陳鴻+李進(jìn)杰+高偉+劉雅娟+杜江波

摘 要：針對某型機(jī)載電子吊艙維護(hù)訓(xùn)練成本高、組織難、周期長等問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于半實(shí)物仿真的維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅在外觀、連接和操作上與實(shí)裝一致，同時(shí)在內(nèi)部設(shè)計(jì)了信號仿真、故障設(shè)置、狀態(tài)采集電路，通過采用通用I/O模塊及RS 485總線主從方式構(gòu)建遠(yuǎn)程測控體系，實(shí)現(xiàn)對電子裝備工作狀態(tài)的仿真。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)內(nèi)外場維護(hù)訓(xùn)練平臺，能仿真內(nèi)外場通電測試中對吊艙的操作控制，可靈活設(shè)置故障并真實(shí)再現(xiàn)故障現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對該型吊艙一二線技術(shù)保障訓(xùn)練的全過程仿真。實(shí)際應(yīng)用表明，采用該系統(tǒng)實(shí)施吊艙維護(hù)訓(xùn)練能有效節(jié)約訓(xùn)練成本，降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)，提高訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞： 維護(hù)訓(xùn)練器； 半實(shí)物仿真； 航空電子裝備； 機(jī)載電子吊艙

中圖分類號： TN919?34； TP391；V267.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0084?04

Design of maintenance training system for an airborne electronic pod

CHEN Hong1， LI Jin?jie1， GAO Wei1， LIU Ya?juan1， DU Jiang?bo2

（1. Qingdao Branch， Naval Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266071， China；

2. Naval Unit 92492 of the Chinese Peoples Liberation Army， Ledong 572528， China）

Abstract： Since the maintenance training of a certain airborne electronic pod has high cost and long cycle， an airborne electronic pod maintenance training system based on semi?physical simulation was designed. The external form， connection and operation of the system are similar to actual equipment. The signal simulation， fault setting and state acquisition circuits were designed in the maintenance training system. The universal I/O modules and RS 485 bus were adopted to monitor and control these circuits. Based on this remote control structure， the maintenance training platform was established to realize the whole technical support training process simulation. It can simulate testing operations which are identical to actual operations of detection device. It can set typical faults， which are accordant with real faults. The practical application effects show that the system is feasible and efficient for the airborne pod maintenance training.

Keywords： maintenance training device； semi?physical simulation； avionics； airborne electronic pod

某型機(jī)載電子吊艙具有技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，相應(yīng)的測試維修相對復(fù)雜，對該型吊艙的技術(shù)保障離不開技能嫻熟、維修經(jīng)驗(yàn)豐富的地勤人員。但現(xiàn)行的維護(hù)訓(xùn)練通常結(jié)合飛行任務(wù)并行實(shí)施，存在組織實(shí)施困難，訓(xùn)練成本高，對實(shí)際裝備有損耗等缺陷，且受到場地、天氣等多種條件制約，訓(xùn)練時(shí)間有限，人員培養(yǎng)周期長?；谔摂M仿真技術(shù)或半實(shí)物仿真技術(shù)的維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)能夠有效克服結(jié)合實(shí)裝進(jìn)行維護(hù)訓(xùn)練帶來的問題[1?2]。其中半實(shí)物維修訓(xùn)練采用物理模型模擬裝備的真實(shí)外觀，而在計(jì)算機(jī)上仿真實(shí)現(xiàn)裝備的工作原理。由于半實(shí)物訓(xùn)練平臺具有實(shí)裝外形，對其進(jìn)行維修訓(xùn)練操作基本與實(shí)裝一致，可以給維修人員帶來良好的實(shí)踐動(dòng)手能力訓(xùn)練，因此在各型航空維修訓(xùn)練系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[3?6]。本文基于半實(shí)物仿真方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該型機(jī)載吊艙維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該機(jī)載電子吊艙維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)滿足一二線技術(shù)保障全程訓(xùn)練需要，具備的功能有：

（1） 內(nèi)場檢測訓(xùn)練功能，能夠模擬內(nèi)場自動(dòng)測試設(shè)備（Automatic Test Equipment，ATE）對仿真吊艙進(jìn)行數(shù)百項(xiàng)詳細(xì)性能指標(biāo)的檢測，用于訓(xùn)練維護(hù)人員內(nèi)場通電檢測操作技能和指標(biāo)分析判讀能力。實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是如何根據(jù)仿真吊艙的工作狀態(tài)、故障設(shè)置給出相應(yīng)的檢測結(jié)果。

（2） 外場通電訓(xùn)練功能，能夠?qū)ζ饞煅b機(jī)狀態(tài)的仿真吊艙進(jìn)行機(jī)上通電檢查，能模擬機(jī)上顯控盒對吊艙的上電、自檢、功能檢查等操作，并給出相應(yīng)測試結(jié)果。用于訓(xùn)練維護(hù)人員機(jī)上通電操作技能和外場快速反應(yīng)能力。

（3） 典型故障設(shè)置功能，能夠在仿真吊艙內(nèi)各外場可更換單元（Line Replaceable Unit，LRU）及連接電纜上設(shè)置故障，模擬包括器件故障、線路通斷、性能下降等多種實(shí)際工作中常遇到的典型故障，用于訓(xùn)練維護(hù)人員故障分析和排除能力。其難點(diǎn)是如何根據(jù)設(shè)定的故障，在訓(xùn)練中仿真出相應(yīng)的故障現(xiàn)象。

（4） 起掛轉(zhuǎn)運(yùn)訓(xùn)練功能，能滿足仿真吊艙從內(nèi)場轉(zhuǎn)運(yùn)到外場，起掛安裝到機(jī)上掛架的操作訓(xùn)練需要。

（5） 拆卸安裝訓(xùn)練功能，能滿足對吊艙艙體蒙皮、各LRU的拆裝訓(xùn)練需要。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述系統(tǒng)功能，對該型機(jī)載電子吊艙維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件可分為4大部分：半實(shí)物仿真吊艙、采集與控制單元、內(nèi)場檢測平臺、外場機(jī)上平臺，如圖1所示。

圖1 吊艙維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)硬件組成

2.1 半實(shí)物仿真吊艙

半實(shí)物仿真吊艙采用1∶1比例真實(shí)模擬實(shí)裝外形，以及內(nèi)部各LRU的連接和固定方式，能夠替代實(shí)裝作為維護(hù)訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行通電檢查、安裝拆卸、起掛轉(zhuǎn)運(yùn)等，操作難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高、損壞可能性大的實(shí)踐動(dòng)手科目的訓(xùn)練平臺。半實(shí)物仿真吊艙是否逼真，是否具有可操作性，除了外觀與實(shí)裝一致外，更重要的是如何模擬內(nèi)部的各種信號。仿真吊艙內(nèi)部根據(jù)通電檢查、地面檢測、故障設(shè)置等維護(hù)訓(xùn)練需要設(shè)計(jì)了相應(yīng)的仿真電路，按照作用可分為以下3種：

（1） 信號仿真電路，在一定制作成本下，采用低頻信號替代射頻信號，低功率信號替代高功率信號，RS 485總線替代機(jī)上總線等方法建立電子裝備的主信號通路。信號通路的通斷和工作狀態(tài)的切換由程控繼電器來控制。

（2） 故障設(shè)置電路，用于對LRU或線路的故障狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，通過多個(gè)故障設(shè)置點(diǎn)來設(shè)置不同故障狀態(tài)，如：良好、失效、性能下降等。

（3） 狀態(tài)采集電路，通過在信號檢測點(diǎn)、故障設(shè)置點(diǎn)引出采集電路，來實(shí)時(shí)獲取整個(gè)仿真吊艙的工作狀態(tài)和故障信息。

同時(shí)為了保證仿真的逼真度，所有這3種電路的走線盡量依照實(shí)裝電纜實(shí)際信號走線，盡量不增加額外線路。

2.2 采集與控制單元

采集與控制單元是仿真吊艙與外場機(jī)上平臺和內(nèi)場檢測平臺實(shí)現(xiàn)交聯(lián)的關(guān)鍵單元。其完成2大功能：一是響應(yīng)上位機(jī)（座艙/檢測工控機(jī)）的控制指令（上電、自檢等），改變仿真吊艙的電路工作狀態(tài)；二是實(shí)時(shí)采集仿真吊艙的電路信息（工作狀態(tài)、故障狀態(tài)等），并上報(bào)給上位機(jī)。這兩大功能歸結(jié)起來，就是實(shí)現(xiàn)對半實(shí)物吊艙內(nèi)各電路控制點(diǎn)和狀態(tài)采集點(diǎn)上仿真量的監(jiān)測與控制。這里所謂的仿真量，是指表示電路通斷、連接狀態(tài)的數(shù)字量，或是表示功率強(qiáng)弱、頻率高低的模擬量。換句話說就是要實(shí)現(xiàn)對仿真吊艙內(nèi)數(shù)字量與模擬量的遠(yuǎn)程測控?？紤]到整個(gè)仿真系統(tǒng)測控量較多（超過300個(gè)），且測控距離較遠(yuǎn)（超過15 m），可采用目前市場上使用比較廣泛的遠(yuǎn)程I/O模塊，如：研華公司的ADAM系列、研祥公司的Ark系列、研發(fā)公司的DAC8000系列等。這類I/O模塊能夠獨(dú)立提供A/D，D/A，DI，DO，數(shù)據(jù)比較和數(shù)據(jù)通信等功能，通用性好，可靠性高，價(jià)格也比較低。

系統(tǒng)采用RS 485串行異步半雙工通信協(xié)議，將多個(gè)遠(yuǎn)程I/O模塊并聯(lián)在一個(gè)總線下，以上位機(jī)作為主機(jī)實(shí)現(xiàn)主從式的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制，如圖2所示。在內(nèi)場以檢測工控機(jī)為上位機(jī)，在外場以座艙工控機(jī)為上位機(jī)，兩者共用該采集與控制單元，以節(jié)約成本。而整個(gè)采集與控制單元安裝在半實(shí)物吊艙內(nèi)部，經(jīng)由吊艙脫落插頭對上位機(jī)提供統(tǒng)一的RS 485總線接口（工控機(jī)一端在COM口安裝RS 232轉(zhuǎn)RS 485模塊）。

2.3 外場機(jī)上平臺

外場機(jī)上平臺包括顯控盒、座艙工控機(jī)以及機(jī)上通用掛架等設(shè)備，能夠真實(shí)模擬外場機(jī)上維護(hù)訓(xùn)練環(huán)境，是進(jìn)行吊艙機(jī)上通電檢查、接口檢測、線纜測試、故障排除等科目訓(xùn)練的硬件平臺。其中，顯控盒實(shí)際上是一個(gè)人機(jī)交互接口，對顯控盒的按鍵監(jiān)聽和指示燈控制可采用嵌入式單片機(jī)來仿真實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)在周期性掃描顯控盒按鍵開關(guān)陣列的同時(shí)，讀回掃描結(jié)果，判斷是否有鍵按下，并計(jì)算按鍵編碼，然后將編碼發(fā)送到座艙工控機(jī)中。座艙工控機(jī)為外場機(jī)上平臺的信息處理中心，在響應(yīng)顯控盒上用戶操作的同時(shí)，把用戶的操作轉(zhuǎn)換為指令，通過RS 232轉(zhuǎn)RS 485總線與采集與控制單元交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對仿真裝備的通電控制；同時(shí)采集仿真裝備的當(dāng)前工作狀態(tài)，在顯控盒和多功能顯示器上顯示對應(yīng)信息。

2.4 內(nèi)場檢測平臺

內(nèi)場檢測平臺能夠模擬ATE的功能，具有與實(shí)裝一致的操作界面，能夠?qū)Ψ抡娴跖撨M(jìn)行數(shù)百項(xiàng)性能指標(biāo)的詳細(xì)檢測，其測試的深入程度是外場機(jī)上通電檢查所不能比擬的。仿真實(shí)現(xiàn)中，其強(qiáng)大的檢測功能通過運(yùn)行在檢測工控機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)。檢測工控機(jī)也通過RS 232轉(zhuǎn)RS 485總線與信息采集與控制單元通信，在檢測過程中根據(jù)需要自動(dòng)發(fā)送控制指令，使仿真吊艙工作于某種指定狀態(tài)（上電、自檢等），然后采集該狀態(tài)下仿真吊艙內(nèi)各測控點(diǎn)的信息，最后依據(jù)這些信息給出對應(yīng)的檢測結(jié)果。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在吊艙維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)中運(yùn)行的軟件主要有2個(gè)：運(yùn)行在外場機(jī)上平臺座艙工控機(jī)上的“機(jī)上顯控仿真軟件”和運(yùn)行在內(nèi)場檢測平臺檢測工控機(jī)上的“內(nèi)場檢測仿真軟件”。

3.1 機(jī)上顯控仿真軟件

該軟件是座艙工控機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)上通電檢查時(shí)進(jìn)行顯示控制的核心，其組成如圖2所示。

圖2 機(jī)上顯控仿真軟件組成框圖

機(jī)上顯控仿真軟件具備2大功能：

（1） 座艙按鍵響應(yīng)及顯示控制，通過實(shí)時(shí)監(jiān)聽與機(jī)上顯控器內(nèi)單片機(jī)交聯(lián)的RS 232通信串口，來響應(yīng)不同地址編碼的按鍵，調(diào)用對應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)，如加電、自檢、功能檢查等；同時(shí)控制顯控器指示燈的顯示；

（2） 仿真裝備狀態(tài)控制與采集，通過RS 232串口通信與采集與控制單元交聯(lián)，向仿真吊艙發(fā)送各種控制指令，同時(shí)循環(huán)監(jiān)聽仿真吊艙的狀態(tài)變化，調(diào)用對應(yīng)函數(shù)響應(yīng)該變化。

3.2 內(nèi)場檢測仿真軟件

內(nèi)場檢測軟件的模塊組成如圖3所示，其運(yùn)行流程如下：軟件啟動(dòng)后，首先初始化各種測試資源，連接仿真吊艙；然后等待用戶操作選擇需要的測試項(xiàng)目，啟動(dòng)檢測；接著在測試過程中自動(dòng)控制仿真吊艙的工作狀態(tài)，同時(shí)由采集到的信息（狀態(tài)碼、故障碼等）得出某項(xiàng)具體指標(biāo)的檢測結(jié)果，逐項(xiàng)檢測，逐項(xiàng)給出結(jié)果；最后，測試結(jié)束時(shí)記錄所有檢測結(jié)果，并釋放測試資源。

圖3 內(nèi)場檢測仿真軟件組成框圖

3.3 編程實(shí)現(xiàn)

上述2個(gè)軟件運(yùn)行在Windows XP環(huán)境下，由C#語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，從橫向上可分為3個(gè)層次：接口層、檢測層、應(yīng)用層。底層為接口層，實(shí)現(xiàn)RS 232串口通信；中間為檢測層，實(shí)現(xiàn)仿真吊艙狀態(tài)的控制和采集；最上層為應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)具體測試功能和人機(jī)交互。由于采用一致的底層硬件結(jié)構(gòu)，因此上述2個(gè)軟件可重用接口層與檢測層中的功能模塊，降低軟件開發(fā)成本。其中，接口層的RS 232吊艙通信接口采用NET Framework 2.0 類庫包含的 SerialPort 類開發(fā)，可方便地實(shí)現(xiàn)與仿真設(shè)備內(nèi)采集與控制單元的串口通信。為保證指令傳輸?shù)耐暾院驼_性，定義了上位機(jī)與仿真裝備的通訊協(xié)議。協(xié)議的格式為：頭+地址+數(shù)據(jù)正文+校驗(yàn)，例如：DD AA 01 02 03 EA。串口接收到數(shù)據(jù)后需按協(xié)議解析得到狀態(tài)碼，等待檢測層處理。同樣發(fā)送控制指令時(shí)，需要將指令碼按協(xié)議封裝，以便仿真裝備相應(yīng)地址的控制點(diǎn)響應(yīng)。接口層串口通信編程實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下：

private SerialPort Com = new SerialPort（）；

private List buffer = new List（1024）；//接收緩存

private byte[] State_Code = new byte[4]； //接收到的狀態(tài)碼

private bool bCodeReceived = false；

Com.DataReceived += Com_Receive； //添加串口接收事件

void Com_Receive（object sender， SerialDataReceivedEventArgs e）

{

int n = Com.BytesToRead； //串口接收到的數(shù)據(jù)長度

byte[] buf = new byte[n]；

Com.Read（buf， 0， n）； //讀取串口數(shù)據(jù)

buffer.AddRange（buf）； //把數(shù)據(jù)放入接收緩存

while （buffer.Count >= 6） //達(dá)到一個(gè)數(shù)據(jù)包長度

{

if （buffer[0] == 0xDD） //查找數(shù)據(jù)頭

{

byte checksum = 0；

for （int i = 0； i < 4； i++）

//異或校驗(yàn)，確認(rèn)數(shù)據(jù)正確

checksum ^= buffer[i]；

if （checksum == buffer[5]）{

//如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確，解析該數(shù)據(jù)包

buffer.CopyTo（0， State_Code， 1， 4）；

//解包獲取狀態(tài)碼

bCodeReceived = true； }

buffer.RemoveRange（0， 5）； //從緩存中移除數(shù)據(jù)

}

… …

}}

檢測層的裝備狀態(tài)采集模塊對采集到的仿真裝備狀態(tài)編碼的解析，并調(diào)用應(yīng)用層的響應(yīng)函數(shù)，完成座艙內(nèi)顯示結(jié)果的實(shí)時(shí)更新，或是得到內(nèi)場檢測的相應(yīng)結(jié)果。檢測層的裝備狀態(tài)控制模塊響應(yīng)應(yīng)用層的控制函數(shù)，產(chǎn)生對應(yīng)的控制碼，通過調(diào)用接口層的串口發(fā)送函數(shù)，將指令發(fā)送到仿真裝備對應(yīng)地址控制單元，完成對裝備狀態(tài)的控制。檢測層裝備狀態(tài)采集與控制模塊編程實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下：

private void StateAcquisition（） //裝備狀態(tài)采集函數(shù)

{

if （bCodeReceived） {

Switch（State_Code[0]）{

//依據(jù)狀態(tài)碼地址，判斷采集點(diǎn)類型

case： 0x01 //發(fā)射機(jī)

GetTransmitterState（State_Code）；

break；

case： 0x02 //控制器

GetProcessorState（State_Code）；

break；

… … } }

private void timer1_Tick（object sender， System.EventArgs e） //定時(shí)函數(shù)

{StateAcquisition （）； //不斷循環(huán)采集裝備狀態(tài)

… …}

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)的機(jī)載電子吊艙維護(hù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)裝一致，具備真實(shí)的操作感，能夠滿足對吊艙進(jìn)行機(jī)上通電、內(nèi)場檢測、拆卸安裝、起掛轉(zhuǎn)運(yùn)等訓(xùn)練的需要，同時(shí)擴(kuò)展了實(shí)裝不具備的故障設(shè)置功能，從而既能做常規(guī)維護(hù)操作訓(xùn)練，又能進(jìn)行各種突發(fā)故障的排除訓(xùn)練，較大程度上增強(qiáng)了該型機(jī)載電子吊艙維護(hù)訓(xùn)練手段，為理論教學(xué)與技能訓(xùn)練的有機(jī)結(jié)合搭建了良好的平臺。經(jīng)過實(shí)際使用表明，該訓(xùn)練系統(tǒng)能有效克服實(shí)裝訓(xùn)練中存在的問題，且可擴(kuò)展性好，使用方便，可靠性高，其設(shè)計(jì)方法在各型航空電子裝備維護(hù)訓(xùn)練模擬器中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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