復雜光電設備電子故障維修教學實驗系統設計

（陸軍工程大學石家莊校區 河北·石家莊 050003）

復雜光電設備維修，大量的工作是對電子線路、電子元件的檢查、測量、更換等維修操作。因此，維修人員的電子線路知識、維修技能和操作水平，對于保障復雜光電設備的完好、提高設備的使用壽命和效能，具有重要的現實作用，因此迫切需要相應的教學實驗系統對維修人員進行培訓，提高其維修能力。

而目前，復雜光電設備沒有相對完備的維修教學實驗器材。維修保障人員只能依靠圖紙和實際設備進行維修教學實驗，局限性很大，對于電路的維修教學實驗幾乎不可能在實際設備上進行，而且電路的故障模式也不能進行任意設定，故障現象也不能生動的進行展示。本文針對該需求，提出了復雜光電設備電子故障維修教學實驗系統的設計實現方法，首先介紹該實驗系統所應用的模型。

1 復雜光電設備電子故障維修教學實驗模型

復雜光電設備電子故障維修教學實驗模型是由基于電路仿真的五層體系結構，即實驗數據層、仿真實驗層、實驗表示層、實驗應用層和實驗交互層構成，如圖1所示。

實驗數據層包含設備電路模型、設備故障模型以及電路仿真模型，為電路仿真引擎提供仿真數據。設備電路模型是由Spice3f5電路描述語言構成的設備電路描述，是面向仿真的設備電路抽象。

圖1：維修教學實驗模型結構

仿真實驗層的內核是Spice3f5電路仿真引擎。仿真實驗層處理的對象是數據層所提供的電路描述語言，設備電路描述、故障描述等信息作為Spice3f5仿真程序的運算對象，經電路仿真后生成描述各節點信號特性的仿真結果數據。應用程序根據電路模型和故障模型生成輸入文件，調用Spice3f5仿真程序，獲取作為仿真結果的輸出文件，并進一步得到電路各節點的信號特性。

實驗表示層實現虛擬電路的顯示，利用Creator建模軟件，根據設備電路結構及外觀構建設備電路板三維模型，同時定義節點與設備電路模型的關聯關系。三維虛擬電路板經VEGA視景仿真軟件實現顯示，并利用交互設備實現三維虛擬電路的測量與交互。整個虛擬維修教學實驗系統的可視部分均由實驗表示層實現顯示輸出。

實驗應用層是系統的分布式仿真軟件框架，利用BOM技術構成分布式仿真環境。每一個虛擬維修教學實驗模型的對象實例作為一個BOM組件，具備維修對象的全部知識表述和處理方法，每個BOM實際上是對一個具體設備電路的抽象，包含了電路各元件的描述，電路信號關系描述、電路工作過程描述等，同時根據電路的輸入輸出特性，利用仿真引擎，“智能”地對電路的輸入信號進行分析和響應，給出模擬實際的信號輸出。不同的設備電路的BOM實例，通過基于分布式仿真框架，實現時間同步、信號傳輸、過程分析等功能。

實驗交互層為人機界面，利用觸摸屏、真實的儀器儀表（萬用表、示波器等）、任意波形發生卡、高電壓放大卡來實現虛擬電路的顯示、測量、輸出等功能，使訓練人員能夠近似真實的實現測量、維修教學實驗等過程，從而得到和實際設備接近的維修教學實驗效果。

2 電路仿真與設備維修教學實驗的融合

在基于電路仿真的復雜光電設備電子故障維修教學實驗模型中，電路仿真的信息可以在設備電路虛擬維修系統中使用，虛擬維修操作及電路測量也可以作用于電路仿真過程，實現了電路仿真與設備虛擬維修的融合。

實驗應用層運行仿真主實例，通過分布式網絡向表示層和仿真層發送指令，命令表示層虛擬環境生成模塊生成將要仿真的電路三維景象，創造虛擬維修環境展示給維修人員；命令仿真實驗層調用經編譯的仿真引擎實現電路的分布式仿真。表示層“翻譯”維修人員的測試和維修操作將測試和維修信息傳遞給應用層。仿真實驗層調用數據層相應的電路仿真SPICE模型文件并在應用層的控制下將仿真結果傳遞給實驗交互層，實驗交互層通過人機交互設備將測試結果呈現給維修教學實驗訓練操作人員，并且響應維修控制人員的故障設置操作，將故障設置指令傳遞給實驗應用層處理。實驗數據層響應來自實驗應用層的控制命令對電路仿真模型文件進行修改，注入電路故障模型、響應維修操作等。基于電路仿真的設備虛擬維修教學實驗模型信號的傳遞關系如圖2所示。

圖2：基于電路仿真的維修教學實驗模型信號關系

3 復雜光電設備電子故障維修教學實驗系統組成結構

應用前面提出的復雜光電設備電子故障維修教學實驗模型設計了復雜光電設備電子故障維修教學實驗系統。

該系統從功能上可以劃分為控制模塊，維修場景生成模塊，電路仿真模塊和人機交互模塊。從硬件上可以分為教學實驗主控臺、維修操作工作臺、互聯網絡和人機交互設備。設備電路虛擬維修教學實驗系統總體結構是基于網絡總線的分布式交互系統。主控臺的主控計算機實現教練員與系統間的人機交互，完成故障設置、系統設置、維修過程監控和仿真監控等功能。各維修教學實驗節點實現對應設備電路模塊的仿真和虛擬顯示及工作過程仿真，訓練人員通過交互設備，對虛擬電路進行測量、故障排查、虛擬維修等訓練操作，仿真計算機根據虛擬信號傳輸關系，以及電路仿真結果，對虛擬維修操作作出反應，模擬真實電路的工作狀態。各仿真節點之間通過網絡組件實現分布式交互，構成分布式仿真網絡，模擬設備各電路模塊之間的關系及信號傳輸過程，從而實現對設備全系統工作狀態的模擬。圖3所示即為基于電路仿真的設備虛擬維修系統的組成結構。

對于位于分布式仿真節點的仿真計算機，其對電路模塊狀態的描述就在于以SPICE3F5描述語言所構成的設備電路描述語言。當教練員設置虛擬故障之后，根據設備故障描述形成故障描述語言，修改對應的設備電路描述語言，從而模擬設備的故障狀態。當前級電路傳來的虛擬信號到達本級時，首先根據信號特性。

形成虛擬信號源描述，然后根據設備電路描述進行SPICE3F5仿真，得到各電路節點的信號特性，再形成虛擬輸出，傳遞給后級電路進行運算。當維修人員進行虛擬維修操作時，其所做的元器件維修更換等操作，均轉化成對應的維修過程描述語言，從而修改設備電路描述語言，模擬虛擬維修過程，SPICE3F5仿真引擎根據維修操作后的設備電路描述進行仿真，對維修后的電路工作狀態進行模擬，供訓練人員再進行測量和檢查，直至故障得到排除。

圖3：設備電路虛擬維修教學實驗系統組成結構

在復雜光電設備電子故障維修教學實驗系統中，每一個維修節點都應用真實測量設備（例如示波器）的探針通過觸摸屏選擇虛擬維修場景中電路板三維電子元器件的管腳進行“測量”，實際是應用探針當作觸摸屏操作的工具，通過觸摸屏對表示層的三維電路板模型進行測量、更換元器件等操作，從而調用仿真實驗層和實驗數據層進行實時電路仿真和數據處理，最終仿真的到的電路仿真數據經任意波形發生卡、高電壓放大卡后輸出為模擬信號，送到示波器等測量設備的輸入端口，從而使維修人員可以如真實測量電路板元器件一樣通過真實測量設備探針進行測量，而后再根據真實測量設備測得的數據，進行進一步的測量或更換三維電元器件模型等操作，從而最終確定故障部位。維修實驗過程如圖4所示。

圖4：電子故障維修教學實驗交互過程

4 結論

本文以復雜光電設備電子故障維修教學實驗為背景，提出了一種全新的復雜光電設備電子故障維修教學實驗模型，在該模型基礎上構建了復雜光電設備電子故障維修教學實驗系統；解決了在不動用實際設備的情況下，如何進行復雜光電設備電子故障的維修教學實驗；所提出的電子故障維修教學實驗模型和系統構建的方法對類似電子設備電子故障的維修教學實驗有著良好的借鑒作用。