí)演示。系統(tǒng)提供所選維修任務(wù)的相關(guān)理論知識(shí)介紹，并由教員演示該維修任務(wù)執(zhí)行的流程和方法。

2)教員指導(dǎo)。受訓(xùn)者在教員或系統(tǒng)的提示和引導(dǎo)下完成維修活動(dòng)的訓(xùn)練，系統(tǒng)以適當(dāng)方式分步給出維修過程的相關(guān)知識(shí)描述和維修提示信息，直至整個(gè)維修任務(wù)順利完成。

3)自主訓(xùn)練。受訓(xùn)者在沒有提示信息情況下執(zhí)行維修任務(wù)。自主訓(xùn)練模式中操作過程與實(shí)際系統(tǒng)的維修完全一致，系統(tǒng)不主動(dòng)提供相關(guān)維修知識(shí)和幫助信息，但受訓(xùn)者可通過請(qǐng)求獲取系統(tǒng)幫助。

4)考核。受訓(xùn)者在沒有提示和幫助的情況下，自主完成維修任務(wù)。系統(tǒng)將對(duì)維修操作過程和情況進(jìn)行記錄，并根據(jù)記錄生成訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)報(bào)告，以考評(píng)受訓(xùn)者的訓(xùn)練效果。

3.2 維修訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)過程

該型信息終端仿真器內(nèi)部通過各仿真板的設(shè)置，按照維修訓(xùn)練要求共設(shè)計(jì)有346個(gè)故障點(diǎn)，涵蓋內(nèi)部各功能部件的常見故障類型，故障可重置和再現(xiàn)。下面以電源組件為例說明利用信息終端仿真器進(jìn)行維修訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)過程。電源組件由EMC模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊(26 V入12 V出)、電源適配器(26 V入，輸出±5 V、±12 V)、開關(guān)、線纜等組成，故障點(diǎn)建立的模型如圖6所示。圖中所標(biāo)數(shù)字為可能發(fā)生的故障點(diǎn)，表1為電源組件故障設(shè)置情況。訓(xùn)練教學(xué)中，圖6的某故障點(diǎn)通過故障注入，產(chǎn)生某故障現(xiàn)象，例如表2中以“開機(jī)后電源指示燈亮，顯示器不亮，系統(tǒng)不啟動(dòng)”故障現(xiàn)象為例，教員可按照表2中維修步驟利用信號(hào)發(fā)生器、檢測工具進(jìn)行測試，指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行維修訓(xùn)練。

圖6 電源系統(tǒng)故障設(shè)置圖

3.3 實(shí)驗(yàn)說明

本實(shí)驗(yàn)過程是在仿真器內(nèi)進(jìn)行的。仿真器內(nèi)各模塊的位置、功能、信號(hào)特征、硬件上的主要維修點(diǎn)與實(shí)裝類似，其目的是通過維修訓(xùn)練后便于實(shí)裝維修。

實(shí)驗(yàn)過程中，電源組件的例子是以表1通過維修訓(xùn)練平臺(tái)的主控機(jī)設(shè)置故障，然后按照表2的故障維修過程對(duì)終端仿真器進(jìn)行相關(guān)的軟、硬件操作，包括關(guān)機(jī)、拆板、電壓表檢測、信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)等，直到找到故障。然后可通過維修過程演示來對(duì)比實(shí)際維修過程，進(jìn)一步掌握和理解維修過程步驟。由于故障可在故障集內(nèi)任意設(shè)置并可再現(xiàn)，對(duì)維修訓(xùn)練教學(xué)具有十分有效的意義。

該類仿真器的設(shè)計(jì)必須深刻理解內(nèi)部構(gòu)造、信號(hào)特征、故障機(jī)理以及維修過程，還需通過嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)重新構(gòu)造一個(gè)與實(shí)裝相似的仿真模型。對(duì)于非常復(fù)雜的實(shí)物系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來難度較大。

表1 電源組件故障設(shè)置

4 結(jié)論

1)該仿真器內(nèi)部的仿真板模擬實(shí)裝的功能并增加了故障設(shè)置功能，操作界面和外部接口連接與實(shí)裝一致，維修人員能利用該仿真器進(jìn)行單人或多人的維修訓(xùn)練操作，解決實(shí)際操作缺乏裝備的問題，提高了裝備保障能力。

表2 窗口長度為N的不同窗函數(shù)性能對(duì)比

2)該仿真器具有故障設(shè)置和故障撤銷功能，便于故障再現(xiàn)，維修人員可以在教員的指導(dǎo)下進(jìn)行維修訓(xùn)練，也可進(jìn)行自學(xué)，大大提高了維修人員的實(shí)際技能。

3)利用仿真器進(jìn)行維修訓(xùn)練，無安全風(fēng)險(xiǎn)，價(jià)格低，節(jié)省了維修訓(xùn)練費(fèi)用，為裝備維修訓(xùn)練提供了很大的便利，便于推廣應(yīng)用。