陳育良CHEN Yu-liang；盛沛SHENG Pei；徐學(xué)文XU Xue-wen

（海軍航空大學(xué)，煙臺(tái) 264001）

0 引言

當(dāng)前，海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)陣地測(cè)試專業(yè)人員的培養(yǎng)及訓(xùn)練還是依托實(shí)裝進(jìn)行，這種方式存在著3 個(gè)方面的問(wèn)題：一是無(wú)法滿足大批次人員集中訓(xùn)練、彈型覆蓋不全；二是無(wú)法做到故障現(xiàn)象隨意設(shè)定；三是會(huì)縮短實(shí)裝壽命[1]。訓(xùn)練仿真系統(tǒng)為上述問(wèn)題的解決提供了途徑。然而，就目前的現(xiàn)狀來(lái)看，隨著各類新型裝備大量配發(fā)部隊(duì)，傳統(tǒng)的訓(xùn)練仿真系統(tǒng)也暴露出一些弊端。這些模擬器內(nèi)部、系統(tǒng)間耦合嚴(yán)重，升級(jí)、剪裁困難，且隨著所使用的貨架產(chǎn)品淘汰、研發(fā)人員離崗等問(wèn)題無(wú)法升級(jí)或維修。每年有大量訓(xùn)練模擬器淘汰和產(chǎn)生，這些模擬器動(dòng)輒幾百上千萬(wàn)，造成了巨大的資源浪費(fèi)。因此，研發(fā)一種可以隨意更改、剪裁、升級(jí)、維修的新型訓(xùn)練模擬器就顯得尤為重要。

訓(xùn)練仿真系統(tǒng)常用的仿真方法有物理仿真和軟件仿真[2]。其中軟件仿真往往有一定的局限性，逼真程度不高，訓(xùn)練效果不如物理仿真；而物理仿真往往投資大，周期長(zhǎng)、升級(jí)維修困難。隨著武器裝備的更新?lián)Q代，訓(xùn)練仿真系統(tǒng)自然需要進(jìn)行同步的升級(jí)改造，其面板的變更、剪裁、添加是最常見(jiàn)的需求[3][4]。然而目前大部分的訓(xùn)練仿真系統(tǒng)卻難以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這是因?yàn)樵谄湓O(shè)計(jì)時(shí)就沒(méi)有考慮這些需求，往往在其內(nèi)部存在大量的耦合關(guān)系，布線隨意、控制邏輯混亂。為了解決此問(wèn)題，本文提出一種模擬訓(xùn)練系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)方案，從降低人機(jī)交互界面到仿真程序間得耦合得角度出發(fā)，進(jìn)行可重構(gòu)模擬器設(shè)計(jì)。從頂層設(shè)計(jì)層面解決面板變更所帶來(lái)的各種耦合問(wèn)題[5]。

1 可重構(gòu)模塊的構(gòu)建

1.1 常見(jiàn)模擬器研制方法問(wèn)題梳理

測(cè)試訓(xùn)練模擬系統(tǒng)實(shí)際上是在物理和虛擬兩個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[6-8]。其人機(jī)交互界面越接近實(shí)物、交互邏輯越真實(shí)，那么其仿真訓(xùn)練效果越好。因此，模擬系統(tǒng)搭建的核心工作有四個(gè)：一是物理及虛擬人機(jī)交互界面的制作，二是物理人機(jī)交互界面（即各面板）的數(shù)據(jù)采集工作；三是采集控制程序的編寫(xiě)；四是應(yīng)用層的構(gòu)建工作。如圖1 所示四者之間主要包括三種耦合：系統(tǒng)模型與外部接口間的耦合、各人機(jī)界面后采集系統(tǒng)間的耦合以及控制程序之間的耦合。這些耦合決定了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的升級(jí)、改造時(shí)所做出的必要變更必然會(huì)對(duì)變更之外的耦合關(guān)系進(jìn)行修改，從而增加了調(diào)整難度。那么，可重構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是通過(guò)合理的設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)，使得上述耦合關(guān)系降到最低，進(jìn)而降低系統(tǒng)的變更難度。

圖1 可重構(gòu)模塊構(gòu)成原理圖

1.2 可重構(gòu)模塊設(shè)計(jì)原則

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，并且能夠做到用較少的資源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求，提出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

①?gòu)膶僭瓌t。采集板卡屬于模塊，采集板卡能夠通過(guò)組合的方式構(gòu)建多種模塊；模塊屬于物理人機(jī)界面，必須能夠?yàn)槿藱C(jī)界面挑選（組合）出合適的模塊。

②線性原則。為了降低系統(tǒng)耦合程度，要求所有采集板功能必須盡可能單一。模塊可以是多功能的，但是組成其的采集卡必須是功能越簡(jiǎn)單越好。

③即用原則。所設(shè)計(jì)或選擇的板卡必須易于重構(gòu)，即其發(fā)生重構(gòu)、增刪時(shí)無(wú)需重新設(shè)置。

④統(tǒng)一原則。為了統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，模擬訓(xùn)練主程序必須通過(guò)模塊調(diào)用人機(jī)交互面板上的各接口。無(wú)論電器連接如何實(shí)現(xiàn)，模擬訓(xùn)練主程序都是在調(diào)用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)只有在使用時(shí)才被賦予特定的物理意義；在使用前，它們僅代表各模塊的狀態(tài)。

1.3 可重構(gòu)模塊的構(gòu)建方法

可重構(gòu)模塊構(gòu)建思路可以總結(jié)為：盡量減少單個(gè)人機(jī)交互界面被調(diào)整、剪裁、添加的時(shí)候，其它界面所受到的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采集量主要分為開(kāi)出量、開(kāi)入量、模出量和模入量等。合理地設(shè)計(jì)這些物理量的每一條傳輸通路，能夠使上述工作變?yōu)槎鄠€(gè)簡(jiǎn)單傳輸通路的變更。那么人機(jī)交互界面的重構(gòu)就變成了多個(gè)模塊及其對(duì)應(yīng)的傳輸通路的變更工作的簡(jiǎn)單疊加，簡(jiǎn)化了調(diào)整過(guò)程。

本文提出的可重構(gòu)模塊采用了可選板卡組合的方式，任何模塊可以根據(jù)需求由5 種板卡自由組合，圖2 是其構(gòu)成原理圖。其中TMS320F2812 及其外圍電路作為主板，是每個(gè)模塊的核心部件。主板作為每個(gè)模塊的控制及收發(fā)核心在每個(gè)模塊內(nèi)必須有且僅有一個(gè)，而且在整套系統(tǒng)中的地址必須是唯一的。主控單元通過(guò)PC104 總線與5 類采集板卡相連。采集板卡采用FPGA 作為核心部件，利用FPGA 的靈活性降低開(kāi)發(fā)難度。由于本文是從頂層設(shè)計(jì)層面進(jìn)行討論，主板及采集板卡的電路設(shè)計(jì)不是討論的重點(diǎn)，因此在此不做贅述。

圖2 可重構(gòu)模塊構(gòu)成原理圖

2 可重構(gòu)模塊存儲(chǔ)模型

可重構(gòu)模塊的應(yīng)用難點(diǎn)在于解決消息的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸問(wèn)題。即如何使得上位計(jì)算機(jī)能夠準(zhǔn)確地將所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定變量?jī)?nèi)等待調(diào)用。因此，消息傳輸?shù)囊?guī)則是重點(diǎn)問(wèn)題。為了確保板卡引腳狀態(tài)與上位機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性，本文提出的消息傳輸及拆包規(guī)則是：每個(gè)DI 引腳占用單個(gè)位，AI、AO、PWM 等量均占用16 位。那么板卡引腳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模型如圖3 所示。

圖3 可重構(gòu)模塊存儲(chǔ)模型示意圖

①首先模塊內(nèi)的采集板卡在上電后通過(guò)其標(biāo)識(shí)檢測(cè)引腳進(jìn)行類型識(shí)別。

②模塊主板根據(jù)步驟①所獲得的類型識(shí)別結(jié)果在內(nèi)存中形成相應(yīng)的板卡類型碼供形成通訊報(bào)文時(shí)使用。

③根據(jù)輸入或輸出的不同，板卡根據(jù)上位機(jī)指令驅(qū)動(dòng)指定板卡進(jìn)行相應(yīng)操作并存入內(nèi)存，或根據(jù)指令將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳輸給指定板卡。

④主板調(diào)用包含步驟②類別碼在內(nèi)的內(nèi)存數(shù)據(jù)組成報(bào)文，數(shù)據(jù)報(bào)文按照模塊地址、板卡類型、偏移量及數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行傳送。

⑤上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)以后，按照上述步驟進(jìn)行拆包。

⑥將拆包數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在模塊相應(yīng)變量?jī)?nèi)以待調(diào)用。

3 軟件架構(gòu)

上世紀(jì)90 年代，為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)化（反映系統(tǒng)模塊劃分和協(xié)作之間的關(guān)系），由堪耐基梅隆大學(xué)軟件研究所為軍方設(shè)計(jì)了一種稱為結(jié)構(gòu)化模型的軟件架構(gòu)[9-10]。它的主要設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)拆分為幾個(gè)小系統(tǒng)、小單元，分包給多個(gè)開(kāi)發(fā)組進(jìn)行并行開(kāi)發(fā)，這樣既分擔(dān)了風(fēng)險(xiǎn)又使得任務(wù)周期大大縮短[11-12]。

圖4 所示是一個(gè)經(jīng)典的結(jié)構(gòu)化模型，把整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分割成管理層和應(yīng)用層兩個(gè)大類，進(jìn)一步又細(xì)分為仿真組件、子系統(tǒng)控制器、周期調(diào)度器、事件處理器和時(shí)間同步器五個(gè)組件，其功能如下：

圖4 結(jié)構(gòu)化軟件架構(gòu)示意圖

①仿真組件存放現(xiàn)實(shí)對(duì)象的各種模式，將各種模式開(kāi)發(fā)為對(duì)應(yīng)虛擬模型。

②子系統(tǒng)控制器存放各單元之間的接口，對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行管控。

③周期調(diào)度器執(zhí)行周期性仿真任務(wù)的調(diào)度管理。

④事件處理器進(jìn)行信息交互。

⑤時(shí)間同步器即時(shí)鐘管理器。

本文根據(jù)上述軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，將軟件分割為三個(gè)層次：管理層、應(yīng)用層和通訊層。需要說(shuō)明的是，應(yīng)用層是可重構(gòu)訓(xùn)練模擬器軟件設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，它決定了設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能否滿足預(yù)期的目標(biāo)，即剪裁靈活、維修升級(jí)方便。將應(yīng)用層劃分為至少三個(gè)層次，即環(huán)境組件、接口組件以及外部模型組件。整個(gè)應(yīng)用層架構(gòu)關(guān)系如圖5 中所示。相較于經(jīng)典結(jié)構(gòu)化模型架構(gòu)額外添加了通訊層。該層面向的對(duì)象是所有模型，并且整個(gè)系統(tǒng)還可以通過(guò)通訊層與外部仿真模型進(jìn)行通訊。該層可供采用的火線1394、以太網(wǎng)等技術(shù)較為成熟[13-14]，再此不再贅述。

圖5 本文軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文方法的好處是能夠利用有限的板卡資源組合出多種可重構(gòu)模塊，同時(shí)能夠保證上位機(jī)所獲取得數(shù)據(jù)與人機(jī)交互界面上得所有終端有效關(guān)聯(lián)。當(dāng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)生重構(gòu)時(shí)，板卡可以被拆解用于構(gòu)建新的模塊，節(jié)省了成本和時(shí)間。