基于AVR單片機的專業設備示教訓練系統設計

由于各種條件限制，專業實裝設備型號、數量遠遠不能滿足教學訓練需求，研制示教訓練系統是運用現代教育技術，采取模擬化、網絡化、形象化的教學手段，解決專業教學訓練中的實際問題，節約教學訓練成本，提高教學訓練質量和效果。

一、示教訓練系統設計原則

專業設備示教訓練系統，研制設計主要遵循以下三條原則。

（一）實用性原則

根據應用單位調研情況和教學實際需求，專業設備示教訓練系統計劃研制出一套集模擬操作、教學演示、訓練效果分析、考核評估于一體的示教訓練系統，用示教設備代替實際設備，實現專業設備的演示教學和操作訓練，在教員演示教學、學員模擬操作、訓練管理和諸要素集成訓練等方面發揮作用。特別是演示教學，可以很地解決實裝體積小、操作項目多、不便于學員觀摩體驗的問題。

（二）先進性原則

目前各級高等院校均在積極研制與使用示教系統，但存在著兼容性差的問題，即某一示教系統往往局限于本專業或者單類設備，與其他示教設備無法實現互聯互通，不能很好地體現專業設備的一體化運用的實際。本系統以“核心平臺通用、軟硬模控結合”為指導思想，研制適用于不同種類、型號示教系統的通用數據交換平臺和訓練管理軟件系統，以硬件模擬與軟件控制相結合的方式，實現教員演示教學、學員操作訓練評判、故障回放定位等功能，具有較強的先進性和很好的發展前景。

（三）經濟性原則

示教訓練系統可以用較少的投入實現與實裝基本一致的操作使用效果，解決學員在訓練中設備缺乏、誤操作多、易損壞設備等實際問題，彌補設備不足的實際，減少對實裝操作的損耗，節約訓練成本。示教系統相對實裝操作訓練而言，其使用和維護成本將大大降低，具有較高的經濟效益。

二、示教訓練系統設計基本思路

根據專業設備實裝工作原理與特點，通過AVR單片機系統編程的方式對實裝的操作流程進行模擬。模擬控制單片機系統安放在示教設備機箱內，通過其自帶的SPI接口連接到ENC28J60以太網控制器中，通過控制器的RJ45接口連接到以太網交換機，管理主機也通過RJ45接口連接到太網交換機上，從而實現各示教設備同管理主機間的以太網連接。

在系統中設置一個管理控制主機，其上設計運行一個示教管理程序，示教設備上的操作信號可以通過交換機傳輸至管理主機，可以實現設備操作軟硬件同步展現；通道管理主機和示教設備上的模擬控制單片機系統相結合控制，可以實現設備單機操作功能的模擬；示教管理程序通過對各示教設備傳來的操作信號進行評判，可以進行信道通斷控制，從而實現設備組網功能。

由于實際設備操作配置較為復雜，同時參訓者的實際配置方法和步驟很難預測，要實現對操作配置結果進行評判，需要考慮設計規劃一個標準的“設備模擬參數配置的數據結構”，完整地存放參訓者的配置結果，一次完整配置訓練將對應產生一個實際的“配置參數對象”，這個“配置參數對象”將通過以太網提交到管理主機中，然后同管理主機中預先產生的標準“配置參數對象”進行比較。如果兩個對象完全相同，就認為參訓者的操作配置結果完全正確，如果兩個對象的數據存在著不同，就說明參訓者的操作配置存在錯誤。

三、示教訓練系統方案設計

示教訓練系統的設計主要包括示教設備機箱內AVR單片機控制系統設計、數據模擬通道控制設計與語音模擬通道控制設計。

（一）AVR單片機控制系統設計

根據專業設備組織結構特點，設計制作示教訓練設備一套，示教設備外形、面板布局、鍵盤操作和液晶屏界面顯示均與實際設備操作、顯示一致，便于學員熟悉設備；系統中示教設備的操作、顯示以及與管理主機的數據交互的控制均由AVR單片機系統來實現，硬件部分控制核心芯片采用AVR128系列單片機。單片機控制模塊置于示教設備機箱內，通過AVR單片機系統編程對示教設備的操作進行模擬響應控制，完成對實裝基本功能的模擬，實現與實裝操作感觀基本一致的操作效果，滿足示教設備單機教學、訓練需求；研制數據、話音模擬信道通模塊，在AVR單片機系統的控制下單片機以太網接口電路、鍵盤按鍵電路和顯示輸出電路等，實現示教設備功能響應與語音通道通斷控制，模擬實裝實話音、數據信號的傳輸。

（二）數據信道模擬設計

采用可編程控制的以太網交換機連接語音、數據終端和管理主機，使用IP技術實現模擬數據通道通斷的控制。

訓練管理主機通過以太網對示教設備的操作情況進行監控和評判，如果進行數據、語音通信的雙方（組網時可以使多方）操作都正確，管理主機通過TELNET程序登陸到交換機的IOS上，將對應終端在交換機上的接入端口打開，從而建立各數據終端間的模擬數據通道。

在數據通信過程中，如有任何一方的操作改變了參數設置，訓練管理主機將監控到該操作并做出判斷；如在實裝中該參數設置更改會引起數據通信的中斷，訓練管理主機將通過TELNET程序向交換機的IOS發出關閉相應模擬數據終端接入端口的指令，從而斷開對應數據終端間的模擬數據通道。

（三）語音信道模擬設計

針對語音信號差的問題，考慮采用VOIP和IP技術對語音通信系統進行模擬實現。各模擬語音終端主要由PCM編/解碼器和VOIP適配器組成，通過VOIP適配器可以將語音信號轉換為標準的IP數據包，各IP終端的接續控制由語音服務器完成。

訓練管理主機通過以太網對操作者的操作情況進行監控和評判，如果進行語音通信的雙方（組網時可以使多方）操作都正確，管理主機通過以太網向語音服務器發送指令，使各語音終端間建立模擬語音通道。在語音通信過程中，如有任何一方的操作（有意或無意）改變了參數設置，訓練管理主機將監控到該操作并作出判斷（如在實裝中該參數設置更改會引起通信的中斷），訓練管理主機將向語音服務器發送中斷語音通信的指令，各終端間的IP語音通道斷開。

（作者單位：二炮工程大學士官學院）