劉云飛 ， 楊 超， 徐向旭

(1. 海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)， 山東 青島266041； 2. 海軍航空大學(xué) 航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)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(shù)空中導(dǎo)航(Tactical Air Navigation, TACAN，簡稱塔康)，是美軍在1955年研制的近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有同時測位和測距的功能。該系統(tǒng)由機載設(shè)備和塔康地面設(shè)備組成，為以地面設(shè)備為中心、半徑350～500 km范圍內(nèi)的飛機提供導(dǎo)航服務(wù)，因此又稱為航空無線電近程導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)。中波導(dǎo)航系統(tǒng)是非常傳統(tǒng)的地基無線電導(dǎo)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(jìn)和發(fā)展仍然在世界各地的航空導(dǎo)航中普遍被采用。中波導(dǎo)航系統(tǒng)由地面導(dǎo)航機和機載無線電羅盤組成[3]。

某型塔康及中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)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(guān)機、狀態(tài)設(shè)置、參數(shù)監(jiān)控、故障查詢、設(shè)備管理等各種操作使用過程。其基本要求包括：① 仿真設(shè)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(shè)備可與其他外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可實時發(fā)送仿真設(shè)備模擬狀態(tài)信息供外部設(shè)備監(jiān)控和顯示，同時可接收外部設(shè)備提供的故障模擬等信息并顯示到操作界面相應(yīng)位置[7]。

1 系統(tǒng)組成

軍隊實際設(shè)備由1臺塔康主機、1臺塔康顯控分機、1臺中波導(dǎo)航機顯控臺和1臺中波導(dǎo)航機遙控器仿真設(shè)備組成?？紤]教學(xué)訓(xùn)練的實際需要，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由3個獨立分系統(tǒng)組成：塔康模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和模擬訓(xùn)練主控系統(tǒng)。在功能組成上，塔康模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括1臺塔康主機仿真設(shè)備和1臺塔康顯控分機仿真設(shè)備；中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括1臺中波導(dǎo)航機顯控臺仿真設(shè)備和1臺中波導(dǎo)航機遙控器仿真設(shè)備；模擬訓(xùn)練主控系統(tǒng)由1臺PC機實現(xiàn)。為了教學(xué)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(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整：將塔康主機和顯控分機仿真設(shè)備集成在1個獨立機柜中構(gòu)成塔康模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，將中波導(dǎo)航機顯控臺和遙控器仿真設(shè)備集成在1個獨立機柜中構(gòu)成中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。整個模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)、外部交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成

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

2 外形結(jié)構(gòu)

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(dǎo)航機仿真系統(tǒng)

中波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)計

3.1 基本思路

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

任務(wù)型教學(xué)法是基于完成交際任務(wù)的一種語言教學(xué)方法，它通過師生共同完成語言教學(xué)任務(wù)，使外語學(xué)習(xí)者自然習(xí)得語言，促進(jìn)外語學(xué)習(xí)的進(jìn)步?；谶@些理念，在大學(xué)英語零班的教學(xué)實踐活動中，筆者對大學(xué)英語零班的教學(xué)活動進(jìn)行了重新的設(shè)計，采用任務(wù)型教學(xué)方法，在教學(xué)中以布置任務(wù)為主，引導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)，主動構(gòu)建語言知識，以期充分發(fā)揮學(xué)生的主動性。英語零班中的任務(wù)形式設(shè)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(shè)備關(guān)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(shù)參數(shù)描述如下。

(1) 電源部分。電源部分主要對輸入電源進(jìn)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(guān)和1個電源變換模塊。

電源輸入插座包括扳動開關(guān)、1A保險和濾波器。開關(guān)用于操作人員控制設(shè)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(fēng)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(yīng)做三防處理，安裝時應(yīng)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(shè)備在室內(nèi)工作，為了滿足不同光照條件下的使用，應(yīng)適當(dāng)提高亮度；實際設(shè)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(shè)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(biāo)識刻上去，考慮到刻字時可能存在的損壞，購買數(shù)量應(yīng)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(jìn)行電平變換、光電隔離、電流驅(qū)動，然后點亮或熄滅相應(yīng)的指示燈?？捎玫降牟课话ㄋ碉@控分機的應(yīng)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(guān)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(dǎo)航機遙控器的開A機按鍵、開B機按鍵、關(guān)機按鍵和監(jiān)聽取消按鍵，以及塔康顯控分機的應(yīng)急開關(guān)。

(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(jìn)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(dǎo)航機顯控臺、中波導(dǎo)航機遙控器仿真設(shè)備和PC機通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，其基本要求是能提供不少于4個10M/100M自適應(yīng)的Ethernet接口。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)只使用一個集線器，為簡化連接關(guān)系，將其固定在中波導(dǎo)航機顯控臺仿真設(shè)備內(nèi)部。塔康顯控分機、中波導(dǎo)航機遙控器仿真設(shè)備和PC機通過網(wǎng)線連接到中波導(dǎo)航機顯控臺仿真設(shè)備后面板。

3.2 塔康模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制原理

塔康模擬訓(xùn)練系統(tǒng)只需要對一個基本功能系統(tǒng)進(jìn)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(xùn)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(xùn)練系統(tǒng)控制原理

3.3 中波導(dǎo)航機主機電路與控制

中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)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(dǎo)航機主機和遙控器實際功能需求進(jìn)行增減實現(xiàn)的。

圖4 中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制原理

4 軟件設(shè)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(shè)計，主要包括模擬訓(xùn)練主控軟件、塔康模擬訓(xùn)練軟件和中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)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(luò)通信完成。系統(tǒng)整體軟件組成結(jié)構(gòu)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(xùn)練軟件、中波導(dǎo)航機模擬訓(xùn)練軟件是設(shè)備模擬類模塊，運行于ARM平臺，負(fù)責(zé)模擬設(shè)備的工作狀態(tài)，模擬發(fā)射和接收導(dǎo)航信號，實現(xiàn)導(dǎo)航信號模擬發(fā)射、接收、計算，并完成設(shè)備模擬機柜的狀態(tài)顯示和控制。

模擬訓(xùn)練主控軟件在PC機上運行，是模擬系統(tǒng)設(shè)備、仿真進(jìn)程的控制中心，主要任務(wù)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(shè)備與進(jìn)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(jìn)度控制和時鐘校準(zhǔn)，還定義了服務(wù)于功能實現(xiàn)的底層服務(wù)模塊：數(shù)據(jù)庫訪問模塊、串口通信模塊、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

(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(yīng)的操作權(quán)限。

(2) 設(shè)備與進(jìn)程管理。遠(yuǎn)程控制分系統(tǒng)模擬訓(xùn)練器的開關(guān)、仿真進(jìn)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(xùn)練科目，引導(dǎo)設(shè)備開機、仿真進(jìn)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(jìn)入運行模式。

(4) 特情管理。實時命令相應(yīng)設(shè)備分系統(tǒng)進(jìn)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(jì)錄來源分系統(tǒng)的飛行日志，紀(jì)錄存檔，以便系統(tǒng)維護(hù)。

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

(8) 模擬進(jìn)程控制。各分系統(tǒng)模擬進(jìn)程的開始、凍結(jié)、解凍、結(jié)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(wù)，對串口通信數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、驗證和解釋。

(11) 結(jié)構(gòu)化存儲模塊。訪問和修改用結(jié)構(gòu)化存儲技術(shù)構(gòu)建的資源文件。結(jié)構(gòu)化存儲技術(shù)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(zhǔn)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(xùn)練主控軟件的層次模型，由功能模塊和服務(wù)模塊組成，功能模塊調(diào)用服務(wù)模塊的服務(wù)實現(xiàn)對各種資源(文件、數(shù)據(jù)庫、串口、網(wǎng)絡(luò))的訪問。模擬訓(xùn)練主控軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模擬訓(xùn)練主控軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 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(dǎo)航機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計方案。通過提取不同設(shè)備共性，構(gòu)建一個基本功能系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同設(shè)備的特點進(jìn)行功能裁剪和補充以滿足不同設(shè)備的硬件仿真需求，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，這樣的方式可以降低模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計工作量，同時提高后期維護(hù)的效率，對其他院校類似裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計有一定的借鑒意義[12-15]。