車載超短波電臺維修數字化訓練系統的設計與實現

侯立峰

(陸軍裝甲兵學院士官學校，長春 130117)

0 引言

近年來，隨著陸軍部隊信息化建設步伐的加快，大量新型車載超短波電臺列裝部隊。作為我軍新一代車載通信裝備，某型車載超短波電臺采用了先進的軟件無線電技術，具有跳頻頻率高、抗干擾能力強的特點，可以實現與我軍現役其他型號車載超短波電臺的互聯互通，該電臺已逐漸替代其他系列的車載超短波電臺廣泛應用于陸軍部隊各類武器裝備的指揮信息系統之中[1]。由于其應用了大量信息技術，電路原理復雜、結構特殊，采用以往車載通信裝備的維修訓練方法與手段，無法開展高效的維修人員培訓，造成維修保障人員培養困難。傳統的車載通信裝備維修訓練手段主要依托實裝、半實物仿真模擬器及虛擬手段來完成[2-3]，這種訓練手段主要存在以下弊端：1)采用實裝訓練成本高，造價昂貴，裝備消耗較大；2)采用半實物仿真器大多數只能完成電臺使用訓練[4-5]，少數能開展維修訓練也只是采用繼電器或跳線等模擬方法控制電路通斷來設置故障，所設置的故障簡單且現象單一，維修訓練效益低下；3)采用半實物虛擬仿真手段訓練很難實現電臺故障判斷、分析、排除等步驟的全過程訓練[6-7]，訓練實際效果很難達到相關要求。基于以上弊端，我們采用嵌入式技術、數字化樣機、無線網絡通信等技術開發了針對某型車載超短波電臺維修的數字化訓練系統。該系統可以依據車載超短波電臺維修的一般程序與標準，實現車載超短波電臺正常工作狀態檢查、分解組合、模塊級故障判排等科目的訓練，從而解決陸軍部隊電臺維修訓練手段落后，維修人才短缺的現實問題。

1 系統總體設計方案及實現功能

車載超短波電臺維修數字化訓練系統主要針對陸軍部隊某新型車載超短波電臺的維修訓練設計而成，其組成主要包括超短波電臺數字樣機、主控機、無線網絡收發裝置和故障模塊返修平臺等部分，考慮部隊維修保障分隊維修訓練規模，系統內數字樣機設置為3部。系統以主控計算機為核心，利用無線數據通信技術，通過無線收發裝置、電臺數字樣機及模塊返修平臺相連構成無線局域網數字化訓練系統，用于替代車載超短波電臺實裝來開展電臺正常工作狀態檢查、電臺分解組合、模塊級故障判排等訓練課目的訓練，其系統組成框圖如圖1所示。

圖1 車載超短波電臺數字化訓練系統組成方框圖

電臺數字樣機內部模塊電路均采用微處理器進行數字化設計，主控機通過無線收發裝置與電臺數字樣機內部模塊串口進行無線數據通信，利用軟件通過對數字化模塊存儲器數據修改實現對各數字樣機工作狀態控制與故障設置。對于確定的故障模塊，可以進行拆卸并送到模塊返修平臺通過修改故障模塊內部存儲器數據進行故障恢復。主控機為車載超短波電臺維修數字化訓練系統操控平臺，通過維修訓練仿真軟件和訓練考核管理軟件，用于對電臺數字樣機進行訓練科目設置、訓練設備選擇、通信管理、操作考核及故障設置等功能。

2 系統硬件平臺設計

2.1 電臺數字樣機設計

電臺數字樣機外形與實裝基本一致，數字樣機內部架構與實裝也基本一致，模塊與模塊間連接關系與實裝保持一致。在電路模塊設計方面，對電臺面板模塊進行數字化改裝，一方面作為設備樣機的核心模塊，具備實裝模塊接口、處理數據收發、控制等功能；另一方面通過修改該模塊內部數字存儲器參數，實現樣機不同工作狀態轉換。其余模塊外形保持與實裝一致，內部電路進行數字化設計，電臺數字樣機硬件設計方案如下：

超短波電臺數字樣機組成與實裝一致，主要由主機、適配器、減振器三部分組成。其中，主機由面板模塊、數字業務模塊、中頻頻合模塊、射頻模塊、電源模塊組成，各模塊的信號通過柔性印制板進行轉接；適配器由共址濾波器、直流電源濾波器、接口板、功放模塊以及各種接插件組成。將主機的面板模塊和其他內部模塊電路采用嵌入式電路系統進行數字化設計，分別構成超短波電臺數字樣機的面板模塊及實裝數字模塊，實現對實裝電臺操作信息功能模擬及實裝電臺中各模塊特性模擬。面板模塊完成對整機功能控制，對按鍵采集處理，實現屏幕顯示功能；實裝數字模塊部分完成對實裝中各模塊進行接口模擬，具備單板拆裝維修功能。

數字樣機的面板模塊作為電臺數字樣機核心處理模塊，通過嵌入式技術進行數字化設計。面板模塊擬采用以基于ARM920T核的S3C2440A CPU的ARM嵌入式系統主架構處理平臺[8-9]。整個系統提供一個容量為1G BYTES的NAND FLASH,用來存放操作系統引導程序及相關應用程序及其它數據，另外系統提供32M BYTES的SDRAM，并可根據需要進行擴展。在面板模塊上安裝一個無線收發模塊，用于實現電臺數字樣機與局域網內的無線收發裝置進行數據通信，從而實現各數字樣機與主控機之間的控制數據信息交換。通過柔性印制板可實現面板模塊對其他內部實裝數字模塊的控制與數據交換。電臺數字樣機面板模塊硬件電路框圖如圖2。

圖2 電臺數字樣機面板模塊硬件電路框圖

實裝數字模塊包括綜合數字模塊、中頻頻合數字模塊、射頻數字模塊、電源數字模塊、功放數字模塊、共址濾波器數字模塊等組成，主要完成對實裝模塊拆裝模擬與數字化故障設置功能。各模塊擬采用單片機技術來進行設計，STM32單片機通過串口經過柔性板與面板模塊通信，從而經過無線局域網實現與主控機的信息交換，主控機對模塊進行故障設置、故障清除、操作上報等相關操作，STM32單片機將相關操作狀態保存在EEPROM中，通過修改EEPROM中參數修改設備故障狀態。以中頻頻合數字模塊為例，該模塊主要由STM32F407最小系統[10]、AD9958輸出驅動電路、濾波電路等組成，其硬件電路框圖如圖3所示。

圖3 中頻頻合數字模塊硬件電路框圖

2.2 無線網絡收發裝置設計

無線收發裝置主要用來進行主控機與電臺數字樣機之間的數據交換，實現數字化訓練系統的無線局域網構建，使訓練系統在實際應用中可以最大限度的突破時間、空間和訓練資源的限制，其硬件設計方案如下：

無線網絡收發裝置擬采用單片機加Zigbee無線傳輸模塊來實現，Zigbee是一種短距離、低速率、低功耗的無線網絡技術[11]。電臺數字樣機工作狀態信息通過無線收發模塊送至Zigbee無線傳輸模塊后，傳送到無線網絡收發裝置的單片機，單片機與主控機通過以太網線進行數據傳輸，以實現兩端數據交換，主控機接收無線傳輸模塊接收到數據并處理后進行各電臺數字樣機的狀態顯示。主控機與無線網絡收發裝置單片機之間通信程序用VC6.0編寫，單片機響應的控制程序采用C51編寫。

2.3 模塊返修平臺設計

模塊返修平臺主要用于電臺維修訓練時進行模塊級換件維修，通過電臺數字樣機拆卸下來的故障模塊，在數字邏輯上是故障模塊，需在返修平臺上進行維修后才能正常使用。模塊電路設計方面，在每個模塊中放置數字處理器，通過數字處理器內部存儲的信息變量，與數字樣機面板模塊進行數據交互，從而更改故障變量，達到模擬維修模塊的目的，其硬件設計方案如下：

模塊返修平臺擬采用單片機技術來進行實現，由維修主控裝置和相關接插件構成，主要完成對故障模塊進行維修功能，為電臺數字樣機可拆卸模塊提供快速修復的平臺。其中維修主控模塊采用STM32單片機作為核心處理器，主要是通過主板對故障模塊進行修復，通過串口的形式訪問單片機外接EEPROM，變更EEPROM中故障狀態。模塊返修平臺硬件電路框圖如圖4所示。

圖4 模塊返修平臺硬件電路框圖

3 系統軟件平臺設計

系統軟件平臺主要完成主控機對電臺數字樣機狀態監控、故障信息設置、考核評判及維修輔助訓練等功能，由訓練管理軟件、訓練考核軟件和訓練輔助軟件組成，其中訓練管理軟件主要完成電臺數字樣機故障設置、維修訓練課目設定及訓練監控功能；訓練考核軟件主要完成對訓練人員操作電臺數字樣機考核評判并具備下發故障定位等功能；訓練輔助軟件主要用于對電臺維修技術資料信息的存儲與查詢。

3.1 維修訓練管理軟件設計

訓練管理軟件通過人機交互的方式對軟件進行操作，主要實現對電臺數字樣機的狀態及故障參數獲取與設置，在應用的過程中向數據庫存儲查詢數據。在軟件流程設計方面，在執行參數獲取及設置的主功能基礎上，對系統工作狀態進行實時監控，確保主控機與電臺數字樣機及無線網絡收發裝置的信息交流準確可靠。其軟件流程如圖5所示。

圖5 訓練管理軟件的流程圖

訓練管理軟件采用C#語言進行代碼編寫，使用Visual Studio2012進行開發編譯。作為系統中的應用層軟件，采用UDP的方式處理流程。在工作中需要和其他軟件或設備交互的輸入輸出接口都通過網口對外通信，數據幀均按照標準數據協議進行封裝。所有的參數數據都存儲在SQLite數據庫內,該數據庫存儲方式簡單，可視化、易于維護，界面友好，易操作，滿足設計需求。

3.2 維修訓練考核軟件設計

訓練考核軟件主要實現對電臺數字樣機操作的訓練指導以及熟練度考核，監控各類數字樣機工作狀態信息；完成電臺數字樣機操作信息采集，可組織進行考核訓練，對操作結果進行評估。其主要組成功能模塊包括：人機交互模塊、故障設置模塊、訓練與考核評判模塊、監控管理模塊等，訓練考核軟件各功能模塊組成如圖6所示。

訓練考核軟件采用VC++6.0和MySQL5.1進行開發。VC++6.0可以提供一個支持可視化編程的集成開發環境和大量的實用開發工具。VC++6.0具有可視化編程、封裝函數多、界面設計與圖形繪制功能強大等優點。MySQL5.1是一款多線程、多用戶的SQL數據庫服務器，與其他數據庫軟件相比，MySQL是一個關系數據庫管理系統，是開源的，具有開源性好、快速、可靠易于使用等優勢。

圖6 訓練考核軟件功能模塊組成圖

訓練考核管理軟件主界面由工具欄、人員分配區、訓練過程監控區、訓練參數區構成。工具欄主要是科目編輯、題目編輯、人員管理、成績管理組成；人員分配區主要是為在線電臺數字樣機分配訓練人員；訓練監控區主要是監控各個電臺樣機的各個訓練項目的完成情況、所有時間、考核評估信息。訓練參數區主要是訓練科目、訓練時間、訓練單位、訓練模式選擇以及訓練內容和在線設備信息。

3.3 維修訓練輔助軟件設計

主控機維修訓練輔助軟件采用數據庫軟件設計而成，主要可以實現車載超短波電臺的工作原理、故障分析與排除、維修技術規程、典型故障案例等維修技術資料的檢索與查詢功能。輔助軟件采用B/S結構的應用開發模式，性能穩定，通用性強。B/S模式是基于Web的應用程序，無需安裝客戶端。這種應用開發模式保證了敏感數據的安全性以及復雜功能的交互性，簡化了客戶端，系統維護簡便，效率高。訓練輔助軟件主要組成功能模塊如圖7所示。

圖7 維修訓練輔助軟件的功能模塊組成框圖

人機交互模塊是通過設計開發簡便易行的系統軟件操作界面，實現系統程序啟動、車載超短波電臺類型與型號的選擇等功能；開發型號電臺維修技術資料信息模塊，內容主要包括車載超短波電臺工作原理、維修技術規程、典型故障案例等內容，部隊級修理單位維修人員在維修訓練過程中可以實時查詢維修規程或維修技術資料，提高總體訓練效果；采用高級編程語言，用關系數據庫將車載超短波電臺整機和模塊技術參數數據集合成標準數據庫，構建技術狀態信息數據庫模塊，以備維修訓練專業人員進行系統故障判斷或故障的預測，提高電臺維修保障的針對性與時效性。

4 系統測試試驗結果與分析

采用車載超短波電臺維修數字化訓練系統進行某型超短波電臺維修訓練試驗，試驗內容包括：

1)采用系統電臺數字樣機進行超短波電臺正常工作狀態檢查訓練，驗證是否與電臺實裝具有相同的操作效果；

2)采用系統電臺數字樣機進行分解組合訓練，檢驗是否能達到實裝訓練效果；

3)采用系統電臺數字樣機設置典型故障，是否具有同實裝相同的故障現象；

4)更換電臺數字樣機內部模塊，模擬實裝進行實裝電臺模塊級故障判排。

試驗測試結果表明，車載超短波電臺維修數字化訓練系統能夠完成某型超短波電臺的正常工作狀態檢查、分解組合、故障判排等維修訓練，基本達到了設計功能的各項要求。

5 結束語

車載超短波電臺維修數字化訓練系統通過對某型超短波電臺數字樣機的數字化設計和主控機軟件開發，能夠完成該型超短波電臺正常工作狀態檢查、模塊級分解組合、模塊級故障判排等科目訓練，實現了車載超短波電臺故障判斷、故障檢查、故障判除維修全過程的數字化和智能化訓練，從而解決了陸軍部隊車載超短波電臺維修訓練手段不足和維修能力落后的問題，對提高陸軍部隊車載武器裝備的作戰能力，具有較高的軍事和經濟效益。