基于ARM 的防空協同設備人機交互功能的設計

王凱銳，孫 雨，高希宇，劉 欣，王新文

（北方自動控制技術研究所，太原 030006）

0 引言

隨著當前作戰方式的多變，特別是某些非對稱作戰的情況，對武器系統的信息化提出了更高的要求。在空襲與防空作戰領域內，對信息的實時性有著較高的要求，同時，各個武器平臺和作戰節點之間的協同配合日趨重要。對于連級近程地空導彈武器系統，其主要作戰對象為有效覆蓋空域內的固定翼飛機、武裝直升機和無人機［1］。系統采用架設工作方式，能夠快速部署參加重大活動安保或對高價值目標的防御，也能納入區域防空體系在上級編成內擔負要地和野戰防空任務［2］。由此可見，防空作戰已不再是單一兵器的對抗，而上升為防空體系的對抗。

以某些國際熱點地區為例，武裝沖突時有發生，特別是武裝直升機和無人機的頻繁出動使得防空武器的需求迫在眉睫。為了適應國際軍貿市場的需求，特別是一些用戶國家提出用車載方式提高系統機動作戰能力，這就要求各節點之間需進行協同作戰。本文根據目前的市場需求和防空協同設備設計方案，對防空協同設備中通信控制及數據處理模塊的人機交互操控功能進行了設計。

1 協同設備系統設計

構建防空協同作戰系統通信網絡，協同設備是關鍵。利用先進的計算機、通信和網絡技術設計的協同設備，可以將連級防空武器系統或分布式防空協同作戰系統中的各目標探測節點、指揮控制節點和火力節點等聯成網絡，實現各節點間防空協同作戰信息的實時共享，提高系統內各探測節點的利用率、火力節點的快速轉火能力及整個作戰系統的抗毀能力［3-4］。

協同設備采用分布式無中心自組網技術設計，具有較強的易用性和抗毀性，在實戰應用中可確保網絡的快速組建和穩定運行，無需事先規劃部署；協同設備間地位對等，對拓撲結構沒有限制。采用拓撲結構自動學習的方法，可通過上位機軟件自動計算規劃傳輸路徑并按需分配信道資源，降低使用人員的操作難度，大大簡化網絡使用；采用TDMA的時分多址接入方式和中繼多跳傳輸技術，實現多節點間的傳輸控制，保證數據的可靠性傳輸，實現各節點間的信息共享；時隙采用動態分配、靜態占用的原則，采用高傳輸帶寬、高傳輸速率和低傳輸時延技術，滿足防空協同作戰系統各節點間信息實時傳輸需求［5-6］。

協同設備以實用、可靠、經濟為原則，使用成熟技術，采用低功耗、低成本、小型化和模塊化的設計思想，功能可裁剪，系統可升級。設備操作簡單，使用方便，采用通用接口設計，通過擴展串口、網口和CAN 總線等接口可接入高炮防空武器系統、輕型導彈防空武器系統等現有防空武器系統，也可以接入未來分布式防空協同作戰模式下獨立的防空指揮控制節點、探測跟蹤節點和火力節點，實現整個防空協同作戰系統內各節點間的信息交互，其在防空體系中的位置如圖1 所示。

圖1 協同設備在防空體系中的位置

防空協同設備本身由5 部分組成：無線功率放大模塊、無線通信模塊、通信控制及數據處理模塊、協同網有線通信模塊、電源模塊。如圖2 所示。

圖2 協同設備系統組成

其中，通信控制及數據處理模塊是整個系統的核心，具有通信接口控制、GPS 數據的傳輸控制、數據實時處理和人機交互操控等功能，可以完成通信接口復用、通信協議轉換、GPS 數據接入和處理、人機操控及設備參數配置。也可以根據需要完成時空配準、航跡關聯和威脅度判斷等協同作戰信息的處理任務。

1.1 通信控制及數據處理模塊組成

通信控制及數據處理模塊按照功能劃分，主要可分為通信控制管理單元、數據處理單元、時空服務單元、通信接口控制管理單元、人機交互單元、狀態顯示及告警單元和電源管理單元等部分組成，如圖3 所示。

圖3 通信控制及數據處理模塊內部組成

1.2 人機交互單元功能需求

1.2.1 為分布式配置提供參數

人機交互單元具備接口控制、協議轉換、信息處理、人機操控及設備參數配置功能。

協同設備采用分布式自組網技術，其構建的無線通信網絡無需事先規劃部署，開機即可使用。對拓撲結構沒有限制，可通過自動拓撲學習，計算規劃傳輸路徑并按需分配信道資源，對于多樣化的應用場景適應性更好，降低操作人員工作難度。

當協同設備處于分布式配置協同作戰模式時，由人機交互單元提供本節點信息，包括節點號、當前無線信道工作頻率、當前無線通信模塊工作功率。同時，人機交互單元還可以處理節點間交互報文。

通過以上配置，實現各節點間作戰信息的實時傳輸和共享。

1.2.2 狀態顯示與故障告警

人機交互單元還具備狀態顯示、故障告警、鏈路狀態指示及在線檢測功能。協同設備在工作過程中通過操控面板指示燈，對當前工作狀態（含設備自檢、故障警告、鏈路狀態指示和衛星狀態指示等）和無線信號強度進行顯示，可根據操控面板的指示信息對設備中各模塊的工作狀態和故障情況，通過軟硬件相結合的方法對硬件設備進行在線檢測，實現對故障的隔離和快速定位，縮短維護維修時間。

1.3 人機交互單元各個功能模塊總體設計

人機交互單元選用數碼管顯示和參數配置旋鈕和按鍵實現人機交互功能。數碼管主要顯示當前無線節點的站號，參數配置旋鈕可設定無線信道參數（如頻率、發射功率等）等信息。用戶可以通過參數配置按鍵對通信設備的無線參數進行快速修改。人機交互單元還預留與指揮節點協同指揮終端及火力節點火控計算機的通信接口，用戶可通過上位機參數配置軟件對協同設備的運行參數和整個網絡的規劃參數進行查詢和修改。

狀態顯示與故障告警功能主要通過面板指示燈的形式指示模塊當前工作狀態。包括工作指示、衛星狀態指示和告警指示等。故障告警包括設備故障和鏈路故障告警等。人機交互單元的各個功能模塊組成如圖4 所示。

2 人機交互單元硬件設計方案

用于人機交互的操控及狀態顯示板組成如下：主控芯片、數碼管、微動開關、頻率選擇開關、功率選擇開關、工作狀態指示燈、GPS 狀態指示燈。

本項目選擇基于Cortex—M3 內核的LPC1768嵌入式微控制器作為主控芯片。其具備UART、SPI、SSP、I2C、ADC、DAC、CAN 等多個接口以及電機控制PWM、定時器、實時時鐘等豐富的資源。其電路原理圖如圖5 所示。

圖5 主控芯片LPC1768

數碼管和微動開關用于顯示并上報本站站碼（ID 號）；頻率選擇開關用于設置無線通信模塊的頻率；功率選擇開關用于根據實際環境設置無線通信模塊的功率。定位定向指示燈及GPS 狀態指示燈用于顯示設備是否正常工作。

操控及狀態顯示板成為通信控制板和士兵之間的橋梁，達到了人機交互的目的。其外圍設備電路原理圖如下頁圖6 所示。

圖6 外設電路

3 人機交互單元軟件設計方案

軟件設計分為兩個部分：通信控制板與操控及狀態顯示板之間、外設電路與操控及狀態顯示板之間。通信控制模塊與操控及狀態顯示板之間通過串口進行數據通信。外設電路與操控及狀態顯示板之間通過I/O 口控制。

3.1 操控板與控制板之間的通信設計

通信控制模塊與操控及狀態顯示板之間通過串口進行數據通信，波特率為115 200。報文格式如圖7 所示。

圖7 報文格式

標識位說明：04：配置幀；05：應答幀；0F：站點重復幀。報文處理流程如圖8 所示。

圖8 報文處理流程圖

3.2 操控板對外設電路的控制

2 個數碼管分別表示本站ID 號的十位和個位，采用共陽極接法，低電平點亮。3 個按鍵分別用于本站ID 號增大、本站ID 號減小、確認本站ID 號并上報。具體流程如圖9 所示，從左依次為：本站ID 號增大、本站ID 號減小、上報本站ID 號。在頻率選擇開關的檔位發生改變時，及時上報當前節點選擇的最新頻率，其操作流程如下頁圖10 所示。

圖9 按鍵操作流程圖

圖10 頻率選擇開關工作流程圖

4 人機交互單元功能測試與設計效果分析

根據某型防空協同設備項目的總體要求以及人機交互單元的功能設計，對其各個功能模塊進行測試。

4.1 測試本站號碼的上報與配置

人機交互單元上電后，數碼管初始值為0，操作員通過按鍵可自行設置本站號碼并上報，若站號與其他節點不重復，則收到上級的確認報文；若站點重復，則上級發送站點重復提示報文，數碼管閃爍，操作員重新設置本站號。

在系統運行一段時間后，上級根據現有網絡拓撲，對所有節點進行重新配置，節點收到新的配置報文后，更新本站號，用數碼管顯示。

經過測試，此功能滿足設計規劃。

4.2 測試節點無線通信參數上報

人機交互單元上電后，轉動微動開關的檔位，通過報文告知上級最新的無線通信頻率，上級收到此條報文后，回送確認報文。

經過測試，此功能滿足設計規劃。

4.3 測試節點狀態指示

人機交互單元上電后，各個指示燈均正常顯示綠色。人為斷開GPS 模塊饋線后，衛星狀態指示燈變紅，提示異常，連接饋線后，指示燈變綠，提示正常；人為斷開人機交互單元的串口，故障告警指示燈變紅，提示設備有故障，重新連接串口，指示燈變綠，提示設備正常；人為關閉本節點的無線通信模塊，鏈路狀態指示燈變紅，提示鏈路故障，打開無線通信模塊后，指示燈變綠，提示鏈路正常。

經過測試，此功能滿足設計規劃。

實際測試人機交互單元時的報文情況如圖11所示，測試本站號碼的情況如圖12 所示。

圖11 測試報文

圖12 測試報文

經過對人機交互單元各個功能模塊的測試，其狀態良好，滿足項目總體設計。

5 結論

根據某型軍貿防空協同設備項目的總體要求，以可靠的產品和技術為基礎，以未來防空作戰需求和外貿防空市場為牽引，以設備輕型化、模塊化為重點，本文設計了一種基于ARM 的人機交互功能模塊，包括人員操控、狀態顯示、告警提示。基本滿足了項目總體要求。在后續工作中，將會對硬件電路進行升級，增加E2PROM 等芯片，用于存儲本節點信息，在重啟設備時直接獲取本節點信息或者上級直接調取本節點信息。同時，芯片主控軟件也會增加相應功能的控制程序。進一步增強模塊的通用性，為批量列裝打下堅實的基礎。