線導魚雷模擬器的改進設計

毛向輝, 葉慧娟, 張 寧

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線導魚雷模擬器的改進設計

毛向輝, 葉慧娟, 張 寧

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了滿足作戰訓練需求, 對某型線導魚雷模擬器進行了改進設計。模擬器的設計基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)和C++ Builder, 采用“工控機+ISA總線+CPLD+上位機軟件”結構。在分析了已列裝的該型魚雷模擬器所存在的缺陷基礎上, 提出了新型模擬器的功能需求以及總體設計方案, 根據功能需求, 從硬件和軟件兩方面對模擬器進行設計: 硬件部分包括接口電路以及聯接ISA總線和接口電路的橋接電路; 軟件部分采用C++ Builder進行開發, 通過Win IO函數實現對底層硬件的驅動。改進后的模擬器在試用過程中取得了良好的效果, 其主要技術性能達到了設計要求。

線導魚雷; 模擬器; C++ Builder; 可編程邏輯器件

0 引言

為解決某型線導魚雷實際訓練使用中出現的問題, 研制了該型魚雷的模擬器。然而伴隨著對該型魚雷認知程度的不斷加深, 以及對該型魚雷保障能力要求的不斷提高, 現有的功能比較單一的模擬器已不能滿足實際需求。

因此, 本文在分析了現有模擬器所存在缺陷的基礎上, 提出了新型模擬器的功能需求和總體設計方案, 并從硬件和軟件兩方面進行了設計。根據設計方案研制的模擬器在交付部隊試用過程中取得了良好的效果, 證明了新型模擬器的實用價值。

1 新型模擬器的功能需求與總體設計

線導魚雷模擬器用于與艇上線導系統對接后, 模擬線導魚雷接收線導指令并根據指令要求回復魚雷狀態信息。

現有的該型魚雷模擬器在與艇上線導系統對接進行魚雷操控訓練時, 該模擬器僅具備模擬魚雷與線導顯控臺(以下簡稱“顯控臺”)之間的雙向通信功能; 而缺乏對該型魚雷全彈道的評估手段, 即只能根據顯控臺推算顯示的魚雷彈道進行評估, 而無法獲取魚雷的實際彈道; 也缺乏對導引數據的分析手段, 即通常情況下只能在導引結束后根據線導顯控臺記錄的采樣數據進行線導導引過程的分析, 無法直接獲取魚雷與顯控臺之間的實時交換數據。

因此, 針對現有模擬器功能上的缺陷, 改進的模擬器的功能需求如下。

1.1 模擬器功能需求分析

1) 通信功能

模擬器可以直接與艇上線導系統相連接, 完成顯控臺與魚雷之間的通信: 接收顯控臺發送給魚雷的線導指令信息, 發送魚雷返回給顯控臺的魚雷狀態信息。

2) 模擬本艇和目標功能

輸入目標、本艇運動參數以及魚雷的設定參數, 模擬器可以模擬本艇和目標運動, 并可以根據魚雷探測性能參數, 在魚雷和目標滿足捕獲要求時, 控制魚雷進入“自導捕獲”狀態。

3) 模擬魚雷功能

模擬器可以替代實雷, 在線導導引階段按照顯控臺的線導控制指令進行魚雷航向、航速或狀態的解算, 在自導導引階段按照魚雷自導導引算法解算魚雷航向進行自主控制。

4) 繪制彈道功能

模擬器可以按照解算的魚雷運動參數繪制魚雷彈道[1]并輸出顯示, 便于與顯控臺所顯示的彈道進行對比。

5) 數據顯示及記錄功能

裝置可以按照通信周期實時顯示并記錄顯控臺發送的指令和航向控制信息、魚雷坐標、魚雷航向/航速以及魚雷狀態信息, 所記錄數據可在試驗后與顯控臺的記錄數據進行對比, 用于彈道分析。

1.2 模擬器總體方案

模擬器總體可分為硬件和軟件兩部分。硬件部分以下翻Ⅱ型加固便攜工控機為基礎, 通過ISA總線與安裝在工控機擴展槽內的接口板進行數據交換, 接口板包括橋接電路和接口電路兩部分[2]; 軟件部分負責處理通過接口板的通信數據、解算魚雷運動參數、繪制魚雷彈道以及記錄通信數據等。模擬器的總體結構圖如圖1所示。

圖1 改進型模擬器總體結構圖

模擬器的設計包含以下特點:

1) 采用并行數據接口, 可以與艇上線導系統的并行數據接口相匹配。

2) 接口電路設計采用與艇上線導系統相同的電路結構, 電氣兼容性良好。

3) 選用具備ISA總線接口的工控機, 通過I/O底層驅動實現軟硬件數據交互。

4) 對線導魚雷的導引采用雷上原有的算法。

2 硬件設計

2.1 總體設計

模擬器硬件框圖如圖2所示。

圖2 改進型模擬器的硬件框圖

ISA總線與接口電路的橋接通過complex programmable logic device(CPLD)來完成, 橋接電路包括譯碼電路、輸入輸出寄存器、輸入輸出緩沖器3個部分; 接口電路通過光耦輸入模塊直接接收來自并行數據接口的線導指令和航向控制信息, 通過繼電器輸出模塊將線導魚雷的狀態、航向和航速信息直接輸送到并行數據接口[3]。

模擬器所采用的工控機應帶有工業標準ISA總線(ISA總線是成熟的工業標準總線, 最高工作頻率為8 MHz, 數據傳輸速率可達16 MB/s), 其系統平臺采用Windows XP。

8月1日，國家糧食和物資儲備局召開“深化改革、轉型發展”大討論活動總結大會，對糧食和物資儲備系統深化改革、轉型發展進行部署。國家糧食和物資儲備局黨組書記、局長張務鋒要求：著力構建統一的國家物資儲備體系；大力實施國家糧食安全戰略；不斷提高應對突發事件的能力；全面加強糧食流通和物資儲備基礎設施建設，建好、用好儲備設施，加快信息化建設，強化科技創新引領；加快提升依法管糧、管儲水平。

2.2 橋接電路設計

1) 地址分配和引腳定義

采用CPLD可編程電路作為ISA總線的橋接電路, 完成對ISA總線地址的譯碼和地址分配, 地址分為2個地址段, 分別為讀地址段和寫地址段, 具體地址含義如表1所示。

表1 可編程邏輯器件地址表

每個地址對應1個輸入或輸出端口, 輸入端口完成對線導指令和航向控制信息的接收, 輸出端口完成線導魚雷信息的輸出。數字可編程器件引腳與信號對應關系如表2所示。

表2 可編程器件引腳定義

2) 功能結構

CPLD的內部功能模塊包括譯碼電路、輸入寄存器、輸入寄存器、輸入緩沖器和輸出緩沖器。ISA總線常用的地址線為A0~A9, 共10位寬度, 這里將A4~A9作為某型線導魚雷模擬器擴展板的基地址, A0~A3作為偏移地址, 譯碼電路采用1個3線8線譯碼模塊作為地址譯碼電路, 譯碼電路輸出的低四位作為寫地址段, 高四位作為讀地址段。輸入輸出接口各由3個8Bit的觸發器構成, 輸入輸出緩沖器分別接入到對應的寄存器上[4]。可編程邏輯器件原理框圖如圖3所示。

圖3 可編程邏輯器件原理框圖

可編程邏輯器件選用Xilinx公司的XC95288- HQ208, 利用該公司的XISE12.1可編程器件設計軟件。在完成原理圖輸入/輸出和功能時序仿真后, 通過開發平臺自動完成編譯、元件布局和邏輯走線并生成邏輯配置文件。邏輯配置文件通過JTAG接口下載到器件后, 完成CPLD設計[5]。

2.3 接口電路設計

接口電路分輸入輸出2個部分, 可直接采用與線導系統相同的光耦輸入模塊作為接口電路的輸入接口模塊; 輸出接口模塊采用繼電器方式輸出, 確保其與線導魚雷通信接口具有完全相同的電氣特性[6]。

輸出接口模塊的某一路輸出電路的原理圖如圖4所示。

圖4 繼電器輸出模塊電路原理圖

3 軟件設計

3.1 軟件結構

模擬器軟件結構如圖5所示。

圖5 模擬器軟件結構圖

在手動裝訂相關參數的基礎上, 通過Win IO函數, 模擬器軟件可以獲取硬件電路通過并行數據接口接收到的指令信息, 按照指令內容同時根據預定的算法解算魚雷運動參數, 繪制魚雷彈道, 再次通過Win IO函數驅動硬件電路按要求向顯控臺發送魚雷信息。

3.2 功能模塊劃分

模擬器軟件按照功能應包含以下模塊, 如表3所示。

1) 橋接芯片驅動模塊

橋接芯片的驅動為底層硬件的驅動, 采用Win IO函數庫開發。Win IO作為1個專門操作I/O端口的第3函數方庫, 通過該庫可以直接在Windows上方便的操作I/O端口而不需要操作復雜的API函數。Win IO對I/O的操作只需要“讀”和“寫”2個函數就可以完成。

2) 線導魚雷模擬模塊

線導魚雷模擬模塊的主要功能是根據輸入的目標類型, 選擇針對該類型的目標的導引算法, 模擬發射后, 模塊可以模擬線導魚雷從發射到命中目標的一系列動作, 同時完成和艇上線導系統的信息交換。

表3 模擬器軟件模塊組成

4 模擬器的應用

模擬器與艇上線導系統對接示意圖如圖6所示。

圖6 模擬器與線導系統對接示意圖

模擬器通過并行數據接口與線導信號轉發設備進行對接, 以接入線導系統。模擬器啟動后, 將根據線導指令執行相應的運算操作[7]。

模擬器的運行流程如圖7所示。

模擬器與艇上線導系統對接后, 在其軟件界面設置與顯控臺相同的本艇和目標參數, 并將發射前顯控臺解算的參數輸入到模擬器中; 在接收到顯控臺下達的“發射”指令后, 模擬器模擬發射魚雷; 在線導導引過程中, 模擬器通過并行接口接收線導控制指令, 其線導魚雷模擬模塊按照指令內容同時根據預定的算法解算魚雷運動參數, 繪制魚雷彈道, 并根據指令要求將魚雷信息通過并行接口回復給顯控臺(此間, 顯控臺會按照通信周期向模擬器發送同步信號, 以保證指令的完整性); 同時根據需求將模擬器與艇上線導系統的通信數據按照通信周期實時顯示; 在接收到顯控臺下達的“線導結束”指令時, 模擬器完成模擬魚雷任務, 停止解算魚雷參數并以文檔形式保存數據。

在該型魚雷的操控訓練過程中, 所使用的改進后的模擬器在現有模擬器功能的基礎上, 實現了解算魚雷自導階段運動、繪制魚雷實際彈道和實時顯示并記錄線導通信數據等功能, 所記錄的通信數據可用于該型魚雷操控訓練效果評估和線導過程異常現象分析。

5 結束語

本文從作戰訓練需求出發, 在分析現有的該型線導魚雷模擬器所具備功能的基礎上, 提出了改進設計的總體方案; 從硬件設計和軟件設計兩個方面對此方案進行了闡述; 最后對模擬器的接入方法及工作流程等進行了總結。

所設計的模擬器已投入該型魚雷的操控訓練中, 并且取得了良好的效果。相對于操雷實射而言, 線導魚雷模擬器的研制使得潛艇部隊在潛艇系泊狀態下即可進行魚雷的操控訓練, 不限于海況條件和訓練頻率, 且在一定程度上節約了訓練經費, 達到了低成本高效率的戰斗力生成要求。同時該模擬器在原有模擬器基礎上進行的功能改進有利于該型魚雷的作戰訓練保障及其配套線導系統性能的檢測。所設計模擬器的主要技術性能達到了設計要求, 且具有較高的實用價值。

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(責任編輯: 許 妍)

Improvement of Wire-guided Torpedo Simulator

MAO Xiang-huiYE Hui-juanZHANG Ning

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To meet the requirement of battle and training, the conventional wire-guided torpedo simulator was improved. The improvement is based on complex programmable logic device (CPLD) and C++ Builder, and adopts the structure of “industrial personal computer(IPC)+ISA bus+ CPLD+ personal computer(PC) software”. By analyzing the shortcomings of the conventional simulator, the functional requirement and general design scheme of the improved simulator were put forward. The improvement concerns two aspects: 1) an interface circuit and a bridge circuit used for connecting the interface circuit and the ISA bus are employed for the hardware; and 2) the software is developed with the C++ Builder to drive the hardware through the Win IO function. This improved wire-guided torpedo simulator showed satisfactory effectiveness in trial stage, and its main performance parameters met the design requirement.

wire-guided torpedo; simulator; C++ Builder; complex programmable logic device

TJ631.4

A

1673-1948(2014)05-0385-05

2014-07-10;

2014-08-18.

毛向輝(1990-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為武器系統應用與保障.