基于ARM的塔康和中波導航機模擬訓練系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉云飛 ， 楊 超， 徐向旭

(1. 海軍航空大學 青島校區(qū)， 山東 青島266041； 2. 海軍航空大學 航空作戰(zhàn)勤務學院， 山東 煙臺 264001；3. 中國人民解放軍92635部隊， 山東 青島 266041)

0 引 言

戰(zhàn)術空中導航(Tactical Air Navigation, TACAN，簡稱塔康)，是美軍在1955年研制的近程無線電導航系統(tǒng)，具有同時測位和測距的功能。該系統(tǒng)由機載設備和塔康地面設備組成，為以地面設備為中心、半徑350～500 km范圍內(nèi)的飛機提供導航服務，因此又稱為航空無線電近程導航系統(tǒng)[1-2]，目前也是我軍航空兵近年來裝備部隊的主要近程無線電導航系統(tǒng)。中波導航系統(tǒng)是非常傳統(tǒng)的地基無線電導航系統(tǒng)，由于其具有的使用靈活等特殊性能，使其經(jīng)過不斷改進和發(fā)展仍然在世界各地的航空導航中普遍被采用。中波導航系統(tǒng)由地面導航機和機載無線電羅盤組成[3]。

某型塔康及中波導航機模擬訓練系統(tǒng)以實際裝備為研究對象，采用半實物仿真的形式，模擬開關機、狀態(tài)設置、參數(shù)監(jiān)控、故障查詢、設備管理等各種操作使用過程。其基本要求包括：① 仿真設備外形與實際裝備相近，操作使用流程與實際裝備一致。② 仿真設備可與其他外部設備進行數(shù)據(jù)交互，可實時發(fā)送仿真設備模擬狀態(tài)信息供外部設備監(jiān)控和顯示，同時可接收外部設備提供的故障模擬等信息并顯示到操作界面相應位置[7]。

1 系統(tǒng)組成

軍隊實際設備由1臺塔康主機、1臺塔康顯控分機、1臺中波導航機顯控臺和1臺中波導航機遙控器仿真設備組成?？紤]教學訓練的實際需要，模擬訓練系統(tǒng)由3個獨立分系統(tǒng)組成：塔康模擬訓練系統(tǒng)、中波導航機模擬訓練系統(tǒng)和模擬訓練主控系統(tǒng)。在功能組成上，塔康模擬訓練系統(tǒng)包括1臺塔康主機仿真設備和1臺塔康顯控分機仿真設備；中波導航機模擬訓練系統(tǒng)包括1臺中波導航機顯控臺仿真設備和1臺中波導航機遙控器仿真設備；模擬訓練主控系統(tǒng)由1臺PC機實現(xiàn)。為了教學的便利性，在確保操作真實性的前提下，降低系統(tǒng)研制成本，對系統(tǒng)的組成進行了適應性調(diào)整：將塔康主機和顯控分機仿真設備集成在1個獨立機柜中構成塔康模擬訓練系統(tǒng)，將中波導航機顯控臺和遙控器仿真設備集成在1個獨立機柜中構成中波導航機模擬訓練系統(tǒng)。整個模擬訓練系統(tǒng)內(nèi)、外部交聯(lián)關系如圖1所示。

圖1 模擬訓練系統(tǒng)組成

塔康模擬訓練系統(tǒng)和中波導航機模擬訓練系統(tǒng)可獨自通過以太網(wǎng)(Ethernet)與模擬訓練主控系統(tǒng)(PC機)進行數(shù)據(jù)交互。

2 外形結構

2.1 塔康仿真系統(tǒng)

塔康仿真系統(tǒng)是1個單門機柜。為降低系統(tǒng)成本，采用型號為A26637機柜。塔康仿真系統(tǒng)機柜由兩部分組成，上部分為顯控分機仿真，下部分為主機仿真。主機仿真部分，從上至下依次為數(shù)據(jù)分機、接收分機、發(fā)射分機A、發(fā)射分機B和電源分機5個分機組成。

2.2 中波導航機仿真系統(tǒng)

中波導航機仿真系統(tǒng)也是1個單門機柜，同樣采用型號為A26637機柜。中波導航機仿真系統(tǒng)實際上包括兩部分，上部分為主機仿真，下部分為遙控器仿真。中波導航機仿真部分從上至下依次為電源控制分機、控制分機、諧波濾波器分機、發(fā)射分機A、發(fā)射分機B和電源分機6個分機組成。

3 硬件設計

3.1 基本思路

盡管中波導航機顯控臺仿真設備、中波導航機遙控器仿真設備、塔康顯控分機仿真設備3者的功能和外形存在很大差異，但是通過分析各設備功能特點，可構建一個基本功能系統(tǒng)，按照需要進行功能裁剪和補充，以適應不同設備，可以降低設計工作量，同時提高后期維護效率。按照這種思路，構建的基本功能系統(tǒng)如圖2所示[8-11]。

任務型教學法是基于完成交際任務的一種語言教學方法，它通過師生共同完成語言教學任務，使外語學習者自然習得語言，促進外語學習的進步?；谶@些理念，在大學英語零班的教學實踐活動中，筆者對大學英語零班的教學活動進行了重新的設計，采用任務型教學方法，在教學中以布置任務為主，引導學生完成任務，主動構建語言知識，以期充分發(fā)揮學生的主動性。英語零班中的任務形式設計主要有如下幾種：

圖2 基本功能系統(tǒng)組成

圖中，虛線以內(nèi)即為可滿足仿真設備關鍵功能需求的基本功能系統(tǒng)。主要包括電源、ARM平臺、液晶顯示器、控制鍵盤、I/O驅(qū)動隔離、音頻放大等部分，各部分的主要功能和技術參數(shù)描述如下。

(1) 電源部分。電源部分主要對輸入電源進行控制，并將AC220 V電源變換成其他電路工作需要的DC+5 V電源，組成包括1個電源輸入插座、1個開關和1個電源變換模塊。

電源輸入插座包括扳動開關、1A保險和濾波器。開關用于操作人員控制設備加電，安裝于前面板。

電源變換模塊的功能是AC220 V電源變換成DC+5 V，輸出最大電流不小于5 A，由于功率較小，而機箱體積較大，因此盡可能選用無風扇電源以降低額外的噪聲影響。電源變換模塊型號為FY0502000。

(2) ARM硬件平臺。為降低開發(fā)成本，節(jié)省開發(fā)時間，ARM硬件平臺采用工業(yè)級的貨架開發(fā)板，型號為TQ2440，安裝時，ARM硬件平臺固定在底板上，由于集成了大量的電子元器件在電路板表面，在安裝前應做三防處理，安裝時應加墊絕緣柱防止電子元器件與底板接觸。

(3) 液晶顯示屏。液晶顯示屏的作用是提供人機交互界面，盡管仿真設備在室內(nèi)工作，為了滿足不同光照條件下的使用，應適當提高亮度；實際設備用到的界面較簡潔，色彩數(shù)量不多，對液晶顯示器色彩的最低要求是能支持256色。

(4) 控制鍵盤。原設備采用的鍵盤是定制的工業(yè)鍵盤，市面上難以獲得外形完全一致的成品。所以采用仿制的形式制作。由于使用的數(shù)量較少，購買空白鍵盤后，采用激光刻字的方式將需要的標識刻上去，考慮到刻字時可能存在的損壞，購買數(shù)量應留有余量。定制的鍵盤對外接口采用COM，DC+5 V供電，按鍵數(shù)量為4×4。

(5) I/O隔離驅(qū)動。I/O隔離驅(qū)動的作用是：① 對ARM硬件平臺提供的GPIO的指示燈控制信號進行電平變換、光電隔離、電流驅(qū)動，然后點亮或熄滅相應的指示燈?？捎玫降牟课话ㄋ碉@控分機的應急指示燈和塔康主機的6個正常運行指示燈，分為3紅3綠。② 對外部控制開關輸入到ARM硬件平臺的信號光電隔離和電平變換。可用到的部位包括中波導航機遙控器的開A機按鍵、開B機按鍵、關機按鍵和監(jiān)聽取消按鍵，以及塔康顯控分機的應急開關。

(6) 音頻放大。音頻放大的作用是將ARM硬件平臺產(chǎn)生的音頻信號進行放大，采用貨架有源音箱實現(xiàn)，其供電盡可能采用AC220 V，減少對其他電路的干擾。

(7) 集線器。集線器的作用是將塔康顯控分機、中波導航機顯控臺、中波導航機遙控器仿真設備和PC機通過網(wǎng)絡連接起來，其基本要求是能提供不少于4個10M/100M自適應的Ethernet接口。模擬訓練系統(tǒng)只使用一個集線器，為簡化連接關系，將其固定在中波導航機顯控臺仿真設備內(nèi)部。塔康顯控分機、中波導航機遙控器仿真設備和PC機通過網(wǎng)線連接到中波導航機顯控臺仿真設備后面板。

3.2 塔康模擬訓練系統(tǒng)控制原理

塔康模擬訓練系統(tǒng)只需要對一個基本功能系統(tǒng)進行裁剪就能完成所有控制，由于不需要產(chǎn)生音頻可以去掉該部分功能。塔康模擬訓練系統(tǒng)控制原理如圖3所示，其中控制平臺為圖2所示的基本功能系統(tǒng)組成去掉音頻模塊。

圖3 塔康模擬訓練系統(tǒng)控制原理

3.3 中波導航機主機電路與控制

中波導航機模擬訓練系統(tǒng)控制原理如圖4所示，其中的控制平臺1、2是對圖2所示的基本功能系統(tǒng)組成根據(jù)導航機主機和遙控器實際功能需求進行增減實現(xiàn)的。

圖4 中波導航機模擬訓練系統(tǒng)控制原理

4 軟件設計

系統(tǒng)采用Wince6.0嵌入式操作操縱，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2005。系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主要包括模擬訓練主控軟件、塔康模擬訓練軟件和中波導航機模擬訓練軟件3個軟件模塊，各軟件模塊之間彼此獨立，數(shù)據(jù)的交互通過網(wǎng)絡通信完成。系統(tǒng)整體軟件組成結構如圖5所示。圖中立方體表示用于支持該軟件模塊工作的主要數(shù)據(jù)。

塔康模擬訓練軟件、中波導航機模擬訓練軟件是設備模擬類模塊，運行于ARM平臺，負責模擬設備的工作狀態(tài)，模擬發(fā)射和接收導航信號，實現(xiàn)導航信號模擬發(fā)射、接收、計算，并完成設備模擬機柜的狀態(tài)顯示和控制。

模擬訓練主控軟件在PC機上運行，是模擬系統(tǒng)設備、仿真進程的控制中心，主要任務是提供高效的仿真管理和合理的仿真環(huán)境。軟件系統(tǒng)的功能模塊：用戶管理、設備與進程管理、系統(tǒng)初始化、特情管理、狀態(tài)監(jiān)控與異常處理、成績評定、仿真進度控制和時鐘校準，還定義了服務于功能實現(xiàn)的底層服務模塊：數(shù)據(jù)庫訪問模塊、串口通信模塊、結構化存儲模塊、資源腳本解釋模塊。

圖5 系統(tǒng)整體軟件組成結構

(1) 用戶管理。通過口令的形式，檢查用戶的合法性，并賦予相應的操作權限。

(2) 設備與進程管理。遠程控制分系統(tǒng)模擬訓練器的開關、仿真進程的喚起與終止、電源控制與狀態(tài)監(jiān)視。

(3) 系統(tǒng)啟動向?qū)?。根?jù)訓練科目，引導設備開機、仿真進程啟動和自檢、處理異常、執(zhí)行系統(tǒng)初始化，在供電系統(tǒng)正常的情況下，控制模擬系統(tǒng)由待機狀態(tài)進入運行模式。

(4) 特情管理。實時命令相應設備分系統(tǒng)進入異常運行模式。

(5) 狀態(tài)監(jiān)控。能夠檢測分系統(tǒng)的運行狀態(tài)與發(fā)布屬性。

(6) 日志管理。紀錄來源分系統(tǒng)的飛行日志，紀錄存檔，以便系統(tǒng)維護。

(7) 成績評判。在指揮員的引導下，該模塊以專家評判準則、評判文件為輸入，對操作員的任務完成情況作出評判。

(8) 模擬進程控制。各分系統(tǒng)模擬進程的開始、凍結、解凍、結束指令由控制臺統(tǒng)一發(fā)出。

(9) 數(shù)據(jù)庫訪問模塊。提供對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的訪問和修改。

(10) 串口通信模塊。提供可靠的與投影儀串口通信服務，對串口通信數(shù)據(jù)進行打包、驗證和解釋。

(11) 結構化存儲模塊。訪問和修改用結構化存儲技術構建的資源文件。結構化存儲技術通過在文件內(nèi)部建立一個完整的文件系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)能夠準確定位、資源可分段載入和共享。

(12) 資源腳本解釋模塊。各種配置腳本分別以固定的格式描述，資源腳本解釋模塊用于載入并解釋這些配置。

模擬訓練主控軟件的層次模型，由功能模塊和服務模塊組成，功能模塊調(diào)用服務模塊的服務實現(xiàn)對各種資源(文件、數(shù)據(jù)庫、串口、網(wǎng)絡)的訪問。模擬訓練主控軟件的系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 模擬訓練主控軟件的系統(tǒng)結構

5 結 語

本文提供了一種低成本多功能的基于ARM的塔康和中波導航機模擬訓練系統(tǒng)的詳細設計方案。通過提取不同設備共性，構建一個基本功能系統(tǒng)，在此基礎上根據(jù)不同設備的特點進行功能裁剪和補充以滿足不同設備的硬件仿真需求，系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，這樣的方式可以降低模擬訓練系統(tǒng)的設計工作量，同時提高后期維護的效率，對其他院校類似裝備模擬訓練系統(tǒng)的設計有一定的借鑒意義[12-15]。