聲光煙綜合模擬裝置設計及應用研究

陸陽 孫廣平 張毅偉

【摘? 要】 為提高火炮類武器裝備在日常教學訓練和綜合操演任務中的應用效果，增強實戰環境模擬真實度，滿足火炮類武器裝備崗位能力訓練的戰場氛圍需求，可綜合運用單片機技術、無線通信技術等研究開發聲光煙綜合模擬裝置。該裝置以單片機為主控MCU，開發軟件控制程序，通過智能語音播放模塊發聲、高亮LED燈珠發光、舞臺級煙霧機發煙，在聲音、燈光和煙霧等效果方面模擬真實戰場環境，為提高教學訓練效果提供技術保障。

【關鍵詞】 模擬戰場氛圍；聲光煙綜合模擬裝置；硬件設計；軟件設計

為加強軍隊人才隊伍建設，武器裝備的綜合訓練是必不可少的。傳統的武器裝備訓練多采用模擬操作流程的方式進行，以口令和虛擬操作為主，特別是院校訓練環境下，很難模擬戰場環境，訓練的真實場景和實戰氛圍不足。以火炮類武器裝備為研究對象，設計面向實戰環境的聲、光、煙綜合模擬裝置，可實現火炮類武器裝備實彈射擊場景模擬，還能滿足特殊訓練場景下的環境模擬，如甲板火災特情處置、戰斗警報等。

一、總體方案設計

聲光煙綜合模擬裝置包括硬件、軟件兩大部分，主要用于模擬火炮類武器裝備射擊時爆炸聲音、炮口火焰及煙霧等功能。三種模擬效果分別采用大功率藍牙音響、高功率LED燈珠、舞臺級煙霧機（環保無毒）實現。聲光煙綜合模擬裝置的三種模擬效果伴隨火炮類武器裝備射擊的指令由程序自動控制協同輸出，同時還能滿足火炮類武器裝備不同射速、發數的工作場景。總體方案框架如圖1所示。

二、硬件設計

該模擬裝置的硬件主要包括大功率藍牙音響、高功率LED燈珠、舞臺級煙霧機、主控箱、操作箱和通信接口等組成。硬件設計方案如圖2所示。

其中藍牙音響、LED燈珠和煙霧機通過市場采購獲得；主控箱和操作箱因涉及操控和信號傳輸，是研究設計的重點。

（一）主控箱

主控箱安裝在裝備上，用于接收操作箱發出的信號指令，完成三種模擬效果的輸出控制，內置主控MCU核心板、DY-HV8F模塊、光耦隔離模塊、繼電器模塊、電源板、無線透傳模塊等。

主控MCU核心板采用STM32F103RCT6單片機，支持多達80個GPIO、定時器、UART等硬件資源，滿足方案的硬件資源需求。語音播放模塊DY-HV8F板載8M字節Flash，支持MP3、WAV解碼格式，支持IO、串口控制等多種工作模式，模擬裝置方案采用IO觸發。無線透傳模塊（433MHz）采用SX1278芯片，全雙工透明傳輸，通信接口RS485，模塊需成對使用，主控箱和操作箱各有一個。光耦隔離模塊和繼電器模塊共同控制發煙器和高功率LED燈珠。

主控箱操控面板有四個按鈕（參考圖1），圖中◎為自復位帶燈指示按鈕，可分別實現“信/檢/停”和“聲、光、煙”的顯示和控制。

若“信/檢/停”按鈕連續閃爍表示通信正常，短按可觸發聲、光、煙協同輸出一次或全部停止輸出，長按則連續輸出，輸出速度最高2次/秒；“聲、光、煙”按鈕燈亮表示正在輸出，短按可單獨觸發對應的輸出，長按則連續輸出。

（二）操作箱

操作箱位于設備操作間，內置主控MCU核心板、TTL轉485模塊、光耦隔離模塊、無線透傳模塊和內置鋰電池等。其中TTL轉485模塊用于實現主控與無線透傳模塊間的電平轉換，無線透傳模塊用于實現與主控箱間的通信。

操作箱操控面板有8個帶燈指示按鈕（參考圖1），可實現對“信/檢/停”“低/聲、中/光”“高/煙”“單/連”“2/警1”“3/警2”“4/警3”8個指示按鈕的顯示和控制。

“信/檢/停”按鈕連續閃爍表示通信正常，短按全部停止輸出，長按進行射速切換；“低/聲”“中/光、高/煙”按鈕燈亮表示當前射速選擇，短按可單獨觸發一次對應的輸出，長按則連續輸出；“單/連”按鈕閃爍表示當前輸出狀態，短按可觸發聲、光、煙協同輸出一次，長按則連續輸出；“2/警1”“3/警2”“4/警3”按鈕閃爍表示當前輸出狀態，短按可觸發聲、光、煙協同輸出2、3、4次，長按則分別觸發不同的警報聲。

三、軟件設計

聲光煙綜合模擬裝置的軟件主要包括初始化、按鍵檢測處理、通信數據處理、主控邏輯和主控狀態顯示等模塊。軟件設計方案如圖3所示。

（一）初始化模塊

用于完成MCU硬件資源、中斷使能、程序控制標志等初始化配置，硬件主要包括GPIO、定時器、UART等硬件資源。其中，GPIO輸入配置上拉電阻用于檢測按鍵的觸發狀態、輸出為推挽輸出以提高驅動能力實現指示燈的顯示及聲、光、煙輸出控制；定時器配置為5ms自復位中斷模式；UART配置參數為波特率115200、8位數據、停止位1、無校驗。

（二）按鍵檢測處理模塊

用于按鍵檢測和按鍵觸發后的處理。按鍵檢測有防抖處理，假設按鍵抖動時t1…tn為按鍵按下時間段，t1′…tn′為抖動時間段，t0為松開后持續時間，t0大于40ms時，計為一次有效按鍵。按下持續時間為累計時間T=t1+…tn -（t1′+…tn′），當40ms

（三）通信數據處理模塊

通信數據為主控箱及操作箱間的命令、狀態、心跳三種數據。命令數據是當操作箱觸發對應的按鍵時，會生成命令數據通過無線模塊發送到至主控箱；主控箱在輸出的過程中，會將當前輸出的狀態數據回傳至操作箱，操作箱實時顯示主控輸出狀態；心跳數據是主控箱和操作箱間定時互傳的固定數據用于檢測通信狀態，當心跳數據接收超時后，主控箱自動停止所有輸出，防止失控。在心跳數據保證的基礎上，利用主控的DMA功能實現數據自動斷幀，避免幀數據交叉。為防止弱信號出現數據錯誤，使用AA…55首尾字節判斷，且每幀數據包含兩組同樣的數據，既規避數據錯誤可能導致的主控異常輸出，又能最大程度保證命令的正常執行。

（四）主控邏輯模塊

主控邏輯代碼主要根據輸出的狀態標志（由操作箱命令數據或者主控箱按鍵觸發）完成對應的模擬效果輸出，輸出周期控制480ms內。為避免高射下連續輸出時出現交叉現象，同時考慮聲、光、煙的各輸出系統時延差異，并保證輸出的協同性，假設射速周期T（T>=500ms），聲音輸出時間段為0～480ms，光為300～400ms，煙為200～400ms，480ms—T即空閑時間段。

（五）主控狀態顯示模塊

主控在輸出過程中，會實時將數據發送到操作箱，操作箱上對應的指示燈點亮指示當前主控箱輸出狀態，供操作者獲悉主控當前工作狀態。

四、模擬實現方案設計

聲、光、煙3種模擬效果設計思路如下：

聲音輸出采用智能語音播放模塊DY-HV8F，火炮射擊的爆炸聲及警報音頻文件存儲板載Flash，音頻輸出接入藍牙音頻發射模塊，上電后可自動連接大功率音響，程序運行時，可控制MCU的IO驅動語音播放模塊輸出不同的音頻聲音，再通過藍牙發射模塊傳送到音響發出對應的聲音或警報聲。

燈光輸出為80W高亮LED燈珠，內置銅管和風扇散熱，工作電壓12V。由MCU經光耦隔離及繼電器輸出12V電源，實現LED的亮滅控制。

煙霧輸出采用改造后舞臺級煙霧機實現，由MCU經光耦隔離及繼電器輸出控制信號至煙霧機的改造后的手動控制按鈕，完成煙霧的輸出。

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