某雷达模拟训练系统控制台工程设计与实现

2012-04-24 08:12马慧萍聂昌龙侯少岭

电子科技 2012年9期

马慧萍，聂昌龙，侯少岭，刘朋

(中国人民解放军63889部队1分队，河南孟州 454750)

随着微电子、计算机、网络技术的发展，越来越多的先进技术应用到了以训练、分析、模拟和仿真为目的大型装备模拟系统中。装备模拟系统是一种与实物大小相同的装备模型，操作手操作模拟系统的方法与操作实际装备方法基本一致，且所能观察到的现象应与实际装备在真实环境中操作所得到的现象基本一致。与实际装备相比，模拟系统成本低、易实现，且操作更安全、更经济，因此，装备模拟系统为快速有效地培养新操作手的重要手段。

以训练操作手为主要目的的装备模拟系统被称为装备模拟训练系统，雷达作为大型军用装备，其模拟训练系统的设计与实现具有代表性。雷达模拟训练系统主要进行的是功能上的模拟［1］，也就是“现象模拟”，即模拟训练系统能够对操作手的操作动作做出相应的反应，而且可以看到类似实际装备相应操作的结果现象，从而给操作手营造一个“真实”的模拟训练环境。

1 工程设计思路

进行雷达模拟训练系统控制台工程设计时，需要经过以下4个阶段:(1)需求、构造以及模型的确立;(2)方案论证、工程设计以及控制电路基本流程图设计;(3)控制台系统构造和装配、设计实现控制电路以及线路连通调试;(4)实施综合集成和软硬件功能联调。

首先需按照任务要求分析实际雷达控制台的结构、功能以及面板组成，寻找构建模拟训练系统的最佳模型。现代雷达一般都将任务交由智能控制计算机自动完成，面板按钮和人工操作尽可能少。因此，须详细分析每一个面板按钮和控制手柄、键盘操作所产生的现象，并将其详细列表，据此设计硬件逻辑控制电路。其次，要按照设计方案设计控制台工程实现图纸和控制电路流程图。也可以在这一阶段将请专门的设计公司来进行现场测量并制定方案，控制电路原理图设计好。第三步，根据设计方案进行控制台的板材切割、装配、喷塑、定型，同时根据控制电路图制作印制板、焊接芯片和元器件，并进行电路板测试，待控制台成型后进行装机联调等。

2 控制台设计与实现

某雷达的主要功能结构组成如图1所示，雷达发射机、接收机、数据处理机等要具体处理真实的雷达信号，需要复杂的硬件电路和软件模型来实现［2］。而模拟训练系统无需重复这些原理过程，只要实现过程所产生的结果，即对某次操作后雷达做出反应的“现象”进行模拟即可。

图1 某雷达主要功能结构组成图

据此思路设计模拟训练系统控制台，主要模拟实现如图1右侧虚线框内的结构。如此，模拟训练系统内部构造与雷达相比，简化了硬件电路和设备，其结构组成及相互连接如图2所示。

图2 某雷达模拟训练系统控制台内部构造

第二步是设计控制台实现图纸。控制台是给操作手提供的一个物理平台，它是全系统的控制、显示中心，主要由控制设备、终端显示设备、各种指示设备、输入输出设备及其它辅助设备组成。根据模拟训练需要，将操作用的物理设备集中在控制台上，设计力求做到布局合理稳固、性能安全可靠、各部分连线维护方便、易拆装、易维修、美观大方、具有良好的加固、减震和温控措施，并符合有关标准要求。图3为某雷达模拟训练系统控制台外观的设计简图。控制台设计图纸由制作方按照合同要求提供，注明了材质厚度、各部分长度、高度、斜面角度、圆角弧度以及配件安装位置等。

图3 控制台设计简图

其中左边为演示仿真系统，中间为主控计算机，右边为雷达PPI显示，用3台微机组建。显示器下方为装备操控按钮、指示灯、开关面板，平面面板上有角度、距离摇杆和控制按钮。3个键盘放置在角度、距离控制摇杆下方。系统的主控计算机完成主要控制，并在主控显示器上再现实际装备的主控界面;PPI显示器利用软件功能实现实际装备的雷达PPI显示功能;演示仿真计算机主要用于存储各类数据库、装备电子档案以及装备训练课件的演示、雷达性能的技术仿真研究。

3 控制电路设计与实现

雷达模拟训练系统一般需要设计两块控制电路板，分别为跟踪控制板和伺服控制板。跟踪控制板负责完成跟踪控制按键扫描、指示灯控制、手动摇杆信息的A/D转换与编码，并向主控计算机上传按键及A/D转换数据;伺服控制板负责完成平台上伺服状态按键扫描、指示灯控制，接收主控计算机传送的A/E角度数据并显示，向主控计算机上传按键状态数据等功能。设计时，各电路板的输出数据均遵从标准RS－232接口协议，与主控计算机通过串行口进行实时数据通讯。控制电路采用AT89C51单片机为核心处理器［3－4］，电路设计采用总线复用方式。控制电路板的设计结构如图4所示。

图4 控制电路的设计结构

3.1 跟踪控制电路

根据某雷达模拟训练系统要求，在开发跟踪控制电路板时要考虑以下几个方面:(1)由于数据发送要求实时性，故在使用单一处理器的条件下，上述按键扫描、指示灯控制和A/D转换功能只能以中断的方式在中断服务程序中得以实现，而主程序则用于数据的实时发送;(2)因为指示灯仅用于指示电路板中当前的按键状态，所以对于指示灯的控制由单片机自主完成，其数据不向计算机发送。(3)针对单一处理器I/O端口有限的情况，在电路中采用总线复用的设计方式完成对寄存器组、A/D转换通道选择、A/D转换数据录入的分时控制。由此设计跟踪控制电路板结构框图如图5所示，其中单片机(AT89C51)采用中断方式在中断程序中完成按键扫描、指示灯控制以及摇杆数据采集，并实时将按键及摇杆数据发送至主控计算机［3］。

图5 跟踪电路板实现框图

在此电路中，由于按键比较多而单片机的I/O端口数目有限，故此采用矩阵式键盘设计，如图6所示的4 ×6 按键阵列［5－6］。

图6 按键阵列示意图

3.2 伺服控制电路

伺服控制板主要完成的功能有按键扫描、指示灯控制、数据显示等，并将按键数据实时发送至PC机。为使电路板设计更具模块化，伺服板设计采用两块CPU工作，其中一块用于按键扫描处理及指示灯控制，另一块用于数据实时显示，并向PC机发送按键数据，实现框图如图 7 所示［7－8］。

由于数码管位数较多，故采用动态扫描的方法进行数据显示，每次显示4位，共分3次轮流显示。单片机在通电时，首先对程序进行初始化，之后进入主程序循环以实时显示天线方位和俯仰数据。天线数据以中断的方式传入单片机，单片机在接受数据时，首先分辨其是方位数据还是俯仰数据，然后分别存至各自缓冲区，最后再返回主程序对其调用显示之。程序流程如图8所示。