平臺式慣導模擬器電路設計需求分析

戰興華 胡柏青 張光俊 魯 鑫

（海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）

1 引言

慣性導航系統是一種自主式導航系統，其工作環境已經覆蓋陸、海、空領域，并且已經成為艦船領航中一種非常重要的機載設備［1～5］。由于直接在海上進行實裝慣導系統設備操作訓練存在著成本高、風險大、周期長和降低設備使用壽命等方面的一系列問題，還容易受到海面環境、氣象等條件的限制［6～9］。因此，利用模擬器對艦船人員進行訓練已經成為艦船技術人員培養的重要手段。通過模擬器對艦船人員進行操作訓練，不但可以彌補理論與實踐環節在銜接過程中相脫節的問題，還可以使學員充分掌握實際操作程序與方法，大大地提高教學效果［10～12］。

慣導模擬器以某型慣導系統為對象，設計具有操作、維修訓練及考核功能的慣性導航模擬操作系統。該系統硬件主要模擬慣導系統顯控測量裝置（DCTU）、慣性測量裝置（IMU）以及模擬萬用表、示波器的模擬檢測儀（STE）等重要組成部分，系統結構示意圖如圖1所示。

2 慣導模擬器組成與各部分基礎功能

某型慣導系統由慣性測量裝置（IMU）、顯控發送裝置（DCTU）和超隔離變壓器三部分組成。由于后者與主要功能關系不大，不作為突出重點，模擬裝置僅考慮IMU和DCTU。為向用戶提供真實的使用體驗，IMU和DCTU均采用實物模型實現，并且要求所呈現的內容與實裝一致，即所用顯示屏、指示燈、蜂鳴器、風扇、開關和鍵盤等與實裝型號一致；檢測孔信息與實際相符。除機械結構、電氣類零部件和某些電路模塊與實裝保持一致外，模擬裝置也要具備模擬實裝慣導系統的日常使用、維護和故障排除考核等功能，使得模擬裝置能夠完全模擬某型慣導系統的真實操作情況［13～14］。

圖1 慣導模擬系統結構示意圖

數字萬用表和示波器都是電路故障診斷中最為常用的儀器設備［15］，某型慣導系統在進行實操過程中也毫不例外地會應用到數字萬用表和示波器等測試儀器。而數字萬用表和示波器的價格比較高，又是易損耗設備，如果在模擬操作過程中仍使用真實的測試儀器會大大增加訓練成本。因此，為了降低儀器設備成本、增加操作靈活性與簡易性，同時還要具備實操的操作體驗與相關儀器的基本功能，慣導模擬器還要具有一個可以物理模擬萬用表與示波器基礎功能的、獨立于DCTU與IMU裝置的模擬檢測儀（STE）。

3 設計需求分析

根據上述內容中提出的系統實物模擬要求，慣導模擬器應具備DCTU、IMU和STE三種裝置，且任一裝置都要具備與實裝慣導模擬系統或故障診斷儀器相同的功能與操作體驗。為了逐項完善慣導模擬器的相應功能、為硬件電路和軟件系統的設計提供方向、提高慣導模擬器的可靠性、功能完整性和魯棒性，下面將針對DCTU、IMU和STE三種裝置的設計需求進行闡述。

3.1 DCTU設計需求

DCTU作為慣導模擬器的顯控測量裝置，是系統中重要部件之一，可為相關受訓或考核人員提供慣導系統日常使用、維護和故障排除考核等實際操作環境。DCTU需要接收來自主控機的控制指令，并根據指令執行一系列動作；DCTU具有模擬故障診斷功能的電路模塊，可以為受訓人員提供真實的訓練環境；故障信息、設備狀態信息、模擬訓練環境下的船舶導航信息以及主控機的指令信息都需要通過DCTU的顯示屏進行顯示；DCTU還可以將工作狀態信息通過網線上傳到主控機中。

根據某型慣導系統的實際功能需求，設計DCTU結構框圖如圖2所示：DCTU包含供電電路、工控機、顯示屏、鍵盤、旋鈕開關和具有信號采集、控制輸出、電源輸出等功能的電路模塊。

圖2 DCTU結構框圖

其中供電電路需要將220V50Hz市電轉換成各個電路模塊工作所需要的不同規格的直流電（12V、24V、5V、3.3V）；具有控制輸出功能的電路模塊需要實現對風扇、蜂鳴器、LED、繼電器等器件的控制；具有信號輸入采集功能的電路模塊最多可支持16路信號輸入接口，并在任意一個信號輸入接口有信號接入后的50ms時間內將信號的頻率參數、指代信息、接口地址等數據通過總線上傳到工控機中，具有該功能的電路模塊則用于模擬故障診斷的實操環境；工控機作為檢測與控制的工具，它需要收集來自各個電路模塊的實時工作狀態信息以及鍵盤和旋鈕開關的動作編碼，并將數據上傳到主控機中，控制顯示器進行數據顯示。同時主控機向工控機發送控制指令，再由工控機通過總線傳輸到指定電路模塊；顯示屏用來為操作人員提供模擬當前操作情景下的導航信息、儀器裝置與設備的故障信息、主控機發出的指令信息和設備內部各模塊電路上電自檢狀態信息的顯示。

3.2 IMU設計需求

IMU與DCTU相比較，除不需要工控機、顯示屏、鍵盤和蜂鳴器等設備外，其他電路部分與DCUT有著相同的功能要求。即需要具有供電電路和具有信號采集、控制輸出、電源輸出等功能的電路模塊。而各個電路模塊的實時工作狀態信息則要通過總線上傳到DCTU內部的工控機中，同時也可以接受來自工控機的控制指令。因此，在設計IMU時，其內部電路與DCTU電路有著很強的通用性，除部分電路板尺寸和數量不統一外，在功能上是保持一致的。

3.3 STE設計需求

為了解決慣導模擬器在日常使用、維護和故障排除訓練過程中，使用真實數字萬用表與示波器所存在的易損耗和儀器設備成本高等問題，本論文提出了一種可以物理模擬萬用表、示波器等檢測儀器的相關功能的模擬檢測儀的設計——STE。

STE可以模擬萬用表V/Ω（電壓/電阻）檔和A（電流）檔的功能，還可以模擬具有兩個測試通道CH1（通道1）和CH2（通道2）的示波器的功能。即STE應包含4個萬用表接入表筆的輸入端子（分別表示為A、B、C、D）和2組示波器接入通道探頭的輸入接口（分別為CH1和CH2的探頭接口與GND接口）。STE面板示意圖如圖3所示。

圖3 STE面板示意圖

真實的萬用表和示波器的操作面板上都有著豐富的按鍵或旋鈕等，且分別對應著不同的操作功能。但是STE為了簡化設計、降低成本，同時增加操作的靈活性與穩定性，模擬儀器功能的選擇與切換都是通過上位機的軟面板來進行配置。例如：在軟面板上可以選擇STE工作的模式、檔位和所要模擬測量的參數的大小等。而不同模擬故障參數測量的功能，則是通過在不同的探頭或表記接入端口發出頻率互不相同的方波信號來實現的。STE結構框圖如圖4所示。STE包含供電電路、方波信號產生電路、單片機控制電路、信號輸出整波電路、USB通信接口和信號輸入端口等多個模塊。

其中供電電路是DC-DC直流穩壓電路，STE的電能來源于DCTU內部開關電源的輸出，DC-DC直流穩壓電路則是把開關電源的輸出電壓轉變為STE工作所需的電壓；單片機控制電路具備USB通信接口，通過該接口與計算機進行數據通信。即在計算機的軟面板上對STE的模擬參數進行配置，通過USB接口發送到單片機內，單片機則根據指令控制STE其他部分電路做出相應的動作。單片機還負責監測方波信號產生電路的工作狀態；方波信號產生電路則根據單片機發出的控制指令來產生多路相應頻率的方波信號，信號輸出整波電路作為信號輸出部分的緩沖級與隔離級，保護方波信號產生電路不被反向電流、電壓燒毀的同時又可以增強方波信號的長距離傳輸能力。

圖4 STE結構框圖

4 結語

本文首先介紹了慣導模擬器的設計目的及意義，并對其整體系統進行了簡要的介紹，說明了慣導模擬器的組成和各部分設備的基礎功能。然后闡述了系統實物模擬的相關要求：模擬裝置僅考慮IMU和DCTU，為向用戶提供真實的使用體驗，IMU和DCTU均采用實物模型實現，并且要求所呈現的內容與實裝一致。同時為了降低訓練成本、增加操作靈活性與簡易性，設計STE來物理模擬數字萬用表和示波器在故障檢測中的相關功能。最后根據系統實物模擬要求，將模擬檢測儀的設計分成三了部分，DCTU、IMU和STE，并針對每一個儀器設備的設計需求都進行了系統級的闡述。