車輛綜合電子信息技術教學平臺設計與實踐

王偉達，閆清東，宋小慶，李宏才，魏 巍，徐麗麗

車輛綜合電子信息技術教學平臺設計與實踐

王偉達1，閆清東1，宋小慶2，李宏才1，魏 巍1，徐麗麗1

（1. 北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2. 陸軍裝甲兵學院 電氣工程系，北京 100072）

針對車輛綜合電子信息技術課程的教學需要，研制了車輛綜合電子信息技術教學演示與操作實驗平臺，完成了教學實驗平臺的架構設計、軟硬件設計及教學實驗設計，并基于該教學平臺開展了教學實驗。教學實踐表明，通過該教學平臺的使用，教學效果大大提升。

車輛綜合電子信息技術；教學實驗平臺；軟硬件設計；實踐教學

車輛綜合電子信息技術（簡稱綜電技術）是坦克裝甲車輛平臺信息化的基礎和核心，直接影響坦克裝甲車輛信息化水平和戰術性能，是當前坦克裝甲車輛重點發展的核心技術之一。鑒于我國裝備研制正處于從機械化向信息化轉型階段，對發展綜電技術的需求更為迫切[1-3]。基于我校裝甲車輛工程專業“坦克構造與設計”已有的車輛綜電相關技術[4]內容，近來專門開設了“車輛綜合電子信息技術”專業選修課。但由于坦克裝甲車輛本身的特殊性和保密性，學生在日常生活中很難接觸到，且電子信息技術本身也較為抽象，不利于學生在直觀印象基礎上建構知識體系并深入理解。而利用教學平臺輔助教學及開展實踐教學，則為這一問題的解決提供了新的思路[5]。文獻[6]將教學型虛擬實驗室的應用研究分為設計、開發與實現、教學應用實踐、調查與評價4個方面，總結了我國虛擬實驗室應用研究與國外的區別和差距。文獻[7]提出采用虛擬儀器技術開發多功能電子技術類綜合教學實驗平臺，達到激發學生學習熱情、實現對學生創造性思維能力培養的目標。文獻[8]研究了新型智能化教學設備“DGN坦克火控教學模擬系統”，能夠模擬實車上火控系統的全部功能，對坦克火控系統組成和工作原理教學的輔助效果良好。我校裝甲車輛工程專業在計算機和實驗平臺輔助教學方面也做了很多工作：將三維視景仿真技術引入實踐教學；進行坦克構造與設計的視景仿真虛擬實驗教學；開發虛擬實驗室教學信息平臺系統等[9-12]。以下介紹我校綜電課程教研組和陸軍裝甲兵學院合作設計開發的車輛綜合電子信息技術教學演示與操作實驗平臺（簡稱綜電教學平臺）。

1 綜電教學平臺架構設計

當代坦克裝甲車輛發展面臨多方面挑戰，車載電子電氣設備急劇增多，車內空間又極其有限，在此背景下，坦克裝甲車輛綜合電子信息技術應運而生[13]，旨在實現對信息的綜合和對功能的綜合。綜電系統為開放體系結構，它以數據總線為核心，將車內原有的電子、電氣系統與新增的指揮、控制、計算機、情報監視、偵查等設備或子系統綜合成一個大系統，形成分布式計算機網絡，以單車為基點實現指揮自動化，并通過車際信息系統與上級電子信息系統相連，實現車內、車際信息共享。典型的車輛綜電系統拓撲結構如圖1所示[14]。

圖1 典型車輛綜電系統拓撲結構

“車輛綜合電子信息技術”課程的教學重點為綜電系統的控制功能和信息傳輸，所以在進行綜電教學平臺方案設計時，采用了計算機軟件模擬方法來模擬綜電系統的各功能子系統。在界面中可以顯示各子系統需要顯示的信息、功能展示、操作部件、操作步驟等，從而使功能、操作和信息等實現了可視化。各子系統模擬界面在臺式計算機中運行，各計算機之間通過綜電系統中常用的控制器局域網（CAN）總線連接。計算機和CAN總線網絡之間通過USB/CAN總線接口卡連接，其中接口卡的功能是對計算機可以讀取的USB信號和CAN總線信號進行雙向轉換與傳輸。

考慮到教學平臺的通用性要求，對常見的坦克裝甲車輛配置的電子電氣系統進行了整理，教學平臺對如下電子電氣子系統進行了軟件模擬：駕駛員仿真終端、車長仿真終端、炮長仿真終端、底盤電氣設備仿真終端、炮塔電氣設備仿真終端，各個終端為電子計算機及模擬界面軟件。為協調整個教學平臺的工作，設置了主控終端，對整車的外形與行駛進行模擬；設置了視景仿真終端，對總線傳輸進行設定與數據顯示；此外還設置了消息監控終端。綜電教學平臺的方案拓撲如圖2所示。

圖2 綜電教學平臺的方案拓撲

2 綜電教學平臺軟硬件設計

2.1 綜電教學平臺整體框架

車輛綜合電子系統教學平臺是通過CAN總線和仿真計算機構建而成的，集功能仿真、操作訓練及故障診斷于一體的網絡化教學平臺。教學平臺整體實物照片如圖3所示。

圖3 平臺整體實物圖

仿真終端整體設計為封閉式結構。每個仿真終端包括獨立的仿真終端機箱、CAN卡（PCI-9810）、電源、啟動開關、CAN傳輸介質、測試接口等部分。在8個仿真終端架中，除了主控終端上附加了電源總開關、空氣保護開關及交流接觸器外，其他配件均相同。

2.2 乘員模擬操作設備說明

駕駛員、車長及炮長需要通過相應的乘員模擬操作裝置完成對實驗平臺的控制。

（1）駕駛員方向盤。駕駛員可以通過方向盤完成對車輛轉向、擋位變換以及停車的控制。模擬方向盤各功能按鈕包括：一擋、二擋、三擋、四擋、五擋、六擋、停車、倒車。

（2）車長操縱桿。車長可以通過操縱桿完成對自動裝填、激光測距和火炮射擊的控制。模擬車長操縱桿各功能按鈕包括：炮射擊、測距、裝填。

（3）炮長操縱桿。炮長可以通過操縱桿完成對自動裝填、激光測距、機槍射擊和火炮射擊的控制。模擬炮長操縱桿各功能按鈕包括：炮射擊、測距、裝填、機槍射擊。

2.3 典型終端的軟件模擬界面

（1）視景仿真終端。視景仿真終端運行后，單擊“進入三維場景”按鈕進入視景仿真終端，如圖4所示，按Esc 鍵退出視景仿真終端。

（2）消息監控終端。消息監控終端用于在線監控教學平臺上運行的參數。消息監控終端啟動后，進入消息監控界面。顯示界面實時監控平臺上的總線負載、幀數據、幀信息，以及通過繪圖區在線顯示發動機轉速、電流、電壓和車速等參數曲線。

圖4 視景仿真終端

（3）底盤電氣設備終端。底盤電氣設備終端啟動后，點擊“進入”按鈕后，出現底盤電氣設備終端主界面。

（4）炮塔電氣設備仿真終端。炮塔電氣設備仿真終端啟動后，點擊“進入”按鈕，出現炮塔電氣設備終端主界面。

3 綜電教學平臺的教學實踐

3.1 教學操作實驗設置

3.1.1 車輛綜合電子系統功能演示實驗

通過綜合電子系統功能演示，加深學生對綜合電子系統的感性認識，進一步理解車輛綜合電子系統綜合化實質和系統綜合設計方法，啟發學生對車輛電氣電子系統的功能進行綜合化初步探究。

實驗內容為以某車輛綜合電子系統為對象，進行以下功能演示：（1）啟動前準備；（2）程控啟動； （3）手控行駛；（4）電氣聯合啟動；（5）車輛起步；（6）車輛行駛；（7）炮長終端上電；（8）炮長調炮；（9）炮長射擊；（10）車長超越調炮；（11）車長射擊；（12）停車。

3.1.2 車輛綜合電子系統操作訓練實驗

通過對車輛綜合電子系統的操作訓練實驗，使學生了解并掌握基于車輛電子綜合化模式下的嵌入式乘員操作訓練功能和在線故障診斷功能。

實驗內容為以某車輛綜合電子系統為對象，進行以下科目的操作訓練實驗：（1）駕駛員操作訓練，包括啟動前準備、啟動、起步、行駛、停車、熄火； （2）車長操作訓練，包括超越調炮、車長射擊訓練、車長指揮；（3）炮長操作訓練，包括系統訓練、校炮訓練、炮長射擊訓練；（4）綜合操作訓練實驗，包括啟動前準備、程控啟動、火控系統通電、起步、行駛、左轉、炮長射擊、超越調炮、車長射擊、預計停車、熄火；（5）在線故障設置與診斷，包括武器綜合控制網設備故障設置、底盤綜合控制網設備故障設置，并應在操作訓練中運行。

3.1.3 CAN通信協議分析實驗

通過測試CAN 總線通信波形，進行CAN 總線協議分析，加深對CAN 總線協議的理解和認識。

實驗內容為對教學平臺CAN總線通信波形進行測試與分析。主要步驟為：（1）啟動教學平臺；（2）將示波器探頭接通仿真平臺上的任何一個CAN總線測試；（3）參照示波器操作說明手冊，進行波形捕獲與實時記錄；（4）通過示波器采集的波形和記錄的數據，對應分析CAN總線協議中電平信號及編碼方式； （5）根據CAN 總線2.0協議，配合消息監控終端兩個定時器值，計算通信速率，并解析示波器上的數值。

3.2 教學實驗過程操作

3.2.1 主控終端操作

平臺啟動完成后，各仿真終端進入相應主界面。平臺可在功能演示、操作訓練等模式下分別通過CAN總線網絡進行相應操作。

（1）系統管理。主要針對系統管理員和操作人員的權限進行設置，包括系統幫助等功能。

（2）平臺管理。包括“平臺構建”“聯通測試”“平臺復位”等功能。其中，“平臺構建”通過選擇相應車型，由平臺網絡自動進行綜合電子系統仿真平臺構建；“聯通測試”可以測試各終端的連接情況；“平臺復位”可使系統平臺無論在什么狀態下，都能立刻恢復到初始位置和狀態。

（3）任務指令。任務指令是主控終端的核心，主要包括“功能演示”“操作訓練”“故障設置”和“三防滅火”。

3.2.2 功能演示

在功能演示界面中，點擊“啟動前準備”“程控啟動”等指令按鈕，即可啟動相應的演示程序進行演示，如圖5所示。

圖5 功能演示界面

3.2.3 操作訓練

分為“駕駛員操作訓練”“車長操作訓練”“炮長操作訓練”和“綜合操作訓練”等內容。其中，“駕駛員操作訓練”包括啟動前準備、啟動、起步、行駛、熄火、停車等操作訓練內容；“炮長操作訓練”包括系統通電、校炮訓練、炮長射擊訓練等操作訓練內容；“車長操作訓練”包括超越調炮、車長射擊訓練、車長指揮等操作訓練內容；“綜合操作訓練”則是對以上各個分步操作訓練的綜合練習，使所有乘員能夠協調配合工作。

3.2.4 故障設置

故障設置用來進行故障參數的虛擬設置。炮長終端故障設置的界面如圖6所示。學生可在設置界面上任意設置故障參數，也可通過“隨機產生生成故障號”的方式設置故障參數，相應的終端設備會產生故障。

圖6 炮長終端故障設置

3.2.5 數據查詢

數據查詢包括“操作結果查詢”和“故障記錄”，主要對乘員操作情況進行評價打分，并對在操作過程中產生的設備故障進行記錄。

4 結語

針對裝甲車輛工程本科專業選修課“車輛綜合電子信息技術”，設計了車輛綜合電子信息系統教學演示與操作實驗平臺。平臺具備綜合系統演示與實際操作功能，很好地滿足了教學實踐需求。

通過綜電教學平臺，可以完成車輛綜合電子系統功能演示實驗、車輛綜合電子系統操作訓練實驗、CAN通信協議分析實驗等，旨在加深學生對綜合電子系統的感性認識。通過對車輛綜電系統的實際操作及總線網絡的設計模擬，能使學生獲得對于綜電系統的直觀感受，理解車輛綜合電子系統的綜合化實質和綜合設計方法，啟發學生對車輛電氣電子系統功能的綜合化進行探究。

[1] 毛明，劉勇，胡建軍.坦克裝甲車輛綜合電子信息系統的總體設計研究[J].兵工學報，2017, 38(6): 1192–1202.

[2] 李燕安.裝甲車輛綜合電子技術綜述[J].國防技術基礎，2009(12): 44–46.

[3] BLASCH E, PACES P, KOSTEK P, et al. Summary of avionics technologies[J]. IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine, 2015, 30(9): 6–11.

[4] 閆清東，張連第，趙毓芹，等.坦克構造與設計[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[5] 郭桂蘋，南岳松.虛擬實驗教學研究現狀及問題分析[J].實驗室科學，2010, 13(5): 175–178.

[6] 汪航，孫琪.教學型虛擬實驗室的應用研究[J].現代遠距離教育,2010(4): 39–41.

[7] 周又平，梅長彤，徐慧.虛擬儀器教學實驗平臺在電子技術類課程的應用[J]. 實驗技術與管理，2006, 23(3): 73–75.

[8] 朱競夫，趙碧君，楊忠國，等.新型智能化教學設備：DGN坦克火控教學模擬系統[J].裝甲兵工程學院學報，1995, 9(2): 52–57.

[9] 李宏才，閆清東，王濤.三維視景仿真技術在實踐教學中的應用研究[J].實驗技術與管理，2010, 27(10): 94–97, 100.

[10] 姚壽文，陳巖.坦克構造與設計的視景仿真虛擬實驗教學研究[J].實驗技術與管理，2013, 30(2): 86–89.

[11] 魏巍，陶文錦，閆清東.基于視景仿真技術的虛擬實驗室教學信息平臺系統[J]. 實驗技術與管理，2010, 27(3): 78–81.

[12] 王濤，李宏才，閆清東.車輛綜合傳動裝置虛擬裝配研究[J].車輛與動力技術，2009(4): 16–19.

[13] 陳正捷，陳志昊，張淺秋.坦克電子綜合化[M].北京：兵器工業出版社，2006.

[14] 宋小慶.軍用車輛綜合電子系統總線網絡[M].北京：國防工業出版社，2010.

Design and practice on teaching platform for vehicle integrated electronic information technology

WAGN Weida1, YAN Qingdong1, SONG Xiaoqing2, LI Hongcai1, WEI Wei1, XU Lili1

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Department of Electric Engineering, Army Armored Academy, Beijing 100072, China)

In view of the teaching needs of the Vehicle Integrated Electronic Information Technology course, an experimental platform for vehicle integrated electronic information technology teaching demonstration and operation is developed, andbased on this teaching platform, teaching experiments are carried out. Teaching practice shows that through this platform, the teaching effect has been greatly improved.

vehicle integrated electronic information technology; teaching experimental platform; software and hardware design; practical teaching

TP37；G642.423

A

1002-4956(2019)11-0186-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.045

2019-02-22

國家自然科學基金資助項目（51575043）

王偉達（1980—），男，河北保定，博士，副教授，主要研究方向為車輛電子控制技術。E-mail: wangwd0430@163.com