陸陽 孫廣平 張毅偉

【摘? 要】 為提高火炮類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，滿足火炮類武器裝備崗位能力訓(xùn)練的戰(zhàn)場氛圍需求，可綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)等研究開發(fā)聲光煙綜合模擬裝置。該裝置以單片機(jī)為主控MCU，開發(fā)軟件控制程序，通過智能語音播放模塊發(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)場環(huán)境，訓(xùn)練的真實(shí)場景和實(shí)戰(zhàn)氛圍不足。以火炮類武器裝備為研究對(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)火炮類武器裝備實(shí)彈射擊場景模擬，還能滿足特殊訓(xùn)練場景下的環(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)還能滿足火炮類武器裝備不同射速、發(fā)數(shù)的工作場景?？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)通過市場采購獲得；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、無線透傳模塊等。

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，滿足方案的硬件資源需求。語音播放模塊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)。無線透傳模塊（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/停”和“聲、光、煙”的顯示和控制。

若“信/檢/停”按鈕連續(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、無線透傳模塊和內(nèi)置鋰電池等。其中TTL轉(zhuǎn)485模塊用于實(shí)現(xiàn)主控與無線透傳模塊間的電平轉(zhuǎn)換，無線透傳模塊用于實(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/?！薄暗?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、無校驗(yàn)。

（二）按鍵檢測處理模塊

用于按鍵檢測和按鍵觸發(fā)后的處理。按鍵檢測有防抖處理，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)通過無線模塊發(fā)送到至主控箱；主控箱在輸出的過程中，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)語音播放模塊輸出不同的音頻聲音，再通過藍(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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