車載超短波電臺維修數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯立峰

(陸軍裝甲兵學(xué)院士官學(xué)校，長春 130117)

0 引言

近年來，隨著陸軍部隊(duì)信息化建設(shè)步伐的加快，大量新型車載超短波電臺列裝部隊(duì)。作為我軍新一代車載通信裝備，某型車載超短波電臺采用了先進(jìn)的軟件無線電技術(shù)，具有跳頻頻率高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與我軍現(xiàn)役其他型號車載超短波電臺的互聯(lián)互通，該電臺已逐漸替代其他系列的車載超短波電臺廣泛應(yīng)用于陸軍部隊(duì)各類武器裝備的指揮信息系統(tǒng)之中[1]。由于其應(yīng)用了大量信息技術(shù)，電路原理復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特殊，采用以往車載通信裝備的維修訓(xùn)練方法與手段，無法開展高效的維修人員培訓(xùn)，造成維修保障人員培養(yǎng)困難。傳統(tǒng)的車載通信裝備維修訓(xùn)練手段主要依托實(shí)裝、半實(shí)物仿真模擬器及虛擬手段來完成[2-3]，這種訓(xùn)練手段主要存在以下弊端：1)采用實(shí)裝訓(xùn)練成本高，造價(jià)昂貴，裝備消耗較大；2)采用半實(shí)物仿真器大多數(shù)只能完成電臺使用訓(xùn)練[4-5]，少數(shù)能開展維修訓(xùn)練也只是采用繼電器或跳線等模擬方法控制電路通斷來設(shè)置故障，所設(shè)置的故障簡單且現(xiàn)象單一，維修訓(xùn)練效益低下；3)采用半實(shí)物虛擬仿真手段訓(xùn)練很難實(shí)現(xiàn)電臺故障判斷、分析、排除等步驟的全過程訓(xùn)練[6-7]，訓(xùn)練實(shí)際效果很難達(dá)到相關(guān)要求。基于以上弊端，我們采用嵌入式技術(shù)、數(shù)字化樣機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)開發(fā)了針對某型車載超短波電臺維修的數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以依據(jù)車載超短波電臺維修的一般程序與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)車載超短波電臺正常工作狀態(tài)檢查、分解組合、模塊級故障判排等科目的訓(xùn)練，從而解決陸軍部隊(duì)電臺維修訓(xùn)練手段落后，維修人才短缺的現(xiàn)實(shí)問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)功能

車載超短波電臺維修數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)主要針對陸軍部隊(duì)某新型車載超短波電臺的維修訓(xùn)練設(shè)計(jì)而成，其組成主要包括超短波電臺數(shù)字樣機(jī)、主控機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)裝置和故障模塊返修平臺等部分，考慮部隊(duì)維修保障分隊(duì)維修訓(xùn)練規(guī)模，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字樣機(jī)設(shè)置為3部。系統(tǒng)以主控計(jì)算機(jī)為核心，利用無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，通過無線收發(fā)裝置、電臺數(shù)字樣機(jī)及模塊返修平臺相連構(gòu)成無線局域網(wǎng)數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)，用于替代車載超短波電臺實(shí)裝來開展電臺正常工作狀態(tài)檢查、電臺分解組合、模塊級故障判排等訓(xùn)練課目的訓(xùn)練，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 車載超短波電臺數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)組成方框圖

電臺數(shù)字樣機(jī)內(nèi)部模塊電路均采用微處理器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，主控機(jī)通過無線收發(fā)裝置與電臺數(shù)字樣機(jī)內(nèi)部模塊串口進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，利用軟件通過對數(shù)字化模塊存儲器數(shù)據(jù)修改實(shí)現(xiàn)對各數(shù)字樣機(jī)工作狀態(tài)控制與故障設(shè)置。對于確定的故障模塊，可以進(jìn)行拆卸并送到模塊返修平臺通過修改故障模塊內(nèi)部存儲器數(shù)據(jù)進(jìn)行故障恢復(fù)。主控機(jī)為車載超短波電臺維修數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)操控平臺，通過維修訓(xùn)練仿真軟件和訓(xùn)練考核管理軟件，用于對電臺數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練科目設(shè)置、訓(xùn)練設(shè)備選擇、通信管理、操作考核及故障設(shè)置等功能。

2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

2.1 電臺數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)

電臺數(shù)字樣機(jī)外形與實(shí)裝基本一致，數(shù)字樣機(jī)內(nèi)部架構(gòu)與實(shí)裝也基本一致，模塊與模塊間連接關(guān)系與實(shí)裝保持一致。在電路模塊設(shè)計(jì)方面，對電臺面板模塊進(jìn)行數(shù)字化改裝，一方面作為設(shè)備樣機(jī)的核心模塊，具備實(shí)裝模塊接口、處理數(shù)據(jù)收發(fā)、控制等功能；另一方面通過修改該模塊內(nèi)部數(shù)字存儲器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)不同工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。其余模塊外形保持與實(shí)裝一致，內(nèi)部電路進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，電臺數(shù)字樣機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案如下：

超短波電臺數(shù)字樣機(jī)組成與實(shí)裝一致，主要由主機(jī)、適配器、減振器三部分組成。其中，主機(jī)由面板模塊、數(shù)字業(yè)務(wù)模塊、中頻頻合模塊、射頻模塊、電源模塊組成，各模塊的信號通過柔性印制板進(jìn)行轉(zhuǎn)接；適配器由共址濾波器、直流電源濾波器、接口板、功放模塊以及各種接插件組成。將主機(jī)的面板模塊和其他內(nèi)部模塊電路采用嵌入式電路系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，分別構(gòu)成超短波電臺數(shù)字樣機(jī)的面板模塊及實(shí)裝數(shù)字模塊，實(shí)現(xiàn)對實(shí)裝電臺操作信息功能模擬及實(shí)裝電臺中各模塊特性模擬。面板模塊完成對整機(jī)功能控制，對按鍵采集處理，實(shí)現(xiàn)屏幕顯示功能；實(shí)裝數(shù)字模塊部分完成對實(shí)裝中各模塊進(jìn)行接口模擬，具備單板拆裝維修功能。

數(shù)字樣機(jī)的面板模塊作為電臺數(shù)字樣機(jī)核心處理模塊，通過嵌入式技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。面板模塊擬采用以基于ARM920T核的S3C2440A CPU的ARM嵌入式系統(tǒng)主架構(gòu)處理平臺[8-9]。整個系統(tǒng)提供一個容量為1G BYTES的NAND FLASH,用來存放操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序及相關(guān)應(yīng)用程序及其它數(shù)據(jù)，另外系統(tǒng)提供32M BYTES的SDRAM，并可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。在面板模塊上安裝一個無線收發(fā)模塊，用于實(shí)現(xiàn)電臺數(shù)字樣機(jī)與局域網(wǎng)內(nèi)的無線收發(fā)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)各數(shù)字樣機(jī)與主控機(jī)之間的控制數(shù)據(jù)信息交換。通過柔性印制板可實(shí)現(xiàn)面板模塊對其他內(nèi)部實(shí)裝數(shù)字模塊的控制與數(shù)據(jù)交換。電臺數(shù)字樣機(jī)面板模塊硬件電路框圖如圖2。

圖2 電臺數(shù)字樣機(jī)面板模塊硬件電路框圖

實(shí)裝數(shù)字模塊包括綜合數(shù)字模塊、中頻頻合數(shù)字模塊、射頻數(shù)字模塊、電源數(shù)字模塊、功放數(shù)字模塊、共址濾波器數(shù)字模塊等組成，主要完成對實(shí)裝模塊拆裝模擬與數(shù)字化故障設(shè)置功能。各模塊擬采用單片機(jī)技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，STM32單片機(jī)通過串口經(jīng)過柔性板與面板模塊通信，從而經(jīng)過無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與主控機(jī)的信息交換，主控機(jī)對模塊進(jìn)行故障設(shè)置、故障清除、操作上報(bào)等相關(guān)操作，STM32單片機(jī)將相關(guān)操作狀態(tài)保存在EEPROM中，通過修改EEPROM中參數(shù)修改設(shè)備故障狀態(tài)。以中頻頻合數(shù)字模塊為例，該模塊主要由STM32F407最小系統(tǒng)[10]、AD9958輸出驅(qū)動電路、濾波電路等組成，其硬件電路框圖如圖3所示。

圖3 中頻頻合數(shù)字模塊硬件電路框圖

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)裝置設(shè)計(jì)

無線收發(fā)裝置主要用來進(jìn)行主控機(jī)與電臺數(shù)字樣機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)的無線局域網(wǎng)構(gòu)建，使訓(xùn)練系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以最大限度的突破時間、空間和訓(xùn)練資源的限制，其硬件設(shè)計(jì)方案如下：

無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)裝置擬采用單片機(jī)加Zigbee無線傳輸模塊來實(shí)現(xiàn)，Zigbee是一種短距離、低速率、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[11]。電臺數(shù)字樣機(jī)工作狀態(tài)信息通過無線收發(fā)模塊送至Zigbee無線傳輸模塊后，傳送到無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)裝置的單片機(jī)，單片機(jī)與主控機(jī)通過以太網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)兩端數(shù)據(jù)交換，主控機(jī)接收無線傳輸模塊接收到數(shù)據(jù)并處理后進(jìn)行各電臺數(shù)字樣機(jī)的狀態(tài)顯示。主控機(jī)與無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)裝置單片機(jī)之間通信程序用VC6.0編寫，單片機(jī)響應(yīng)的控制程序采用C51編寫。

2.3 模塊返修平臺設(shè)計(jì)

模塊返修平臺主要用于電臺維修訓(xùn)練時進(jìn)行模塊級換件維修，通過電臺數(shù)字樣機(jī)拆卸下來的故障模塊，在數(shù)字邏輯上是故障模塊，需在返修平臺上進(jìn)行維修后才能正常使用。模塊電路設(shè)計(jì)方面，在每個模塊中放置數(shù)字處理器，通過數(shù)字處理器內(nèi)部存儲的信息變量，與數(shù)字樣機(jī)面板模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而更改故障變量，達(dá)到模擬維修模塊的目的，其硬件設(shè)計(jì)方案如下：

模塊返修平臺擬采用單片機(jī)技術(shù)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，由維修主控裝置和相關(guān)接插件構(gòu)成，主要完成對故障模塊進(jìn)行維修功能，為電臺數(shù)字樣機(jī)可拆卸模塊提供快速修復(fù)的平臺。其中維修主控模塊采用STM32單片機(jī)作為核心處理器，主要是通過主板對故障模塊進(jìn)行修復(fù)，通過串口的形式訪問單片機(jī)外接EEPROM，變更EEPROM中故障狀態(tài)。模塊返修平臺硬件電路框圖如圖4所示。

圖4 模塊返修平臺硬件電路框圖

3 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件平臺主要完成主控機(jī)對電臺數(shù)字樣機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、故障信息設(shè)置、考核評判及維修輔助訓(xùn)練等功能，由訓(xùn)練管理軟件、訓(xùn)練考核軟件和訓(xùn)練輔助軟件組成，其中訓(xùn)練管理軟件主要完成電臺數(shù)字樣機(jī)故障設(shè)置、維修訓(xùn)練課目設(shè)定及訓(xùn)練監(jiān)控功能；訓(xùn)練考核軟件主要完成對訓(xùn)練人員操作電臺數(shù)字樣機(jī)考核評判并具備下發(fā)故障定位等功能；訓(xùn)練輔助軟件主要用于對電臺維修技術(shù)資料信息的存儲與查詢。

3.1 維修訓(xùn)練管理軟件設(shè)計(jì)

訓(xùn)練管理軟件通過人機(jī)交互的方式對軟件進(jìn)行操作，主要實(shí)現(xiàn)對電臺數(shù)字樣機(jī)的狀態(tài)及故障參數(shù)獲取與設(shè)置，在應(yīng)用的過程中向數(shù)據(jù)庫存儲查詢數(shù)據(jù)。在軟件流程設(shè)計(jì)方面，在執(zhí)行參數(shù)獲取及設(shè)置的主功能基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，確保主控機(jī)與電臺數(shù)字樣機(jī)及無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)裝置的信息交流準(zhǔn)確可靠。其軟件流程如圖5所示。

圖5 訓(xùn)練管理軟件的流程圖

訓(xùn)練管理軟件采用C#語言進(jìn)行代碼編寫，使用Visual Studio2012進(jìn)行開發(fā)編譯。作為系統(tǒng)中的應(yīng)用層軟件，采用UDP的方式處理流程。在工作中需要和其他軟件或設(shè)備交互的輸入輸出接口都通過網(wǎng)口對外通信，數(shù)據(jù)幀均按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行封裝。所有的參數(shù)數(shù)據(jù)都存儲在SQLite數(shù)據(jù)庫內(nèi),該數(shù)據(jù)庫存儲方式簡單，可視化、易于維護(hù)，界面友好，易操作，滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 維修訓(xùn)練考核軟件設(shè)計(jì)

訓(xùn)練考核軟件主要實(shí)現(xiàn)對電臺數(shù)字樣機(jī)操作的訓(xùn)練指導(dǎo)以及熟練度考核，監(jiān)控各類數(shù)字樣機(jī)工作狀態(tài)信息；完成電臺數(shù)字樣機(jī)操作信息采集，可組織進(jìn)行考核訓(xùn)練，對操作結(jié)果進(jìn)行評估。其主要組成功能模塊包括：人機(jī)交互模塊、故障設(shè)置模塊、訓(xùn)練與考核評判模塊、監(jiān)控管理模塊等，訓(xùn)練考核軟件各功能模塊組成如圖6所示。

訓(xùn)練考核軟件采用VC++6.0和MySQL5.1進(jìn)行開發(fā)。VC++6.0可以提供一個支持可視化編程的集成開發(fā)環(huán)境和大量的實(shí)用開發(fā)工具。VC++6.0具有可視化編程、封裝函數(shù)多、界面設(shè)計(jì)與圖形繪制功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。MySQL5.1是一款多線程、多用戶的SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，與其他數(shù)據(jù)庫軟件相比，MySQL是一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，是開源的，具有開源性好、快速、可靠易于使用等優(yōu)勢。

圖6 訓(xùn)練考核軟件功能模塊組成圖

訓(xùn)練考核管理軟件主界面由工具欄、人員分配區(qū)、訓(xùn)練過程監(jiān)控區(qū)、訓(xùn)練參數(shù)區(qū)構(gòu)成。工具欄主要是科目編輯、題目編輯、人員管理、成績管理組成；人員分配區(qū)主要是為在線電臺數(shù)字樣機(jī)分配訓(xùn)練人員；訓(xùn)練監(jiān)控區(qū)主要是監(jiān)控各個電臺樣機(jī)的各個訓(xùn)練項(xiàng)目的完成情況、所有時間、考核評估信息。訓(xùn)練參數(shù)區(qū)主要是訓(xùn)練科目、訓(xùn)練時間、訓(xùn)練單位、訓(xùn)練模式選擇以及訓(xùn)練內(nèi)容和在線設(shè)備信息。

3.3 維修訓(xùn)練輔助軟件設(shè)計(jì)

主控機(jī)維修訓(xùn)練輔助軟件采用數(shù)據(jù)庫軟件設(shè)計(jì)而成，主要可以實(shí)現(xiàn)車載超短波電臺的工作原理、故障分析與排除、維修技術(shù)規(guī)程、典型故障案例等維修技術(shù)資料的檢索與查詢功能。輔助軟件采用B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開發(fā)模式，性能穩(wěn)定，通用性強(qiáng)。B/S模式是基于Web的應(yīng)用程序，無需安裝客戶端。這種應(yīng)用開發(fā)模式保證了敏感數(shù)據(jù)的安全性以及復(fù)雜功能的交互性，簡化了客戶端，系統(tǒng)維護(hù)簡便，效率高。訓(xùn)練輔助軟件主要組成功能模塊如圖7所示。

圖7 維修訓(xùn)練輔助軟件的功能模塊組成框圖

人機(jī)交互模塊是通過設(shè)計(jì)開發(fā)簡便易行的系統(tǒng)軟件操作界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序啟動、車載超短波電臺類型與型號的選擇等功能；開發(fā)型號電臺維修技術(shù)資料信息模塊，內(nèi)容主要包括車載超短波電臺工作原理、維修技術(shù)規(guī)程、典型故障案例等內(nèi)容，部隊(duì)級修理單位維修人員在維修訓(xùn)練過程中可以實(shí)時查詢維修規(guī)程或維修技術(shù)資料，提高總體訓(xùn)練效果；采用高級編程語言，用關(guān)系數(shù)據(jù)庫將車載超短波電臺整機(jī)和模塊技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)集合成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建技術(shù)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫模塊，以備維修訓(xùn)練專業(yè)人員進(jìn)行系統(tǒng)故障判斷或故障的預(yù)測，提高電臺維修保障的針對性與時效性。

4 系統(tǒng)測試試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用車載超短波電臺維修數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行某型超短波電臺維修訓(xùn)練試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：

1)采用系統(tǒng)電臺數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行超短波電臺正常工作狀態(tài)檢查訓(xùn)練，驗(yàn)證是否與電臺實(shí)裝具有相同的操作效果；

2)采用系統(tǒng)電臺數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行分解組合訓(xùn)練，檢驗(yàn)是否能達(dá)到實(shí)裝訓(xùn)練效果；

3)采用系統(tǒng)電臺數(shù)字樣機(jī)設(shè)置典型故障，是否具有同實(shí)裝相同的故障現(xiàn)象；

4)更換電臺數(shù)字樣機(jī)內(nèi)部模塊，模擬實(shí)裝進(jìn)行實(shí)裝電臺模塊級故障判排。

試驗(yàn)測試結(jié)果表明，車載超短波電臺維修數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)能夠完成某型超短波電臺的正常工作狀態(tài)檢查、分解組合、故障判排等維修訓(xùn)練，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)功能的各項(xiàng)要求。

5 結(jié)束語

車載超短波電臺維修數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)通過對某型超短波電臺數(shù)字樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)和主控機(jī)軟件開發(fā)，能夠完成該型超短波電臺正常工作狀態(tài)檢查、模塊級分解組合、模塊級故障判排等科目訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了車載超短波電臺故障判斷、故障檢查、故障判除維修全過程的數(shù)字化和智能化訓(xùn)練，從而解決了陸軍部隊(duì)車載超短波電臺維修訓(xùn)練手段不足和維修能力落后的問題，對提高陸軍部隊(duì)車載武器裝備的作戰(zhàn)能力，具有較高的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。