某雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制臺(tái)工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬慧萍，聶昌龍，侯少嶺，劉 朋

(中國人民解放軍63889部隊(duì)1分隊(duì)，河南孟州 454750)

隨著微電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到了以訓(xùn)練、分析、模擬和仿真為目的大型裝備模擬系統(tǒng)中。裝備模擬系統(tǒng)是一種與實(shí)物大小相同的裝備模型，操作手操作模擬系統(tǒng)的方法與操作實(shí)際裝備方法基本一致，且所能觀察到的現(xiàn)象應(yīng)與實(shí)際裝備在真實(shí)環(huán)境中操作所得到的現(xiàn)象基本一致。與實(shí)際裝備相比，模擬系統(tǒng)成本低、易實(shí)現(xiàn)，且操作更安全、更經(jīng)濟(jì)，因此，裝備模擬系統(tǒng)為快速有效地培養(yǎng)新操作手的重要手段。

以訓(xùn)練操作手為主要目的的裝備模擬系統(tǒng)被稱為裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，雷達(dá)作為大型軍用裝備，其模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有代表性。雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要進(jìn)行的是功能上的模擬［1］，也就是“現(xiàn)象模擬”，即模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠?qū)Σ僮魇值牟僮鲃?dòng)作做出相應(yīng)的反應(yīng)，而且可以看到類似實(shí)際裝備相應(yīng)操作的結(jié)果現(xiàn)象，從而給操作手營造一個(gè)“真實(shí)”的模擬訓(xùn)練環(huán)境。

1 工程設(shè)計(jì)思路

進(jìn)行雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制臺(tái)工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要經(jīng)過以下4個(gè)階段:(1)需求、構(gòu)造以及模型的確立;(2)方案論證、工程設(shè)計(jì)以及控制電路基本流程圖設(shè)計(jì);(3)控制臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)造和裝配、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制電路以及線路連通調(diào)試;(4)實(shí)施綜合集成和軟硬件功能聯(lián)調(diào)。

首先需按照任務(wù)要求分析實(shí)際雷達(dá)控制臺(tái)的結(jié)構(gòu)、功能以及面板組成，尋找構(gòu)建模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的最佳模型。現(xiàn)代雷達(dá)一般都將任務(wù)交由智能控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，面板按鈕和人工操作盡可能少。因此，須詳細(xì)分析每一個(gè)面板按鈕和控制手柄、鍵盤操作所產(chǎn)生的現(xiàn)象，并將其詳細(xì)列表，據(jù)此設(shè)計(jì)硬件邏輯控制電路。其次，要按照設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)控制臺(tái)工程實(shí)現(xiàn)圖紙和控制電路流程圖。也可以在這一階段將請專門的設(shè)計(jì)公司來進(jìn)行現(xiàn)場測量并制定方案，控制電路原理圖設(shè)計(jì)好。第三步，根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行控制臺(tái)的板材切割、裝配、噴塑、定型，同時(shí)根據(jù)控制電路圖制作印制板、焊接芯片和元器件，并進(jìn)行電路板測試，待控制臺(tái)成型后進(jìn)行裝機(jī)聯(lián)調(diào)等。

2 控制臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

某雷達(dá)的主要功能結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，雷達(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理機(jī)等要具體處理真實(shí)的雷達(dá)信號(hào)，需要復(fù)雜的硬件電路和軟件模型來實(shí)現(xiàn)［2］。而模擬訓(xùn)練系統(tǒng)無需重復(fù)這些原理過程，只要實(shí)現(xiàn)過程所產(chǎn)生的結(jié)果，即對某次操作后雷達(dá)做出反應(yīng)的“現(xiàn)象”進(jìn)行模擬即可。

圖1 某雷達(dá)主要功能結(jié)構(gòu)組成圖

據(jù)此思路設(shè)計(jì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制臺(tái)，主要模擬實(shí)現(xiàn)如圖1右側(cè)虛線框內(nèi)的結(jié)構(gòu)。如此，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造與雷達(dá)相比，簡化了硬件電路和設(shè)備，其結(jié)構(gòu)組成及相互連接如圖2所示。

圖2 某雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制臺(tái)內(nèi)部構(gòu)造

第二步是設(shè)計(jì)控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖紙。控制臺(tái)是給操作手提供的一個(gè)物理平臺(tái)，它是全系統(tǒng)的控制、顯示中心，主要由控制設(shè)備、終端顯示設(shè)備、各種指示設(shè)備、輸入輸出設(shè)備及其它輔助設(shè)備組成。根據(jù)模擬訓(xùn)練需要，將操作用的物理設(shè)備集中在控制臺(tái)上，設(shè)計(jì)力求做到布局合理穩(wěn)固、性能安全可靠、各部分連線維護(hù)方便、易拆裝、易維修、美觀大方、具有良好的加固、減震和溫控措施，并符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。圖3為某雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制臺(tái)外觀的設(shè)計(jì)簡圖。控制臺(tái)設(shè)計(jì)圖紙由制作方按照合同要求提供，注明了材質(zhì)厚度、各部分長度、高度、斜面角度、圓角弧度以及配件安裝位置等。

圖3 控制臺(tái)設(shè)計(jì)簡圖

其中左邊為演示仿真系統(tǒng)，中間為主控計(jì)算機(jī)，右邊為雷達(dá)PPI顯示，用3臺(tái)微機(jī)組建。顯示器下方為裝備操控按鈕、指示燈、開關(guān)面板，平面面板上有角度、距離搖桿和控制按鈕。3個(gè)鍵盤放置在角度、距離控制搖桿下方。系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)完成主要控制，并在主控顯示器上再現(xiàn)實(shí)際裝備的主控界面;PPI顯示器利用軟件功能實(shí)現(xiàn)實(shí)際裝備的雷達(dá)PPI顯示功能;演示仿真計(jì)算機(jī)主要用于存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)庫、裝備電子檔案以及裝備訓(xùn)練課件的演示、雷達(dá)性能的技術(shù)仿真研究。

3 控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)一般需要設(shè)計(jì)兩塊控制電路板，分別為跟蹤控制板和伺服控制板。跟蹤控制板負(fù)責(zé)完成跟蹤控制按鍵掃描、指示燈控制、手動(dòng)搖桿信息的A/D轉(zhuǎn)換與編碼，并向主控計(jì)算機(jī)上傳按鍵及A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù);伺服控制板負(fù)責(zé)完成平臺(tái)上伺服狀態(tài)按鍵掃描、指示燈控制，接收主控計(jì)算機(jī)傳送的A/E角度數(shù)據(jù)并顯示，向主控計(jì)算機(jī)上傳按鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)等功能。設(shè)計(jì)時(shí)，各電路板的輸出數(shù)據(jù)均遵從標(biāo)準(zhǔn)RS－232接口協(xié)議，與主控計(jì)算機(jī)通過串行口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。控制電路采用AT89C51單片機(jī)為核心處理器［3－4］，電路設(shè)計(jì)采用總線復(fù)用方式。控制電路板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.1 跟蹤控制電路

根據(jù)某雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)要求，在開發(fā)跟蹤控制電路板時(shí)要考慮以下幾個(gè)方面:(1)由于數(shù)據(jù)發(fā)送要求實(shí)時(shí)性，故在使用單一處理器的條件下，上述按鍵掃描、指示燈控制和A/D轉(zhuǎn)換功能只能以中斷的方式在中斷服務(wù)程序中得以實(shí)現(xiàn)，而主程序則用于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送;(2)因?yàn)橹甘緹魞H用于指示電路板中當(dāng)前的按鍵狀態(tài)，所以對于指示燈的控制由單片機(jī)自主完成，其數(shù)據(jù)不向計(jì)算機(jī)發(fā)送。(3)針對單一處理器I/O端口有限的情況，在電路中采用總線復(fù)用的設(shè)計(jì)方式完成對寄存器組、A/D轉(zhuǎn)換通道選擇、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)錄入的分時(shí)控制。由此設(shè)計(jì)跟蹤控制電路板結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其中單片機(jī)(AT89C51)采用中斷方式在中斷程序中完成按鍵掃描、指示燈控制以及搖桿數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)將按鍵及搖桿數(shù)據(jù)發(fā)送至主控計(jì)算機(jī)［3］。

圖5 跟蹤電路板實(shí)現(xiàn)框圖

在此電路中，由于按鍵比較多而單片機(jī)的I/O端口數(shù)目有限，故此采用矩陣式鍵盤設(shè)計(jì)，如圖6所示的4 ×6 按鍵陣列［5－6］。

圖6 按鍵陣列示意圖

3.2 伺服控制電路

伺服控制板主要完成的功能有按鍵掃描、指示燈控制、數(shù)據(jù)顯示等，并將按鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至PC機(jī)。為使電路板設(shè)計(jì)更具模塊化，伺服板設(shè)計(jì)采用兩塊CPU工作，其中一塊用于按鍵掃描處理及指示燈控制，另一塊用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并向PC機(jī)發(fā)送按鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)框圖如圖 7 所示［7－8］。

由于數(shù)碼管位數(shù)較多，故采用動(dòng)態(tài)掃描的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，每次顯示4位，共分3次輪流顯示。單片機(jī)在通電時(shí)，首先對程序進(jìn)行初始化，之后進(jìn)入主程序循環(huán)以實(shí)時(shí)顯示天線方位和俯仰數(shù)據(jù)。天線數(shù)據(jù)以中斷的方式傳入單片機(jī)，單片機(jī)在接受數(shù)據(jù)時(shí)，首先分辨其是方位數(shù)據(jù)還是俯仰數(shù)據(jù)，然后分別存至各自緩沖區(qū)，最后再返回主程序?qū)ζ湔{(diào)用顯示之。程序流程如圖8所示。

圖7 伺服控制板的實(shí)現(xiàn)框圖

圖8 伺服控制板數(shù)據(jù)顯示程序流程圖

經(jīng)過制板、調(diào)試及最后的聯(lián)機(jī)測試，某雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了上述功能。跟蹤控制板和伺服控制板的電路板實(shí)體圖如圖9所示。其中圖9(a)為跟蹤控制板，圖9(b)為伺服控制板。

圖9 控制臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的控制電路板實(shí)體圖

4 控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)效果

某雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示。系統(tǒng)基本按照實(shí)際裝備電子設(shè)備方艙內(nèi)的主控操作臺(tái)的功能和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)模擬訓(xùn)練的要求作了一些合理改動(dòng)。從圖中可以看到，按照既定設(shè)計(jì)思路所建立的模擬測試訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠?qū)?shí)際裝備主控臺(tái)上的大部分操作囊括其中，實(shí)現(xiàn)了裝備操作環(huán)境的模擬。

圖10 控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)效果圖

5 結(jié)束語

某雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在投入使用后，能夠加速培訓(xùn)進(jìn)程，訓(xùn)練效果顯著。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)控制臺(tái)，具有操作簡單、模擬逼真、結(jié)構(gòu)緊湊、模塊分明等特點(diǎn)，取得了較好的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

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