某型機載電子吊艙維護訓練系統設計

陳鴻+李進杰+高偉+劉雅娟+杜江波

摘 要：針對某型機載電子吊艙維護訓練成本高、組織難、周期長等問題，設計實現了一種基于半實物仿真的維護訓練系統，該系統不僅在外觀、連接和操作上與實裝一致，同時在內部設計了信號仿真、故障設置、狀態采集電路，通過采用通用I/O模塊及RS 485總線主從方式構建遠程測控體系，實現對電子裝備工作狀態的仿真。在此基礎上設計內外場維護訓練平臺，能仿真內外場通電測試中對吊艙的操作控制，可靈活設置故障并真實再現故障現象，實現了對該型吊艙一二線技術保障訓練的全過程仿真。實際應用表明，采用該系統實施吊艙維護訓練能有效節約訓練成本，降低訓練風險，提高訓練效果。

關鍵詞： 維護訓練器； 半實物仿真； 航空電子裝備； 機載電子吊艙

中圖分類號： TN919?34； TP391；V267.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0084?04

Design of maintenance training system for an airborne electronic pod

CHEN Hong1， LI Jin?jie1， GAO Wei1， LIU Ya?juan1， DU Jiang?bo2

（1. Qingdao Branch， Naval Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266071， China；

2. Naval Unit 92492 of the Chinese Peoples Liberation Army， Ledong 572528， China）

Abstract： Since the maintenance training of a certain airborne electronic pod has high cost and long cycle， an airborne electronic pod maintenance training system based on semi?physical simulation was designed. The external form， connection and operation of the system are similar to actual equipment. The signal simulation， fault setting and state acquisition circuits were designed in the maintenance training system. The universal I/O modules and RS 485 bus were adopted to monitor and control these circuits. Based on this remote control structure， the maintenance training platform was established to realize the whole technical support training process simulation. It can simulate testing operations which are identical to actual operations of detection device. It can set typical faults， which are accordant with real faults. The practical application effects show that the system is feasible and efficient for the airborne pod maintenance training.

Keywords： maintenance training device； semi?physical simulation； avionics； airborne electronic pod

某型機載電子吊艙具有技術先進、結構復雜、價格昂貴等特點，相應的測試維修相對復雜，對該型吊艙的技術保障離不開技能嫻熟、維修經驗豐富的地勤人員。但現行的維護訓練通常結合飛行任務并行實施，存在組織實施困難，訓練成本高，對實際裝備有損耗等缺陷，且受到場地、天氣等多種條件制約，訓練時間有限，人員培養周期長。基于虛擬仿真技術或半實物仿真技術的維護訓練系統能夠有效克服結合實裝進行維護訓練帶來的問題[1?2]。其中半實物維修訓練采用物理模型模擬裝備的真實外觀，而在計算機上仿真實現裝備的工作原理。由于半實物訓練平臺具有實裝外形，對其進行維修訓練操作基本與實裝一致，可以給維修人員帶來良好的實踐動手能力訓練，因此在各型航空維修訓練系統中得到了廣泛的應用[3?6]。本文基于半實物仿真方式設計實現了該型機載吊艙維護訓練系統。

1 維護訓練系統功能設計

該機載電子吊艙維護訓練系統滿足一二線技術保障全程訓練需要，具備的功能有：

（1） 內場檢測訓練功能，能夠模擬內場自動測試設備（Automatic Test Equipment，ATE）對仿真吊艙進行數百項詳細性能指標的檢測，用于訓練維護人員內場通電檢測操作技能和指標分析判讀能力。實現的難點是如何根據仿真吊艙的工作狀態、故障設置給出相應的檢測結果。

（2） 外場通電訓練功能，能夠對起掛裝機狀態的仿真吊艙進行機上通電檢查，能模擬機上顯控盒對吊艙的上電、自檢、功能檢查等操作，并給出相應測試結果。用于訓練維護人員機上通電操作技能和外場快速反應能力。

（3） 典型故障設置功能，能夠在仿真吊艙內各外場可更換單元（Line Replaceable Unit，LRU）及連接電纜上設置故障，模擬包括器件故障、線路通斷、性能下降等多種實際工作中常遇到的典型故障，用于訓練維護人員故障分析和排除能力。其難點是如何根據設定的故障，在訓練中仿真出相應的故障現象。

（4） 起掛轉運訓練功能，能滿足仿真吊艙從內場轉運到外場，起掛安裝到機上掛架的操作訓練需要。

（5） 拆卸安裝訓練功能，能滿足對吊艙艙體蒙皮、各LRU的拆裝訓練需要。

2 硬件設計與實現

根據上述系統功能，對該型機載電子吊艙維護訓練系統進行了硬件設計，系統硬件可分為4大部分：半實物仿真吊艙、采集與控制單元、內場檢測平臺、外場機上平臺，如圖1所示。

圖1 吊艙維護訓練系統硬件組成

2.1 半實物仿真吊艙

半實物仿真吊艙采用1∶1比例真實模擬實裝外形，以及內部各LRU的連接和固定方式，能夠替代實裝作為維護訓練時進行通電檢查、安裝拆卸、起掛轉運等，操作難度大、危險系數高、損壞可能性大的實踐動手科目的訓練平臺。半實物仿真吊艙是否逼真，是否具有可操作性，除了外觀與實裝一致外，更重要的是如何模擬內部的各種信號。仿真吊艙內部根據通電檢查、地面檢測、故障設置等維護訓練需要設計了相應的仿真電路，按照作用可分為以下3種：

（1） 信號仿真電路，在一定制作成本下，采用低頻信號替代射頻信號，低功率信號替代高功率信號，RS 485總線替代機上總線等方法建立電子裝備的主信號通路。信號通路的通斷和工作狀態的切換由程控繼電器來控制。

（2） 故障設置電路，用于對LRU或線路的故障狀態進行設置，通過多個故障設置點來設置不同故障狀態，如：良好、失效、性能下降等。

（3） 狀態采集電路，通過在信號檢測點、故障設置點引出采集電路，來實時獲取整個仿真吊艙的工作狀態和故障信息。

同時為了保證仿真的逼真度，所有這3種電路的走線盡量依照實裝電纜實際信號走線，盡量不增加額外線路。

2.2 采集與控制單元

采集與控制單元是仿真吊艙與外場機上平臺和內場檢測平臺實現交聯的關鍵單元。其完成2大功能：一是響應上位機（座艙/檢測工控機）的控制指令（上電、自檢等），改變仿真吊艙的電路工作狀態；二是實時采集仿真吊艙的電路信息（工作狀態、故障狀態等），并上報給上位機。這兩大功能歸結起來，就是實現對半實物吊艙內各電路控制點和狀態采集點上仿真量的監測與控制。這里所謂的仿真量，是指表示電路通斷、連接狀態的數字量，或是表示功率強弱、頻率高低的模擬量。換句話說就是要實現對仿真吊艙內數字量與模擬量的遠程測控。考慮到整個仿真系統測控量較多（超過300個），且測控距離較遠（超過15 m），可采用目前市場上使用比較廣泛的遠程I/O模塊，如：研華公司的ADAM系列、研祥公司的Ark系列、研發公司的DAC8000系列等。這類I/O模塊能夠獨立提供A/D，D/A，DI，DO，數據比較和數據通信等功能，通用性好，可靠性高，價格也比較低。

系統采用RS 485串行異步半雙工通信協議，將多個遠程I/O模塊并聯在一個總線下，以上位機作為主機實現主從式的遠程數據采集控制，如圖2所示。在內場以檢測工控機為上位機，在外場以座艙工控機為上位機，兩者共用該采集與控制單元，以節約成本。而整個采集與控制單元安裝在半實物吊艙內部，經由吊艙脫落插頭對上位機提供統一的RS 485總線接口（工控機一端在COM口安裝RS 232轉RS 485模塊）。

2.3 外場機上平臺

外場機上平臺包括顯控盒、座艙工控機以及機上通用掛架等設備，能夠真實模擬外場機上維護訓練環境，是進行吊艙機上通電檢查、接口檢測、線纜測試、故障排除等科目訓練的硬件平臺。其中，顯控盒實際上是一個人機交互接口，對顯控盒的按鍵監聽和指示燈控制可采用嵌入式單片機來仿真實現。單片機在周期性掃描顯控盒按鍵開關陣列的同時，讀回掃描結果，判斷是否有鍵按下，并計算按鍵編碼，然后將編碼發送到座艙工控機中。座艙工控機為外場機上平臺的信息處理中心，在響應顯控盒上用戶操作的同時，把用戶的操作轉換為指令，通過RS 232轉RS 485總線與采集與控制單元交聯，實現對仿真裝備的通電控制；同時采集仿真裝備的當前工作狀態，在顯控盒和多功能顯示器上顯示對應信息。

2.4 內場檢測平臺

內場檢測平臺能夠模擬ATE的功能，具有與實裝一致的操作界面，能夠對仿真吊艙進行數百項性能指標的詳細檢測，其測試的深入程度是外場機上通電檢查所不能比擬的。仿真實現中，其強大的檢測功能通過運行在檢測工控機的軟件實現。檢測工控機也通過RS 232轉RS 485總線與信息采集與控制單元通信，在檢測過程中根據需要自動發送控制指令，使仿真吊艙工作于某種指定狀態（上電、自檢等），然后采集該狀態下仿真吊艙內各測控點的信息，最后依據這些信息給出對應的檢測結果。

3 軟件設計與實現

在吊艙維護訓練系統中運行的軟件主要有2個：運行在外場機上平臺座艙工控機上的“機上顯控仿真軟件”和運行在內場檢測平臺檢測工控機上的“內場檢測仿真軟件”。

3.1 機上顯控仿真軟件

該軟件是座艙工控機實現機上通電檢查時進行顯示控制的核心，其組成如圖2所示。

圖2 機上顯控仿真軟件組成框圖

機上顯控仿真軟件具備2大功能：

（1） 座艙按鍵響應及顯示控制，通過實時監聽與機上顯控器內單片機交聯的RS 232通信串口，來響應不同地址編碼的按鍵，調用對應的響應函數，如加電、自檢、功能檢查等；同時控制顯控器指示燈的顯示；

（2） 仿真裝備狀態控制與采集，通過RS 232串口通信與采集與控制單元交聯，向仿真吊艙發送各種控制指令，同時循環監聽仿真吊艙的狀態變化，調用對應函數響應該變化。

3.2 內場檢測仿真軟件

內場檢測軟件的模塊組成如圖3所示，其運行流程如下：軟件啟動后，首先初始化各種測試資源，連接仿真吊艙；然后等待用戶操作選擇需要的測試項目，啟動檢測；接著在測試過程中自動控制仿真吊艙的工作狀態，同時由采集到的信息（狀態碼、故障碼等）得出某項具體指標的檢測結果，逐項檢測，逐項給出結果；最后，測試結束時記錄所有檢測結果，并釋放測試資源。

圖3 內場檢測仿真軟件組成框圖

3.3 編程實現

上述2個軟件運行在Windows XP環境下，由C#語言開發實現。軟件采用模塊化設計，從橫向上可分為3個層次：接口層、檢測層、應用層。底層為接口層，實現RS 232串口通信；中間為檢測層，實現仿真吊艙狀態的控制和采集；最上層為應用層，實現具體測試功能和人機交互。由于采用一致的底層硬件結構，因此上述2個軟件可重用接口層與檢測層中的功能模塊，降低軟件開發成本。其中，接口層的RS 232吊艙通信接口采用NET Framework 2.0 類庫包含的 SerialPort 類開發，可方便地實現與仿真設備內采集與控制單元的串口通信。為保證指令傳輸的完整性和正確性，定義了上位機與仿真裝備的通訊協議。協議的格式為：頭+地址+數據正文+校驗，例如：DD AA 01 02 03 EA。串口接收到數據后需按協議解析得到狀態碼，等待檢測層處理。同樣發送控制指令時，需要將指令碼按協議封裝，以便仿真裝備相應地址的控制點響應。接口層串口通信編程實現的核心代碼如下：

private SerialPort Com = new SerialPort（）；

private List buffer = new List（1024）；//接收緩存

private byte[] State_Code = new byte[4]； //接收到的狀態碼

private bool bCodeReceived = false；

Com.DataReceived += Com_Receive； //添加串口接收事件

void Com_Receive（object sender， SerialDataReceivedEventArgs e）

{

int n = Com.BytesToRead； //串口接收到的數據長度

byte[] buf = new byte[n]；

Com.Read（buf， 0， n）； //讀取串口數據

buffer.AddRange（buf）； //把數據放入接收緩存

while （buffer.Count >= 6） //達到一個數據包長度

{

if （buffer[0] == 0xDD） //查找數據頭

{

byte checksum = 0；

for （int i = 0； i < 4； i++）

//異或校驗，確認數據正確

checksum ^= buffer[i]；

if （checksum == buffer[5]）{

//如果數據校驗正確，解析該數據包

buffer.CopyTo（0， State_Code， 1， 4）；

//解包獲取狀態碼

bCodeReceived = true； }

buffer.RemoveRange（0， 5）； //從緩存中移除數據

}

… …

}}

檢測層的裝備狀態采集模塊對采集到的仿真裝備狀態編碼的解析，并調用應用層的響應函數，完成座艙內顯示結果的實時更新，或是得到內場檢測的相應結果。檢測層的裝備狀態控制模塊響應應用層的控制函數，產生對應的控制碼，通過調用接口層的串口發送函數，將指令發送到仿真裝備對應地址控制單元，完成對裝備狀態的控制。檢測層裝備狀態采集與控制模塊編程實現的核心代碼如下：

private void StateAcquisition（） //裝備狀態采集函數

{

if （bCodeReceived） {

Switch（State_Code[0]）{

//依據狀態碼地址，判斷采集點類型

case： 0x01 //發射機

GetTransmitterState（State_Code）；

break；

case： 0x02 //控制器

GetProcessorState（State_Code）；

break；

… … } }

private void timer1_Tick（object sender， System.EventArgs e） //定時函數

{StateAcquisition （）； //不斷循環采集裝備狀態

… …}

4 結 語

本文設計實現了一種基于半實物仿真實現的機載電子吊艙維護訓練系統。該系統的外形和內部結構與實裝一致，具備真實的操作感，能夠滿足對吊艙進行機上通電、內場檢測、拆卸安裝、起掛轉運等訓練的需要，同時擴展了實裝不具備的故障設置功能，從而既能做常規維護操作訓練，又能進行各種突發故障的排除訓練，較大程度上增強了該型機載電子吊艙維護訓練手段，為理論教學與技能訓練的有機結合搭建了良好的平臺。經過實際使用表明，該訓練系統能有效克服實裝訓練中存在的問題，且可擴展性好，使用方便，可靠性高，其設計方法在各型航空電子裝備維護訓練模擬器中具有一定的推廣應用價值。

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