模擬訓練平臺數據控制系統設計

張鵬

摘 要： 模擬訓練平臺是用模擬訓練設備代替實際設備，實現演示教學和操作訓練，使學生學會設備的物理連接、參數配置、連通檢測等操作，形成系統綜合運用能力的系統。本文從模擬訓練平臺的設計思路、數據控制設計和數據模擬通道設計三個方面，闡述了模擬訓練平臺數據控制系統的設計思想，為下一步項目研制打下理論基礎。

關鍵詞： 訓練平臺；數據交互；數據模擬通道

模擬訓練平臺是以硬件模擬與軟件控制相結合的方式對實際設備進行模擬，通過研究構建通用的數據交換和訓練管理系統，集模擬操作、效果分析、考核評估及故障排除于一體，適用于不同種類、型號設備的模擬訓練系統。訓練平臺包括軟硬兩個分系統，涉及大量的數據交互，因此，對數據的控制是非常重要的。下面從三個方面，探討模擬訓練平臺數據控制系統的設計方法。

一、模擬訓練平臺設計思路

根據實際設備的功能和操作特點，運用單片機編程的方式進行操作流程模擬，在模擬訓練設備中安裝AVR單片機控制模塊，通過單片機現有的外部通信接口同管理主機連接，在管理主機中運行訓練管理軟件，管理主機與單片機系統相結合控制，使模擬設備的設置操作和線纜連接等操作與實際使用一致，實現單臺設備操作功能的模擬。采用TCP/IP技術組網，將各模擬訓練設備、管理主機通過以太網交換機組建成內部局域網絡，采用自主研制的GCP通信協議，進行模擬訓練設備操作信息的采集和管理控制信息的傳輸，從而實現模擬設備組網訓練功能。采用數據庫技術和單片機控制管理技術，構建設備模擬訓練系統通用基礎平臺，設計訓練管理程序對模擬訓練設備上的操作進行評判，根據評判結果控制各模擬訓練設備間的通斷情況，實現軟硬件數據協調通信訓練管理等功能。

二、模擬訓練平臺數據交互設計

（一）平臺數據交互接口設計

在模擬訓練設備同管理主機之間的數據交互接口采用以太網通信模塊，提高傳輸速率，易于系統管理與擴展。模擬控制單片機系統通過其自帶的SPI接口連接到ENC28J60以太網控制器中，通過該控制器實現模擬控制單片機系統同管理主機間的以太網連接，可以很好的解決系統各部分間控制數據的傳輸速率問題，傳輸速率可以達到2Mbps，延長模擬訓練設備控制信號的傳輸距離，提高訓練設備同管理主機之間數據交互的帶寬；同時大大的增加了系統的容量，理論上可以容納的節點數目為一個完整的IP地址空間，根據教學訓練的實際需求，設計最多可以同時連接200臺模擬訓練設備。

（二）數據傳輸控制方式設計

模擬訓練平臺的信息傳輸需要流經的設備數目多、型號復雜，在訓練過程中，管理主機需要與各種模擬訓練設備進行數據采集、傳輸，對模擬訓練過程進行監視、控制和管理，因此數據傳輸實時性、可靠性要求較高。雖然使用以太網接口數據傳輸速度快，解決了傳輸速率的問題，但由于管理主機需要同時判斷多臺模擬訓練設備的操作動作，才能對語音、數據信息傳輸進行正確控制，多個模擬訓練設備同時訪問管理主機，需要傳輸的數據量比較大，設備間的訪問沖突勢必會造成丟包現象的產生。

針對這種問題，如果仍然采用TCP協議面向連接的數據傳輸控制方式，雖然可以保障數據傳輸的可靠性，但是管理主機與每一個模擬訓練設備的每次數據傳輸都需要都建立和拆除專門的鏈路，各模擬訓練設備單片機硬件編程非常繁瑣，對研制人員的技術要求更高，而且系統延時比較大，隨著節點數目增多，通信效率將明顯下降，極可能導致整個系統無法容忍尋找等待，從而導致系統無法工作，很難適應教學訓練實際需求。

通過試驗和綜合比較分析，項目組決定模擬訓練系統數據傳輸控制采用面向無連接的UDP協議。為了避免數據包丟失，在通信管理方面采用時間片輪詢技術。在管理主機給每個需要訪問的模擬訓練設備分配一個固定時間片，例5ms，由管理主機進行統一控制，各個模擬訓練設備只有在自己所屬的時間片里才能發送數據，通過此方法解決多點接入而引起的訪問沖突問題。由于時間片的間隔非常小，操作人員基本感覺不到模擬訓練設備的延時反應，可以實現實時模擬訓練的軟硬件同步響應。

本設計的優點是：模擬訓練系統的數據傳輸速率高，保障模擬訓練設備操作的實時性；數據傳輸可靠性高，多點接入的訪問沖突得到有效控制，在功能實現上和后續系統開發兼容性上比較合理可行。

存在的難度主要是：在管理主機上需要專門設置數據采集與交換模塊，對模擬訓練設備與管理主機的數據交互進行通信管理。但這個技術難題本項目組成員可以嘗試研究解決。

三、數據模擬通道設計

（一）數據模擬通道硬件結構設計

實際設備可以為終端和服務器提供數據傳送通道，本項目考慮通過IP技術模擬該數據傳輸通道，采用基于TELNET服務的網絡交換控制技術，自主研制“數據交換控制”模塊，通過TCP協議中TELNET服務，向連接各級終端的交換機端口發送斷開和連接的指令，控制交換機端口斷開和連接，從而實現為終端和服務器提供數據傳送通道。

（二）數據模擬通道控制設計

在模擬訓練設備上進行數據通信參數設置，發送開始建立相應的數據通道請求。訓練管理主機通過以太網對模擬訓練設備上的操作信號進行采集、監控和評判，如果進行數據通信的雙方（組網時可以使多方）操作都正確，管理主機通過TELNET程序登陸到交換機的IOS上，將對應終端所在的交換機上接入端口打開，從而建立各數據終端間的模擬數據通道。在數據通信過程中，如有任何一方的操作改變了或錯誤配置了參數，訓練管理主機將監控到該操作信號并判斷，如在實際設備中該參數設置更改會引起數據通信的中斷，訓練管理主機將通過TELNET程序向交換機的IOS發出關閉相應終端所在接入端口的指令，從而斷開各終端和服務器之間的模擬數據通道。endprint