一種發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)定應(yīng)答器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙晉宏, 楊 猛, 王琴娟

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一種發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)定應(yīng)答器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙晉宏1, 楊 猛2, 王琴娟3

(1. 山西平陽(yáng)機(jī)械廠代表室, 山西侯馬, 043002; 2. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京, 100094; 3. 山西平陽(yáng)機(jī)械廠, 山西侯馬, 043002)

提出了一種魚(yú)雷發(fā)射訓(xùn)練設(shè)定應(yīng)答器的設(shè)計(jì)方案, 并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性和可行性。該方案具有模擬準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn), 可為其他型號(hào)產(chǎn)品設(shè)定應(yīng)答器的設(shè)計(jì)提供參考。采用該方案的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)不僅可以節(jié)約大量訓(xùn)練經(jīng)費(fèi), 而且可以在低成本條件下大幅度增加演練機(jī)會(huì), 促使新裝備快速形成戰(zhàn)斗力。

魚(yú)雷; 發(fā)射訓(xùn)練; 應(yīng)答器

0 引言

任何一型武器裝備都必須經(jīng)過(guò)有關(guān)人員的反復(fù)操演才能掌握使用, 更好地發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。嚴(yán)格的訓(xùn)練是人與裝備緊密結(jié)合, 形成過(guò)硬戰(zhàn)斗力的唯一途徑[1]。特別是新型現(xiàn)代化裝備, 由于其性能先進(jìn), 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 高新技術(shù)含量提高, 使用難度增加, 在一定程度上限制了試驗(yàn)次數(shù)。在各種訓(xùn)練方法中模擬將引起訓(xùn)練方面的革命, 其將成為21世紀(jì)的主要訓(xùn)練方法[2]。采取模擬訓(xùn)練方法, 既能使訓(xùn)練形象逼真、近似實(shí)戰(zhàn), 又能減少裝備損耗, 降低訓(xùn)練成本, 具有其他訓(xùn)練形式所不具備的優(yōu)點(diǎn)。目前發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)定應(yīng)答器就是其中的典型代表。文中提出了一種設(shè)定應(yīng)答器的設(shè)計(jì)方案, 并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了它的有效性。

1 設(shè)定應(yīng)答器的工作原理

發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)定應(yīng)答器是訓(xùn)練系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵電子裝置, 其工作原理就是通過(guò)模仿實(shí)際產(chǎn)品中的相應(yīng)電子組件, 實(shí)現(xiàn)直升機(jī)或艦艇火控系統(tǒng)完成對(duì)發(fā)射產(chǎn)品武器通道的檢查及參數(shù)設(shè)定等功能。它能模擬產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)射前檢查、作戰(zhàn)參數(shù)設(shè)定和熱電池激活等功能, 也能模擬武器裝備進(jìn)行發(fā)射前的彈道和攻擊程序設(shè)定, 可以根據(jù)訓(xùn)練要求進(jìn)行空投旋回、管裝發(fā)射、空投蛇行多種發(fā)射方式的設(shè)定, 可以進(jìn)行任意搜索角度、任意搜索深度的設(shè)定等。設(shè)定應(yīng)答器電子模塊由CPU模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、I/O信號(hào)控制模塊和電源組成, 用于完成電信號(hào)控制、網(wǎng)絡(luò)通信和流程控制, 其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

CPU模塊是設(shè)備的核心處理器, 用于對(duì)接收的數(shù)據(jù)和信號(hào)進(jìn)行解析和處理, 并按流程回復(fù)相應(yīng)信號(hào)。為提高可靠性, 設(shè)定應(yīng)答器選擇雙列直插封裝的單片機(jī)作為主處理芯片。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于完成10 M/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送, 可以同真實(shí)產(chǎn)品管裝發(fā)控儀進(jìn)行通信, 接收產(chǎn)品參數(shù)、發(fā)控命令并回復(fù)狀態(tài)信息。

I/O接口模塊用于接收設(shè)定應(yīng)答器的電平控制信號(hào), 包括熱電池激活信號(hào)和發(fā)射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)利用光耦進(jìn)行內(nèi)外隔離。

電源包括外部輸入電源和儲(chǔ)能設(shè)備。正常情況下, 設(shè)定應(yīng)答器由外部供電電源進(jìn)行供電, 通過(guò)變壓器將電源轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品工作電源, 保證應(yīng)答器的正常工作。

其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2 設(shè)定應(yīng)答器的實(shí)現(xiàn)

2.1 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 CPU處理器

CPU選用一種高性能的80C51類(lèi)型的8位閃存微控制器, 包含16 kB程序和數(shù)據(jù)閃存塊, 該16 kB閃存可用于并行編程模式或串行模式。擁有256 Byte的內(nèi)部RAM, 9路4級(jí)中斷控制器和3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)。有可編程計(jì)數(shù)器陣列、1個(gè)1 024 Byte的XRAM、硬件看門(mén)狗定時(shí)器、鍵盤(pán)接口、2-wire接口、串行外設(shè)(serial peripheral interface, SPI)接口, 1個(gè)通用串行通道(EUART)和速度提高機(jī)制(X2模式)。它的全靜態(tài)設(shè)計(jì)能夠降低系統(tǒng)的功耗, 同時(shí)還可通過(guò)軟件控制減少功能和8位的時(shí)鐘模式進(jìn)一步降低功耗, 在空閑模式下, CPU能保持不工作, 而外設(shè)和中斷系統(tǒng)仍能正常運(yùn)作, 在休眠模式下, RAM將保存所有數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)喚醒。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)芯片

網(wǎng)絡(luò)芯片選擇新型以太網(wǎng)控制器, 如ENC424J600。它是Microchip推出的一款以太網(wǎng)控制器, 網(wǎng)絡(luò)接口速率可以達(dá)到100 Mbps, 提供了2種接口模式, 芯片具有44引腳TQFP和QFN 2種封裝形式[3], 是一款優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)接口芯片。其主要特征如下。

1) 符合IEEE 802.3協(xié)議。

2) 集成媒體訪問(wèn)控制器(media access control, MAC)和10M /100M Base-T以太網(wǎng)物理層器件(physical layer interface devices, PHY)。

3) 具有24 kB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包緩存區(qū)?？梢耘渲冒l(fā)送/接收緩沖區(qū)的大小, 支持高性能的硬件IP校驗(yàn)和計(jì)算, 支持掉電模式下的訪問(wèn)。該緩沖存儲(chǔ)器提供了靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機(jī)制?；静恍枰饨屿o態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(static random access memory, SRAM)。

4) 具有14 Mb/s SPI接口和8位復(fù)用并行接口。并行接口的最大傳輸帶寬達(dá)140 Mb/s。

5) 支持半雙工、全雙工模式。

6) 具有硬件安全加速引擎。支持多種硬件模式和多種軟件算法。如RSA, Diffie-Hellman, AES, MD5和SHA-1算法。

7) 具有可編程的沖突時(shí)自動(dòng)重發(fā)功能。

8) 具有可編程的填充和循環(huán)冗余碼生成功能。

9) 具有可編程的自動(dòng)拒收錯(cuò)誤和過(guò)小數(shù)據(jù)包功能。

11) 具有可編程的多數(shù)據(jù)包格式過(guò)濾功能。

12) 單播(Unicast)、多播(Multicast)或廣播(Broadcast)信息包。

2.1.3 超級(jí)電容

超級(jí)電容是超級(jí)電容器的簡(jiǎn)稱, 又稱為電化學(xué)電容器、雙電層電容器等, 是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成, 是目前已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。它的容量是普通電容器的20~1000倍[4], 是同體積電解電容器的2000~6000倍[5]。因?yàn)樗娜萘刻貏e大, 對(duì)外表現(xiàn)跟電池相同, 有時(shí)也稱為“電容電池”。它具有以下特點(diǎn)[6-10]。

1) 充電時(shí)間非?？? 充滿時(shí)間只需要10~ 12 min。

2) 使用壽命長(zhǎng), 在充放電過(guò)程中不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng), 充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1~50萬(wàn)次。

3) 大電放逐電能力超強(qiáng), 能量轉(zhuǎn)換效率高, 過(guò)程損失小, 大電流能量輪回效率≥90%。

幼兒對(duì)人物造型動(dòng)態(tài)的把握既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。他們最初是以蝌蚪人的形式來(lái)表現(xiàn)人物的動(dòng)態(tài)，隨著技能技巧的純熟，部分幼兒能臨摹教師示范的人物形象，但缺乏自己的想象。繪本中的每一個(gè)角色都有其豐富的表情、神態(tài)、動(dòng)作。藝術(shù)家們運(yùn)用不同的創(chuàng)作手法讓幼兒在欣賞繪本的過(guò)程中，通過(guò)觀察更好地理解人物表情、神態(tài)、動(dòng)作的繪畫(huà)表現(xiàn)方式。通過(guò)對(duì)故事中人物形象的觀察和模仿，來(lái)豐富自己的已有經(jīng)驗(yàn)，從而改善原本在繪畫(huà)活動(dòng)中可能會(huì)出現(xiàn)的表情或動(dòng)作單一的現(xiàn)象。繪本中的人物形象和擬人化的動(dòng)物形象充滿活力，能讓幼兒通過(guò)觀察以全新的視角去塑造自己心中的角色形象。

4) 比功率非常高, 可達(dá)3 kW/kg, 比任何化學(xué)蓄電池都要高。

5) 不需專門(mén)的充放電電路, 安全系數(shù)高, 長(zhǎng)期使用免維護(hù)。

6) 低溫條件下使用特性好, 在低溫工作時(shí)容量?jī)H減少10%左右。工作溫度范圍寬(–40℃~+ 70℃)。

2.1.4 光耦隔離芯片

光耦合器選擇一款用于雙通道的高速光耦合器, 光電耦合優(yōu)點(diǎn)如下。1) 信號(hào)受干擾的程度少; 2) 防止靜電的干擾; 3) 可以減少輸出信號(hào)的誤差干擾。采用光耦隔離技術(shù), 完全隔離了輸入端和輸出端之間的電氣與地線回路, 使一端的電信號(hào)變成光信號(hào)以后傳到另一端, 然后再變回到電信號(hào), 可以免遭地線回路和浪涌的干擾和損壞, 可以明顯提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.1.5 斷電續(xù)航模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求應(yīng)答器在外部電源斷電后, 仍能正常工作秒, 按照應(yīng)答器的設(shè)計(jì)方案, 在應(yīng)答器內(nèi)部使用了一個(gè)超級(jí)電容, 在外部電源供電時(shí), 超級(jí)電容將自動(dòng)充電, 在外部電源斷電后超級(jí)電容將支持應(yīng)答器持續(xù)工作秒以上。

超級(jí)電容放電時(shí)間計(jì)算公式[11]

式中:為電容容量;為放電電流;1為初始電壓;2為終止電壓;1為放電初始到電壓達(dá)到1的時(shí)間;2為放電初始到電壓達(dá)到2的時(shí)間。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì), 應(yīng)答器內(nèi)部單板使用的是5 V供電方式, 電壓浮動(dòng)范圍為5%, 那么當(dāng)5 V電源下降到4.75 V以下時(shí), 單板將無(wú)法正常工作。因此1的值為5 V,2的值為4.75 V,2-1的值為1.5 s, 由整板功耗可計(jì)算出單板工作需要的電流為mA, 由超級(jí)電容放電時(shí)間計(jì)算式(1), 可得出要使用應(yīng)答器續(xù)航秒, 超級(jí)電容需要有的電容容值為

也就是說(shuō), 只要超級(jí)電容中有相應(yīng)容量, 就能夠支持應(yīng)答器斷電后工作秒。

再根據(jù)超級(jí)電容充電時(shí)間計(jì)算公式[11]計(jì)算需要的充電時(shí)間。

式中:為充電時(shí)提供的電流;為充電時(shí)間;為充入到超級(jí)電容中的容值;為壓差(充電前后的電壓差)

外部電源能提供給應(yīng)答器的最大功率為20 W,除去系統(tǒng)內(nèi)單板所需要的功率和部分損耗, 估計(jì)外部電源最大能提供15 W給超級(jí)電容充電, 即所提供的最大電流為3 A。

由式(3)可得

理論上只要應(yīng)答器上電2.86 s, 超級(jí)電容就能充電達(dá)到1.56 F, 斷電后超級(jí)電容就能支持應(yīng)答器工作秒。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性, 可選擇的超級(jí)電容如SP-5R5-Z106VY, 其額定放電電容為10 F, 根據(jù)式(3), 需要20 s就能將其完全充滿, 即應(yīng)答器供電時(shí)間能達(dá)到20 s, 且系統(tǒng)能夠提供給應(yīng)答器20 W的功率, 超級(jí)電容就能完成充電, 完全能保證系統(tǒng)斷電后續(xù)航秒。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)答器采用小型化、智能化、低功耗設(shè)計(jì), 使用超低功耗的8位微控制單元(microcontroller unit, MCU)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算及邏輯處理。如何有效減少控制軟件對(duì)存儲(chǔ)空間的占用, 提高控制軟件的運(yùn)行效率, 是軟件方面需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì), 提高系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性, 利用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程, 通過(guò)相應(yīng)工具直接燒錄在芯片中。軟件按功能劃分為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)函數(shù)、I/O接口管理函數(shù)、定時(shí)器函數(shù)、協(xié)議解析函數(shù)、中斷控制函數(shù)和主管理函數(shù)等部分, 各函數(shù)間盡量獨(dú)立, 確保軟件的可靠性和穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)的安全性應(yīng)符合GJB900的要求, 采用容錯(cuò)性設(shè)計(jì), 對(duì)一些非規(guī)范操作, 軟件拒絕執(zhí)行。

應(yīng)答器軟件網(wǎng)絡(luò)通信部分主要采用TCP/IP協(xié)議棧裁剪技術(shù)解決內(nèi)存空間和運(yùn)行效率的問(wèn)題。由于需要完成可靠的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸, 避免網(wǎng)絡(luò)誤碼或丟包, 因此TCP/IP協(xié)議是軟件開(kāi)發(fā)必不可少的支撐模塊。但針對(duì)產(chǎn)品本身的特點(diǎn), 其工作過(guò)程中主要目的是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)TCP通信, 并沒(méi)有使用到協(xié)議棧的全部功能。因此, 針對(duì)TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行裁剪實(shí)現(xiàn), 去掉與產(chǎn)品功能無(wú)關(guān)的模塊, 將協(xié)議部分的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)重點(diǎn)放在IP/TCP/ICMP/ARP 這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上, 不但有效降低了軟件占用內(nèi)存的大小, 同時(shí)簡(jiǎn)化了通信流程, 提高了軟件的通用性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。在協(xié)議棧設(shè)計(jì)方面, 采用將應(yīng)用層、協(xié)議棧層、硬件層共用一個(gè)全局緩存區(qū)方法, 可大大節(jié)省空間和時(shí)間。

2.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)必須注重提高模塊的電磁兼容性能, 應(yīng)符合GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》、GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》和GJB/Z25-91《電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南》要求。

外部干擾通過(guò)輻射、傳導(dǎo)或兩者同時(shí)存在的傳遞方式, 經(jīng)設(shè)備縫隙及線纜進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。形成外部干擾, 同時(shí)內(nèi)部高頻的電磁波也會(huì)泄漏出去而影響周邊設(shè)備的正常工作。對(duì)內(nèi)外部電磁雜波地屏蔽和接地處理是外部設(shè)計(jì)的基本手段。采取的措施如下。

1) 采用導(dǎo)電性能良好的鋁合金材料, 采用整體焊接的方式制作設(shè)備的機(jī)箱, 在電磁屏蔽上形成連續(xù)導(dǎo)電的屏蔽外殼。焊接方式避免了螺釘連接的接觸電阻大, 以及電接觸連續(xù)性隨時(shí)間推移變差的問(wèn)題。

2) 為保證搭接部位的電接觸, 內(nèi)腔采用導(dǎo)電氧化處理, 提供更持久的接觸電阻保證和抗腐蝕設(shè)計(jì)。

3) 箱體的分型結(jié)合面采用彈性導(dǎo)電材料填充縫隙, 同時(shí)提供密封和電磁屏蔽性能。

4) 設(shè)備搭接部位的縫隙、螺釘間距應(yīng)在70~85 mm之間。

5) 電氣件所在腔體均為密封式的箱體。

6) 電源輸入部分加低通濾波器, 有效解決由電源出線導(dǎo)致的電磁兼容隱患。

7) 對(duì)電磁干擾敏感的位置, 如電源入口部分, 采用連續(xù)導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)件把其封閉在一個(gè)殼體內(nèi)部。

2.4主要功能

裝置設(shè)計(jì)完成后的主要功能:

1) 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行連通性檢查時(shí), 能夠模擬產(chǎn)品的連通性檢查信息;

2) 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射前自檢時(shí), 能夠模擬產(chǎn)品的自檢信息反饋;

3) 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí), 能夠模擬產(chǎn)品的預(yù)設(shè)定信息反饋, 并將反饋結(jié)果貯存;

4) 當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)熱電池時(shí), 能夠模擬產(chǎn)品熱電池啟動(dòng)后的反饋信號(hào)。

此外, 軟件采用數(shù)據(jù)記錄和回放手段, 將重要的應(yīng)答信息存儲(chǔ)到本地flash中。以參數(shù)設(shè)定為例, 一次發(fā)控流程中, 系統(tǒng)可能會(huì)多次向應(yīng)答器發(fā)送預(yù)設(shè)定信息。應(yīng)答器接收到預(yù)設(shè)定信息后, 一方面模擬真實(shí)產(chǎn)品, 將預(yù)設(shè)定信息回復(fù)給系統(tǒng), 作為模擬設(shè)定成功的依據(jù); 同時(shí), 由于發(fā)射前的最后一幀預(yù)設(shè)定參數(shù)作為產(chǎn)品出管后運(yùn)動(dòng)的輸入, 是關(guān)鍵應(yīng)答數(shù)據(jù), 因此應(yīng)答器軟件將最后一幀設(shè)定和應(yīng)答數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。試驗(yàn)完成后, 若產(chǎn)品出現(xiàn)設(shè)定異常, 用戶可以將數(shù)據(jù)重新讀取和解析出來(lái), 識(shí)別異常的問(wèn)題是出現(xiàn)在系統(tǒng)還是應(yīng)答器本身。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用與艦船上配置一致的某型發(fā)控儀進(jìn)行多次匹配試驗(yàn), 在操作過(guò)程與真實(shí)產(chǎn)品一致的情況下, 通過(guò)各種參數(shù)設(shè)定、應(yīng)答, 發(fā)控儀反饋的各種參數(shù)完全一致, 符合要求。

將設(shè)定應(yīng)答器裝入某發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)后, 在湖上組織實(shí)施了2次試驗(yàn), 設(shè)定應(yīng)答器按程序進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、發(fā)射及信息反饋等項(xiàng)目試驗(yàn), 通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和有效性, 試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)可以完成模擬發(fā)射訓(xùn)練的各種功能要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中采用高性能低功耗CPU控制器、網(wǎng)絡(luò)芯片、超級(jí)電容等器件, 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)便可靠的發(fā)射訓(xùn)練應(yīng)答器。該裝置可模擬部分產(chǎn)品掛機(jī)空投和艦載管裝火控系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)定, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn), 可以為設(shè)計(jì)產(chǎn)品模擬發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)提供參考。

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[11] 康龍?jiān)? 新能源汽車(chē)與電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

Design and Implementation of a Setting Transponder for Torpedo Launch Training System

ZHAO Jin-hong1, YANG Meng2, WANG Qin-juan3

(1. Military Representative Office, Stationed in Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China; 2. System Engineering Research Institute, China State Shipbulding Corporation, Beijing 100094, China; 3. Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China)

A design scheme of setting transponder for torpedo launch training system was proposed, and its effectiveness and feasibility were verified by experiment. The scheme has the advantages such as accurate simulation, simple operation, high reliability and small size, and may provide a reference for design of other setting transponders. Application of this scheme to simulation training system can save training cost, and can significantly increase the chance of training at low cost to promote rapid formation of fighting force for new equipment.

torpedo; launch training; transponder

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.015

TJ635

A

1673-1948(2016)01-0076-05

2016-01-05;

2016-01-14.

趙晉宏(1967-), 男, 高工, 碩士, 主要研究方向?yàn)轸~(yú)雷總體與動(dòng)力技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)