戰(zhàn)興華 胡柏青 張光俊 魯 鑫

（海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

1 引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，其工作環(huán)境已經(jīng)覆蓋陸、海、空領(lǐng)域，并且已經(jīng)成為艦船領(lǐng)航中一種非常重要的機載設(shè)備［1～5］。由于直接在海上進行實裝慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備操作訓(xùn)練存在著成本高、風(fēng)險大、周期長和降低設(shè)備使用壽命等方面的一系列問題，還容易受到海面環(huán)境、氣象等條件的限制［6～9］。因此，利用模擬器對艦船人員進行訓(xùn)練已經(jīng)成為艦船技術(shù)人員培養(yǎng)的重要手段。通過模擬器對艦船人員進行操作訓(xùn)練，不但可以彌補理論與實踐環(huán)節(jié)在銜接過程中相脫節(jié)的問題，還可以使學(xué)員充分掌握實際操作程序與方法，大大地提高教學(xué)效果［10～12］。

慣導(dǎo)模擬器以某型慣導(dǎo)系統(tǒng)為對象，設(shè)計具有操作、維修訓(xùn)練及考核功能的慣性導(dǎo)航模擬操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要模擬慣導(dǎo)系統(tǒng)顯控測量裝置（DCTU）、慣性測量裝置（IMU）以及模擬萬用表、示波器的模擬檢測儀（STE）等重要組成部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 慣導(dǎo)模擬器組成與各部分基礎(chǔ)功能

某型慣導(dǎo)系統(tǒng)由慣性測量裝置（IMU）、顯控發(fā)送裝置（DCTU）和超隔離變壓器三部分組成。由于后者與主要功能關(guān)系不大，不作為突出重點，模擬裝置僅考慮IMU和DCTU。為向用戶提供真實的使用體驗，IMU和DCTU均采用實物模型實現(xiàn)，并且要求所呈現(xiàn)的內(nèi)容與實裝一致，即所用顯示屏、指示燈、蜂鳴器、風(fēng)扇、開關(guān)和鍵盤等與實裝型號一致；檢測孔信息與實際相符。除機械結(jié)構(gòu)、電氣類零部件和某些電路模塊與實裝保持一致外，模擬裝置也要具備模擬實裝慣導(dǎo)系統(tǒng)的日常使用、維護和故障排除考核等功能，使得模擬裝置能夠完全模擬某型慣導(dǎo)系統(tǒng)的真實操作情況［13～14］。

圖1 慣導(dǎo)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字萬用表和示波器都是電路故障診斷中最為常用的儀器設(shè)備［15］，某型慣導(dǎo)系統(tǒng)在進行實操過程中也毫不例外地會應(yīng)用到數(shù)字萬用表和示波器等測試儀器。而數(shù)字萬用表和示波器的價格比較高，又是易損耗設(shè)備，如果在模擬操作過程中仍使用真實的測試儀器會大大增加訓(xùn)練成本。因此，為了降低儀器設(shè)備成本、增加操作靈活性與簡易性，同時還要具備實操的操作體驗與相關(guān)儀器的基本功能，慣導(dǎo)模擬器還要具有一個可以物理模擬萬用表與示波器基礎(chǔ)功能的、獨立于DCTU與IMU裝置的模擬檢測儀（STE）。

3 設(shè)計需求分析

根據(jù)上述內(nèi)容中提出的系統(tǒng)實物模擬要求，慣導(dǎo)模擬器應(yīng)具備DCTU、IMU和STE三種裝置，且任一裝置都要具備與實裝慣導(dǎo)模擬系統(tǒng)或故障診斷儀器相同的功能與操作體驗。為了逐項完善慣導(dǎo)模擬器的相應(yīng)功能、為硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計提供方向、提高慣導(dǎo)模擬器的可靠性、功能完整性和魯棒性，下面將針對DCTU、IMU和STE三種裝置的設(shè)計需求進行闡述。

3.1 DCTU設(shè)計需求

DCTU作為慣導(dǎo)模擬器的顯控測量裝置，是系統(tǒng)中重要部件之一，可為相關(guān)受訓(xùn)或考核人員提供慣導(dǎo)系統(tǒng)日常使用、維護和故障排除考核等實際操作環(huán)境。DCTU需要接收來自主控機的控制指令，并根據(jù)指令執(zhí)行一系列動作；DCTU具有模擬故障診斷功能的電路模塊，可以為受訓(xùn)人員提供真實的訓(xùn)練環(huán)境；故障信息、設(shè)備狀態(tài)信息、模擬訓(xùn)練環(huán)境下的船舶導(dǎo)航信息以及主控機的指令信息都需要通過DCTU的顯示屏進行顯示；DCTU還可以將工作狀態(tài)信息通過網(wǎng)線上傳到主控機中。

根據(jù)某型慣導(dǎo)系統(tǒng)的實際功能需求，設(shè)計DCTU結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：DCTU包含供電電路、工控機、顯示屏、鍵盤、旋鈕開關(guān)和具有信號采集、控制輸出、電源輸出等功能的電路模塊。

圖2 DCTU結(jié)構(gòu)框圖

其中供電電路需要將220V50Hz市電轉(zhuǎn)換成各個電路模塊工作所需要的不同規(guī)格的直流電（12V、24V、5V、3.3V）；具有控制輸出功能的電路模塊需要實現(xiàn)對風(fēng)扇、蜂鳴器、LED、繼電器等器件的控制；具有信號輸入采集功能的電路模塊最多可支持16路信號輸入接口，并在任意一個信號輸入接口有信號接入后的50ms時間內(nèi)將信號的頻率參數(shù)、指代信息、接口地址等數(shù)據(jù)通過總線上傳到工控機中，具有該功能的電路模塊則用于模擬故障診斷的實操環(huán)境；工控機作為檢測與控制的工具，它需要收集來自各個電路模塊的實時工作狀態(tài)信息以及鍵盤和旋鈕開關(guān)的動作編碼，并將數(shù)據(jù)上傳到主控機中，控制顯示器進行數(shù)據(jù)顯示。同時主控機向工控機發(fā)送控制指令，再由工控機通過總線傳輸?shù)街付娐纺K；顯示屏用來為操作人員提供模擬當(dāng)前操作情景下的導(dǎo)航信息、儀器裝置與設(shè)備的故障信息、主控機發(fā)出的指令信息和設(shè)備內(nèi)部各模塊電路上電自檢狀態(tài)信息的顯示。

3.2 IMU設(shè)計需求

IMU與DCTU相比較，除不需要工控機、顯示屏、鍵盤和蜂鳴器等設(shè)備外，其他電路部分與DCUT有著相同的功能要求。即需要具有供電電路和具有信號采集、控制輸出、電源輸出等功能的電路模塊。而各個電路模塊的實時工作狀態(tài)信息則要通過總線上傳到DCTU內(nèi)部的工控機中，同時也可以接受來自工控機的控制指令。因此，在設(shè)計IMU時，其內(nèi)部電路與DCTU電路有著很強的通用性，除部分電路板尺寸和數(shù)量不統(tǒng)一外，在功能上是保持一致的。

3.3 STE設(shè)計需求

為了解決慣導(dǎo)模擬器在日常使用、維護和故障排除訓(xùn)練過程中，使用真實數(shù)字萬用表與示波器所存在的易損耗和儀器設(shè)備成本高等問題，本論文提出了一種可以物理模擬萬用表、示波器等檢測儀器的相關(guān)功能的模擬檢測儀的設(shè)計——STE。

STE可以模擬萬用表V/Ω（電壓/電阻）檔和A（電流）檔的功能，還可以模擬具有兩個測試通道CH1（通道1）和CH2（通道2）的示波器的功能。即STE應(yīng)包含4個萬用表接入表筆的輸入端子（分別表示為A、B、C、D）和2組示波器接入通道探頭的輸入接口（分別為CH1和CH2的探頭接口與GND接口）。STE面板示意圖如圖3所示。

圖3 STE面板示意圖

真實的萬用表和示波器的操作面板上都有著豐富的按鍵或旋鈕等，且分別對應(yīng)著不同的操作功能。但是STE為了簡化設(shè)計、降低成本，同時增加操作的靈活性與穩(wěn)定性，模擬儀器功能的選擇與切換都是通過上位機的軟面板來進行配置。例如：在軟面板上可以選擇STE工作的模式、檔位和所要模擬測量的參數(shù)的大小等。而不同模擬故障參數(shù)測量的功能，則是通過在不同的探頭或表記接入端口發(fā)出頻率互不相同的方波信號來實現(xiàn)的。STE結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。STE包含供電電路、方波信號產(chǎn)生電路、單片機控制電路、信號輸出整波電路、USB通信接口和信號輸入端口等多個模塊。

其中供電電路是DC-DC直流穩(wěn)壓電路，STE的電能來源于DCTU內(nèi)部開關(guān)電源的輸出，DC-DC直流穩(wěn)壓電路則是把開關(guān)電源的輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)镾TE工作所需的電壓；單片機控制電路具備USB通信接口，通過該接口與計算機進行數(shù)據(jù)通信。即在計算機的軟面板上對STE的模擬參數(shù)進行配置，通過USB接口發(fā)送到單片機內(nèi)，單片機則根據(jù)指令控制STE其他部分電路做出相應(yīng)的動作。單片機還負責(zé)監(jiān)測方波信號產(chǎn)生電路的工作狀態(tài)；方波信號產(chǎn)生電路則根據(jù)單片機發(fā)出的控制指令來產(chǎn)生多路相應(yīng)頻率的方波信號，信號輸出整波電路作為信號輸出部分的緩沖級與隔離級，保護方波信號產(chǎn)生電路不被反向電流、電壓燒毀的同時又可以增強方波信號的長距離傳輸能力。

圖4 STE結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)語

本文首先介紹了慣導(dǎo)模擬器的設(shè)計目的及意義，并對其整體系統(tǒng)進行了簡要的介紹，說明了慣導(dǎo)模擬器的組成和各部分設(shè)備的基礎(chǔ)功能。然后闡述了系統(tǒng)實物模擬的相關(guān)要求：模擬裝置僅考慮IMU和DCTU，為向用戶提供真實的使用體驗，IMU和DCTU均采用實物模型實現(xiàn)，并且要求所呈現(xiàn)的內(nèi)容與實裝一致。同時為了降低訓(xùn)練成本、增加操作靈活性與簡易性，設(shè)計STE來物理模擬數(shù)字萬用表和示波器在故障檢測中的相關(guān)功能。最后根據(jù)系統(tǒng)實物模擬要求，將模擬檢測儀的設(shè)計分成三了部分，DCTU、IMU和STE，并針對每一個儀器設(shè)備的設(shè)計需求都進行了系統(tǒng)級的闡述。