一种航姿系统综合训练装置的设计

周玉平，高 峰，姚凌虹，王小飞，申江江

（海军航空工程学院青岛校区 山东 青岛 266041）

一种航姿系统综合训练装置的设计

周玉平，高 峰，姚凌虹，王小飞，申江江

（海军航空工程学院青岛校区 山东 青岛 266041）

文中设计了一种航姿系统综合训练装置，该装置能够模拟多个机型的航向姿态系统的操作训练科目，既可以通过有针对性的训练使受训者了解航姿系统的原理和结构，又可以使受训者对航姿系统的通电检查、工作状况检查及一般故障排除方法进行训练。实践表明，该设备满足了部队日常操作训练与技术保障的实际需要，提高了部队维护人员的装备技术保障能力。

航姿系统；训练科目；装备保障

航向姿态系统（下文简称“航姿系统”）是重要的机载设备之一，主要用以测量、指示飞机的航向角和姿态角并向机上其它设备提供航向和姿态基准[1-5]。目前，由于没有专门用于实操训练的航姿系统训练装置，导致航空兵部队新装备的维护保障水平和使用效果受到极大的制约[6]。为了进一步提高航空兵部队的新装备训练水平，满足一线部队岗前培训及新装备训练急需，研制航姿系统综合训练装置具有重要的现实意义。

文中设计了一种航姿系统综合训练装置，该装置以航姿系统实装为依托，以工控机为核心，利用机内的微控制单元、控制切换单元、故障设置模拟单元及专家系统，实现对多型飞机航姿系统在非机载环境下的系统性能检测训练、系统配置训练、定检与通电方法训练、罗差校正方法训练、典型常发故障的模拟与排除训练、训练结果自动评定等功能。该装置可以为维护人员正确使用航姿系统，迅速判断航姿系统性能好坏提供科学依据，同时也可为维护人员分析和排除航姿系统故障提供有效的帮助。

1 系统整体组成

在分析航向姿态系统工作原理、技术指标、组成及工作过程、操作使用方法和维护检修方法的基础上[7-10]，进行了系统的软、硬件设计。其次，在充分消化、吸收军内外训练装置特点的基础上，确定了本系统的软硬件平台。整个系统由电源控制及故障模拟柜、多功能模拟座舱、传感器（全姿态组合陀螺和磁航向传感器）、放大器、继电器盒、转台（非磁性转台和两轴转台）、机载设备操作台、交直流一体特种电源等组成，其结构框图如图1所示。

2 系统详细设计

航姿系统综合训练装置主要设计内容包括电源控制及故障模拟柜设计、机载设备操作台设计、交直流供电电源设计、系统抗干扰设计、多功能模拟座舱硬件设计和罗差校正方法训练装置设计等。

图1 训练装置结构框图

2.1 电源控制及故障模拟柜

电源控制及故障模拟柜由故障设置与模拟单元、通讯单元、控制切换单元、电源变换调理单元、电量综合显示单元和工控机系统（包括显示器、显卡、内存、硬盘、键盘等）等组成。

1）故障设置与模拟单元

故障设置模拟单元主要由微控制器和多功能继电器板卡组成。微控制器接收主计算机的指令，操作多功能继电器板卡，控制航姿分离部件的供电电路、传感器电路、传输线路、放大器电路、控制盒电路、继电器盒电路、指示器电路，采用断路、短路和串入电阻模拟支路电阻变化等方法，实现航姿分离部件及航姿系统的供电故障、组合陀螺故障、磁传感器故障、传输线路故障、放大器故障、控制盒故障、继电器盒故障、指示器故障等188个典型常发故障的现场模拟。

故障设置与模拟单元主要由：微控制器、控制切换、故障设置转换、分析判断输出、部件接入控制等一系列模块组成，其内部结构及交联关系如图2所示。

图2 故障设置与模拟单元内部结构及交联关系图

2）通讯单元

整个装置利用429总线信号PCI卡实现429总线信号的接收与发送，利用1553B总线信号PCI卡实现1553B总线信号的接收与发送[11-12]，利用4串口通讯卡PCI-1610B实现自行设计板卡与工控机的通讯。232与485转换电路图如图3所示。

图3 232与485转换电路图

3）控制切换模块

由于航姿系统设备多 （包含2个全姿态组合陀螺、2个磁航向传感器、2个综合放大器、1个继电器盒、3个地平指示器、2个综合航向指示器、3个航向位置指示器、1个领航指示器、1个航向复示器、1个控制盒及相关控制切换电门），交联关系复杂，系统资源（电源、显示、角度转换模块等）必须共享，为此设计控制切换模块，其核心是以计算机和微控制器为控制中心，设计控制切换转换电路，实现不同训练科目的电路转换。

整个装置通过 64路数字量输出量卡 PCI-1752U实现开关量、数字量信号输出，同时作为继电器组控制切换模块的控制信号。由计算机控制完成不同训练科目时的电路转换，为保证工作可靠性，继电器的工作电源与计算机的电源利用光电耦合器进行隔离。为增强继电器工作可靠性，加入三极管增强驱动能力。续流二极管可有效保护继电器线圈。控制切换单元结构图如图4所示。

图4 控制切换模块电路图

2.2 机载设备操作台

多功能模拟座舱由左右驾驶员仪表板、第一领航员仪表板、第二领航员仪表板及交联输出测试仪表板组成。其中3个地平指示器、2个综合航向指示器、3个航向位置指示器、1个领航指示器、一个航向复示器、1个控制盒、相关控制切换电门等实装分别安装在左右驾驶员仪表板、第一领航员仪表板、第二领航员仪表板，通电控制与交联输出单元在交联输出测试仪表板上，模拟座舱接线盒安装在后部。多功能模拟座舱各组成部件的外观设计、安装方式、电路控制关系等与多型飞机的机载航姿系统完全一致，模拟和创造了与机载航姿系统一样的工作环境，使训练对象的使用操作更加逼真。

2.3 交直流供电电源

交直流供电电源在输入市电三相380 V/50 Hz电源的情况下，通过内部单片机和电源变换模块的控制、变换、处理，可以有效输出三相36 V/400 Hz的交流电、单相115 V/400 Hz的交流电和直流27 V直流电。交直流供电电源的核心是三相正弦波逆变电源。由三相正弦波逆变电源由CPU智能控制中心、上位机控制接口、键盘显示接口、电流电压温度采样模块、过流断路保护模块、光电隔离模块、驱动电路、DC/DC及AC/DC电源模块、IGBT模块、滤波电路等组成。三相正弦波逆变电源如图5所示。

图5 三相正弦波逆变电源

2.4 系统抗干扰设计

对于单片机系统抗干扰性能的好坏直接影响到整个训练装置工作的可靠性与安全性。因此，抗干扰设计是训练装置设计的一个主要内容，主要采用硬件与软件相结合的抗干扰措施。

系统硬件抗干扰设计主要包括去耦滤波电路和屏蔽技术。在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去耦电容，作为去耦滤波电路。将数据处理电路、单片机系统与外部进行屏蔽隔离，避免外部环境对单片机系统产生干扰。系统软件抗干扰设计主要包括软件去抖动措施、指令冗余技术和软件陷阱技术。在RAM中设一些标志，在每次程序复位时，通过这些标志判断复位原因，并根据不同的标志直接跳到相应的程序，使程序运行具有连续性，避免程序弹飞。

3 软件的设计与实现

系统使用Visual Basic的MSComm控件控制计算机与机柜的数据通信[13-15]，对机柜的每个单元结合训练科目建立了子程序模块，对需要控制的航姿系统及部件的交直流供电电路、信号传输电路、同步随动系统电路、控制电机的激磁和控制绕组、放大器的输入输出电路、继电器盒的电源及控制电路等分别建立子程序模块，在故障设置时进行调用，以此实现故障模拟。

系统软件主要包括串行通讯模块、角度信号发送模块、角度信号采集模块、中断服务模块、在系统编程（ISP）模块和数据转换模块等，其中串行通信为软件设计的核心部分，系统利用此模块实现一主多从的计算机间的通信。uPSD3254作为主控计算机，由其控制整个通讯过程，主机UART通讯流程图如图6所示。

图6 主控程序流程图

主控计算机通过不同地址控制各个从机，每一次的通讯过程都有主机发动。通过地址寻址到从机后，屏蔽其它从机，只与该从机进行通讯。具体通讯过程中，可设置各种命令和状态。从机UART通讯流程如图7所示。

图7 主控程序流程图

从机接收主机发出的地址信息，与本机地址进行比较，地址不同的从机停止通讯，地址相同的从机与主机一对一通讯，针对不同的命令和状态完成各项工作。

4 结 论

文中设计的航姿系统综合训练装置成功解决了航空兵部队和院校训练装备缺乏的现实难题，具有训练内容全面、功能齐全、人机交互界面良好、可靠性高、排故训练真实全面的优点，满足了部队新装备日常操作训练与技术保障的实际需要，为一线部队开展技术培训，提高部队维护人员的装备技术保障能力，满足第一任职需要提供了装备保障。

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Design of training device for attitude and heading reference system

ZHOU Yu-ping，GAO Feng，YAO Ling-hong，WANG Xiao-fei，SHEN Jiang-jiang
（Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Branch，Qingdao 266041，China）

This paper designs an training equipment for attitude and heading reference system，it can simulate the operation training subjects for multi-aeroplane attitude and heading reference system，which can make the learners realizing the principle and construction of attitude and heading reference system，while providing the training chances about energized detection，operation situation detection and general faults isolation.Practical experience indicates that it satisfies the army needs of daily operation training and technically guarantee while improving the technically guarantee capability of maintenance workers.

attitude and heading reference system；training subject；equipment guarantee

TN820

A

1674-6236（2017）09-0117-04

2016-04-04稿件编号：201604029

周玉平（1963—），男，河北正定人，高级工程师。研究方向：航空仪表。