聲光煙綜合模擬裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

陸陽(yáng) 孫廣平 張毅偉

【摘? 要】 為提高火炮類(lèi)武器裝備在日常教學(xué)訓(xùn)練和綜合操演任務(wù)中的應(yīng)用效果，增強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境模擬真實(shí)度，滿(mǎn)足火炮類(lèi)武器裝備崗位能力訓(xùn)練的戰(zhàn)場(chǎng)氛圍需求，可綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等研究開(kāi)發(fā)聲光煙綜合模擬裝置。該裝置以單片機(jī)為主控MCU，開(kāi)發(fā)軟件控制程序，通過(guò)智能語(yǔ)音播放模塊發(fā)聲、高亮LED燈珠發(fā)光、舞臺(tái)級(jí)煙霧機(jī)發(fā)煙，在聲音、燈光和煙霧等效果方面模擬真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，為提高教學(xué)訓(xùn)練效果提供技術(shù)保障。

【關(guān)鍵詞】 模擬戰(zhàn)場(chǎng)氛圍；聲光煙綜合模擬裝置；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

為加強(qiáng)軍隊(duì)人才隊(duì)伍建設(shè)，武器裝備的綜合訓(xùn)練是必不可少的。傳統(tǒng)的武器裝備訓(xùn)練多采用模擬操作流程的方式進(jìn)行，以口令和虛擬操作為主，特別是院校訓(xùn)練環(huán)境下，很難模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，訓(xùn)練的真實(shí)場(chǎng)景和實(shí)戰(zhàn)氛圍不足。以火炮類(lèi)武器裝備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)面向?qū)崙?zhàn)環(huán)境的聲、光、煙綜合模擬裝置，可實(shí)現(xiàn)火炮類(lèi)武器裝備實(shí)彈射擊場(chǎng)景模擬，還能滿(mǎn)足特殊訓(xùn)練場(chǎng)景下的環(huán)境模擬，如甲板火災(zāi)特情處置、戰(zhàn)斗警報(bào)等。

一、總體方案設(shè)計(jì)

聲光煙綜合模擬裝置包括硬件、軟件兩大部分，主要用于模擬火炮類(lèi)武器裝備射擊時(shí)爆炸聲音、炮口火焰及煙霧等功能。三種模擬效果分別采用大功率藍(lán)牙音響、高功率LED燈珠、舞臺(tái)級(jí)煙霧機(jī)（環(huán)保無(wú)毒）實(shí)現(xiàn)。聲光煙綜合模擬裝置的三種模擬效果伴隨火炮類(lèi)武器裝備射擊的指令由程序自動(dòng)控制協(xié)同輸出，同時(shí)還能滿(mǎn)足火炮類(lèi)武器裝備不同射速、發(fā)數(shù)的工作場(chǎng)景?？傮w方案框架如圖1所示。

二、硬件設(shè)計(jì)

該模擬裝置的硬件主要包括大功率藍(lán)牙音響、高功率LED燈珠、舞臺(tái)級(jí)煙霧機(jī)、主控箱、操作箱和通信接口等組成。硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

其中藍(lán)牙音響、LED燈珠和煙霧機(jī)通過(guò)市場(chǎng)采購(gòu)獲得；主控箱和操作箱因涉及操控和信號(hào)傳輸，是研究設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（一）主控箱

主控箱安裝在裝備上，用于接收操作箱發(fā)出的信號(hào)指令，完成三種模擬效果的輸出控制，內(nèi)置主控MCU核心板、DY-HV8F模塊、光耦隔離模塊、繼電器模塊、電源板、無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K等。

主控MCU核心板采用STM32F103RCT6單片機(jī)，支持多達(dá)80個(gè)GPIO、定時(shí)器、UART等硬件資源，滿(mǎn)足方案的硬件資源需求。語(yǔ)音播放模塊DY-HV8F板載8M字節(jié)Flash，支持MP3、WAV解碼格式，支持IO、串口控制等多種工作模式，模擬裝置方案采用IO觸發(fā)。無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K（433MHz）采用SX1278芯片，全雙工透明傳輸，通信接口RS485，模塊需成對(duì)使用，主控箱和操作箱各有一個(gè)。光耦隔離模塊和繼電器模塊共同控制發(fā)煙器和高功率LED燈珠。

主控箱操控面板有四個(gè)按鈕（參考圖1），圖中◎?yàn)樽詮?fù)位帶燈指示按鈕，可分別實(shí)現(xiàn)“信/檢/?！焙汀奥暋⒐?、煙”的顯示和控制。

若“信/檢/?！卑粹o連續(xù)閃爍表示通信正常，短按可觸發(fā)聲、光、煙協(xié)同輸出一次或全部停止輸出，長(zhǎng)按則連續(xù)輸出，輸出速度最高2次/秒；“聲、光、煙”按鈕燈亮表示正在輸出，短按可單獨(dú)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的輸出，長(zhǎng)按則連續(xù)輸出。

（二）操作箱

操作箱位于設(shè)備操作間，內(nèi)置主控MCU核心板、TTL轉(zhuǎn)485模塊、光耦隔離模塊、無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K和內(nèi)置鋰電池等。其中TTL轉(zhuǎn)485模塊用于實(shí)現(xiàn)主控與無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K間的電平轉(zhuǎn)換，無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K用于實(shí)現(xiàn)與主控箱間的通信。

操作箱操控面板有8個(gè)帶燈指示按鈕（參考圖1），可實(shí)現(xiàn)對(duì)“信/檢/停”“低/聲、中/光”“高/煙”“單/連”“2/警1”“3/警2”“4/警3”8個(gè)指示按鈕的顯示和控制。

“信/檢/?！卑粹o連續(xù)閃爍表示通信正常，短按全部停止輸出，長(zhǎng)按進(jìn)行射速切換；“低/聲”“中/光、高/煙”按鈕燈亮表示當(dāng)前射速選擇，短按可單獨(dú)觸發(fā)一次對(duì)應(yīng)的輸出，長(zhǎng)按則連續(xù)輸出；“單/連”按鈕閃爍表示當(dāng)前輸出狀態(tài)，短按可觸發(fā)聲、光、煙協(xié)同輸出一次，長(zhǎng)按則連續(xù)輸出；“2/警1”“3/警2”“4/警3”按鈕閃爍表示當(dāng)前輸出狀態(tài)，短按可觸發(fā)聲、光、煙協(xié)同輸出2、3、4次，長(zhǎng)按則分別觸發(fā)不同的警報(bào)聲。

三、軟件設(shè)計(jì)

聲光煙綜合模擬裝置的軟件主要包括初始化、按鍵檢測(cè)處理、通信數(shù)據(jù)處理、主控邏輯和主控狀態(tài)顯示等模塊。軟件設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

（一）初始化模塊

用于完成MCU硬件資源、中斷使能、程序控制標(biāo)志等初始化配置，硬件主要包括GPIO、定時(shí)器、UART等硬件資源。其中，GPIO輸入配置上拉電阻用于檢測(cè)按鍵的觸發(fā)狀態(tài)、輸出為推挽輸出以提高驅(qū)動(dòng)能力實(shí)現(xiàn)指示燈的顯示及聲、光、煙輸出控制；定時(shí)器配置為5ms自復(fù)位中斷模式；UART配置參數(shù)為波特率115200、8位數(shù)據(jù)、停止位1、無(wú)校驗(yàn)。

（二）按鍵檢測(cè)處理模塊

用于按鍵檢測(cè)和按鍵觸發(fā)后的處理。按鍵檢測(cè)有防抖處理，假設(shè)按鍵抖動(dòng)時(shí)t1…tn為按鍵按下時(shí)間段，t1′…tn′為抖動(dòng)時(shí)間段，t0為松開(kāi)后持續(xù)時(shí)間，t0大于40ms時(shí)，計(jì)為一次有效按鍵。按下持續(xù)時(shí)間為累計(jì)時(shí)間T=t1+…tn -（t1′+…tn′），當(dāng)40ms

（三）通信數(shù)據(jù)處理模塊

通信數(shù)據(jù)為主控箱及操作箱間的命令、狀態(tài)、心跳三種數(shù)據(jù)。命令數(shù)據(jù)是當(dāng)操作箱觸發(fā)對(duì)應(yīng)的按鍵時(shí)，會(huì)生成命令數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到至主控箱；主控箱在輸出的過(guò)程中，會(huì)將當(dāng)前輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)回傳至操作箱，操作箱實(shí)時(shí)顯示主控輸出狀態(tài)；心跳數(shù)據(jù)是主控箱和操作箱間定時(shí)互傳的固定數(shù)據(jù)用于檢測(cè)通信狀態(tài)，當(dāng)心跳數(shù)據(jù)接收超時(shí)后，主控箱自動(dòng)停止所有輸出，防止失控。在心跳數(shù)據(jù)保證的基礎(chǔ)上，利用主控的DMA功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)斷幀，避免幀數(shù)據(jù)交叉。為防止弱信號(hào)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，使用AA…55首尾字節(jié)判斷，且每幀數(shù)據(jù)包含兩組同樣的數(shù)據(jù)，既規(guī)避數(shù)據(jù)錯(cuò)誤可能導(dǎo)致的主控異常輸出，又能最大程度保證命令的正常執(zhí)行。

（四）主控邏輯模塊

主控邏輯代碼主要根據(jù)輸出的狀態(tài)標(biāo)志（由操作箱命令數(shù)據(jù)或者主控箱按鍵觸發(fā)）完成對(duì)應(yīng)的模擬效果輸出，輸出周期控制480ms內(nèi)。為避免高射下連續(xù)輸出時(shí)出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，同時(shí)考慮聲、光、煙的各輸出系統(tǒng)時(shí)延差異，并保證輸出的協(xié)同性，假設(shè)射速周期T（T>=500ms），聲音輸出時(shí)間段為0～480ms，光為300～400ms，煙為200～400ms，480ms—T即空閑時(shí)間段。

（五）主控狀態(tài)顯示模塊

主控在輸出過(guò)程中，會(huì)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到操作箱，操作箱上對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮指示當(dāng)前主控箱輸出狀態(tài)，供操作者獲悉主控當(dāng)前工作狀態(tài)。

四、模擬實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

聲、光、煙3種模擬效果設(shè)計(jì)思路如下：

聲音輸出采用智能語(yǔ)音播放模塊DY-HV8F，火炮射擊的爆炸聲及警報(bào)音頻文件存儲(chǔ)板載Flash，音頻輸出接入藍(lán)牙音頻發(fā)射模塊，上電后可自動(dòng)連接大功率音響，程序運(yùn)行時(shí)，可控制MCU的IO驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音播放模塊輸出不同的音頻聲音，再通過(guò)藍(lán)牙發(fā)射模塊傳送到音響發(fā)出對(duì)應(yīng)的聲音或警報(bào)聲。

燈光輸出為80W高亮LED燈珠，內(nèi)置銅管和風(fēng)扇散熱，工作電壓12V。由MCU經(jīng)光耦隔離及繼電器輸出12V電源，實(shí)現(xiàn)LED的亮滅控制。

煙霧輸出采用改造后舞臺(tái)級(jí)煙霧機(jī)實(shí)現(xiàn)，由MCU經(jīng)光耦隔離及繼電器輸出控制信號(hào)至煙霧機(jī)的改造后的手動(dòng)控制按鈕，完成煙霧的輸出。

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