某雷達模擬訓練系統控制臺工程設計與實現

2012-04-24 08:12:48馬慧萍聶昌龍侯少嶺

電子科技 2012年9期

馬慧萍，聶昌龍，侯少嶺，劉朋

(中國人民解放軍63889部隊1分隊，河南孟州 454750)

隨著微電子、計算機、網絡技術的發展，越來越多的先進技術應用到了以訓練、分析、模擬和仿真為目的大型裝備模擬系統中。裝備模擬系統是一種與實物大小相同的裝備模型，操作手操作模擬系統的方法與操作實際裝備方法基本一致，且所能觀察到的現象應與實際裝備在真實環境中操作所得到的現象基本一致。與實際裝備相比，模擬系統成本低、易實現，且操作更安全、更經濟，因此，裝備模擬系統為快速有效地培養新操作手的重要手段。

以訓練操作手為主要目的的裝備模擬系統被稱為裝備模擬訓練系統，雷達作為大型軍用裝備，其模擬訓練系統的設計與實現具有代表性。雷達模擬訓練系統主要進行的是功能上的模擬［1］，也就是“現象模擬”，即模擬訓練系統能夠對操作手的操作動作做出相應的反應，而且可以看到類似實際裝備相應操作的結果現象，從而給操作手營造一個“真實”的模擬訓練環境。

1 工程設計思路

進行雷達模擬訓練系統控制臺工程設計時，需要經過以下4個階段:(1)需求、構造以及模型的確立;(2)方案論證、工程設計以及控制電路基本流程圖設計;(3)控制臺系統構造和裝配、設計實現控制電路以及線路連通調試;(4)實施綜合集成和軟硬件功能聯調。

首先需按照任務要求分析實際雷達控制臺的結構、功能以及面板組成，尋找構建模擬訓練系統的最佳模型。現代雷達一般都將任務交由智能控制計算機自動完成，面板按鈕和人工操作盡可能少。因此，須詳細分析每一個面板按鈕和控制手柄、鍵盤操作所產生的現象，并將其詳細列表，據此設計硬件邏輯控制電路。其次，要按照設計方案設計控制臺工程實現圖紙和控制電路流程圖。也可以在這一階段將請專門的設計公司來進行現場測量并制定方案，控制電路原理圖設計好。第三步，根據設計方案進行控制臺的板材切割、裝配、噴塑、定型，同時根據控制電路圖制作印制板、焊接芯片和元器件，并進行電路板測試，待控制臺成型后進行裝機聯調等。

2 控制臺設計與實現

某雷達的主要功能結構組成如圖1所示，雷達發射機、接收機、數據處理機等要具體處理真實的雷達信號，需要復雜的硬件電路和軟件模型來實現［2］。而模擬訓練系統無需重復這些原理過程，只要實現過程所產生的結果，即對某次操作后雷達做出反應的“現象”進行模擬即可。

圖1 某雷達主要功能結構組成圖

據此思路設計模擬訓練系統控制臺，主要模擬實現如圖1右側虛線框內的結構。如此，模擬訓練系統內部構造與雷達相比，簡化了硬件電路和設備，其結構組成及相互連接如圖2所示。

圖2 某雷達模擬訓練系統控制臺內部構造

第二步是設計控制臺實現圖紙。控制臺是給操作手提供的一個物理平臺，它是全系統的控制、顯示中心，主要由控制設備、終端顯示設備、各種指示設備、輸入輸出設備及其它輔助設備組成。根據模擬訓練需要，將操作用的物理設備集中在控制臺上，設計力求做到布局合理穩固、性能安全可靠、各部分連線維護方便、易拆裝、易維修、美觀大方、具有良好的加固、減震和溫控措施，并符合有關標準要求。圖3為某雷達模擬訓練系統控制臺外觀的設計簡圖。控制臺設計圖紙由制作方按照合同要求提供，注明了材質厚度、各部分長度、高度、斜面角度、圓角弧度以及配件安裝位置等。

圖3 控制臺設計簡圖

其中左邊為演示仿真系統，中間為主控計算機，右邊為雷達PPI顯示，用3臺微機組建。顯示器下方為裝備操控按鈕、指示燈、開關面板，平面面板上有角度、距離搖桿和控制按鈕。3個鍵盤放置在角度、距離控制搖桿下方。系統的主控計算機完成主要控制，并在主控顯示器上再現實際裝備的主控界面;PPI顯示器利用軟件功能實現實際裝備的雷達PPI顯示功能;演示仿真計算機主要用于存儲各類數據庫、裝備電子檔案以及裝備訓練課件的演示、雷達性能的技術仿真研究。

3 控制電路設計與實現

雷達模擬訓練系統一般需要設計兩塊控制電路板，分別為跟蹤控制板和伺服控制板。跟蹤控制板負責完成跟蹤控制按鍵掃描、指示燈控制、手動搖桿信息的A/D轉換與編碼，并向主控計算機上傳按鍵及A/D轉換數據;伺服控制板負責完成平臺上伺服狀態按鍵掃描、指示燈控制，接收主控計算機傳送的A/E角度數據并顯示，向主控計算機上傳按鍵狀態數據等功能。設計時，各電路板的輸出數據均遵從標準RS－232接口協議，與主控計算機通過串行口進行實時數據通訊。控制電路采用AT89C51單片機為核心處理器［3－4］，電路設計采用總線復用方式。控制電路板的設計結構如圖4所示。

圖4 控制電路的設計結構

3.1 跟蹤控制電路

根據某雷達模擬訓練系統要求，在開發跟蹤控制電路板時要考慮以下幾個方面:(1)由于數據發送要求實時性，故在使用單一處理器的條件下，上述按鍵掃描、指示燈控制和A/D轉換功能只能以中斷的方式在中斷服務程序中得以實現，而主程序則用于數據的實時發送;(2)因為指示燈僅用于指示電路板中當前的按鍵狀態，所以對于指示燈的控制由單片機自主完成，其數據不向計算機發送。(3)針對單一處理器I/O端口有限的情況，在電路中采用總線復用的設計方式完成對寄存器組、A/D轉換通道選擇、A/D轉換數據錄入的分時控制。由此設計跟蹤控制電路板結構框圖如圖5所示，其中單片機(AT89C51)采用中斷方式在中斷程序中完成按鍵掃描、指示燈控制以及搖桿數據采集，并實時將按鍵及搖桿數據發送至主控計算機［3］。

圖5 跟蹤電路板實現框圖

在此電路中，由于按鍵比較多而單片機的I/O端口數目有限，故此采用矩陣式鍵盤設計，如圖6所示的4 ×6 按鍵陣列［5－6］。

圖6 按鍵陣列示意圖

3.2 伺服控制電路

伺服控制板主要完成的功能有按鍵掃描、指示燈控制、數據顯示等，并將按鍵數據實時發送至PC機。為使電路板設計更具模塊化，伺服板設計采用兩塊CPU工作，其中一塊用于按鍵掃描處理及指示燈控制，另一塊用于數據實時顯示，并向PC機發送按鍵數據，實現框圖如圖 7 所示［7－8］。

由于數碼管位數較多，故采用動態掃描的方法進行數據顯示，每次顯示4位，共分3次輪流顯示。單片機在通電時，首先對程序進行初始化，之后進入主程序循環以實時顯示天線方位和俯仰數據。天線數據以中斷的方式傳入單片機，單片機在接受數據時，首先分辨其是方位數據還是俯仰數據，然后分別存至各自緩沖區，最后再返回主程序對其調用顯示之。程序流程如圖8所示。