声光烟综合模拟装置设计及应用研究

陆阳 孙广平 张毅伟

【摘  要】 为提高火炮类武器装备在日常教学训练和综合操演任务中的应用效果，增强实战环境模拟真实度，满足火炮类武器装备岗位能力训练的战场氛围需求，可综合运用单片机技术、无线通信技术等研究开发声光烟综合模拟装置。该装置以单片机为主控MCU，开发软件控制程序，通过智能语音播放模块发声、高亮LED灯珠发光、舞台级烟雾机发烟，在声音、灯光和烟雾等效果方面模拟真实战场环境，为提高教学训练效果提供技术保障。

【关键词】 模拟战场氛围；声光烟综合模拟装置；硬件设计；软件设计

为加强军队人才队伍建设，武器装备的综合训练是必不可少的。传统的武器装备训练多采用模拟操作流程的方式进行，以口令和虚拟操作为主，特别是院校训练环境下，很难模拟战场环境，训练的真实场景和实战氛围不足。以火炮类武器装备为研究对象，设计面向实战环境的声、光、烟综合模拟装置，可实现火炮类武器装备实弹射击场景模拟，还能满足特殊训练场景下的环境模拟，如甲板火灾特情处置、战斗警报等。

一、总体方案设计

声光烟综合模拟装置包括硬件、软件两大部分，主要用于模拟火炮类武器装备射击时爆炸声音、炮口火焰及烟雾等功能。三种模拟效果分别采用大功率蓝牙音响、高功率LED灯珠、舞台级烟雾机（环保无毒）实现。声光烟综合模拟装置的三种模拟效果伴随火炮类武器装备射击的指令由程序自动控制协同输出，同时还能满足火炮类武器装备不同射速、发数的工作场景。总体方案框架如图1所示。

二、硬件设计

该模拟装置的硬件主要包括大功率蓝牙音响、高功率LED灯珠、舞台级烟雾机、主控箱、操作箱和通信接口等组成。硬件设计方案如图2所示。

其中蓝牙音响、LED灯珠和烟雾机通过市场采购获得；主控箱和操作箱因涉及操控和信号传输，是研究设计的重点。

（一）主控箱

主控箱安装在装备上，用于接收操作箱发出的信号指令，完成三种模拟效果的输出控制，内置主控MCU核心板、DY-HV8F模块、光耦隔离模块、继电器模块、电源板、无线透传模块等。

主控MCU核心板采用STM32F103RCT6单片机，支持多达80个GPIO、定时器、UART等硬件资源，满足方案的硬件资源需求。语音播放模块DY-HV8F板载8M字节Flash，支持MP3、WAV解码格式，支持IO、串口控制等多种工作模式，模拟装置方案采用IO触发。无线透传模块（433MHz）采用SX1278芯片，全双工透明传输，通信接口RS485，模块需成对使用，主控箱和操作箱各有一个。光耦隔离模块和继电器模块共同控制发烟器和高功率LED灯珠。

主控箱操控面板有四个按钮（参考图1），图中◎为自复位带灯指示按钮，可分别实现“信/检/停”和“声、光、烟”的显示和控制。

若“信/检/停”按钮连续闪烁表示通信正常，短按可触发声、光、烟协同输出一次或全部停止输出，长按则连续输出，输出速度最高2次/秒；“声、光、烟”按钮灯亮表示正在输出，短按可单独触发对应的输出，长按则连续输出。

（二）操作箱

操作箱位于设备操作间，内置主控MCU核心板、TTL转485模块、光耦隔离模块、无线透传模块和内置锂电池等。其中TTL转485模块用于实现主控与无线透传模块间的电平转换，无线透传模块用于实现与主控箱间的通信。

操作箱操控面板有8个带灯指示按钮（参考图1），可实现对“信/检/停”“低/声、中/光”“高/烟”“单/连”“2/警1”“3/警2”“4/警3”8个指示按钮的显示和控制。

“信/检/停”按钮连续闪烁表示通信正常，短按全部停止输出，长按进行射速切换；“低/声”“中/光、高/烟”按钮灯亮表示当前射速选择，短按可单独触发一次对应的输出，长按则连续输出；“单/连”按钮闪烁表示当前输出状态，短按可触发声、光、烟协同输出一次，长按则连续输出；“2/警1”“3/警2”“4/警3”按钮闪烁表示当前输出状态，短按可触发声、光、烟协同输出2、3、4次，长按则分别触发不同的警报声。

三、软件设计

声光烟综合模拟装置的软件主要包括初始化、按键检测处理、通信数据处理、主控逻辑和主控状态显示等模块。软件设计方案如图3所示。

（一）初始化模块

用于完成MCU硬件资源、中断使能、程序控制标志等初始化配置，硬件主要包括GPIO、定时器、UART等硬件资源。其中，GPIO输入配置上拉电阻用于检测按键的触发状态、输出为推挽输出以提高驱动能力实现指示灯的显示及声、光、烟输出控制；定时器配置为5ms自复位中断模式；UART配置参数为波特率115200、8位数据、停止位1、无校验。

（二）按键檢测处理模块

用于按键检测和按键触发后的处理。按键检测有防抖处理，假设按键抖动时t1…tn为按键按下时间段，t1′…tn′为抖动时间段，t0为松开后持续时间，t0大于40ms时，计为一次有效按键。按下持续时间为累计时间T=t1+…tn -（t1′+…tn′），当40ms

（三）通信数据处理模块

通信数据为主控箱及操作箱间的命令、状态、心跳三种数据。命令数据是当操作箱触发对应的按键时，会生成命令数据通过无线模块发送到至主控箱；主控箱在输出的过程中，会将当前输出的状态数据回传至操作箱，操作箱实时显示主控输出状态；心跳数据是主控箱和操作箱间定时互传的固定数据用于检测通信状态，当心跳数据接收超时后，主控箱自动停止所有输出，防止失控。在心跳数据保证的基础上，利用主控的DMA功能实现数据自动断帧，避免帧数据交叉。为防止弱信号出现数据错误，使用AA…55首尾字节判断，且每帧数据包含两组同样的数据，既规避数据错误可能导致的主控异常输出，又能最大程度保证命令的正常执行。

（四）主控逻辑模块

主控逻辑代码主要根据输出的状态标志（由操作箱命令数据或者主控箱按键触发）完成对应的模拟效果输出，输出周期控制480ms内。为避免高射下连续输出时出现交叉现象，同时考虑声、光、烟的各输出系统时延差异，并保证输出的协同性，假设射速周期T（T>=500ms），声音输出时间段为0～480ms，光为300～400ms，烟为200～400ms，480ms—T即空闲时间段。

（五）主控状态显示模块

主控在输出过程中，会实时将数据发送到操作箱，操作箱上对应的指示灯点亮指示当前主控箱输出状态，供操作者获悉主控当前工作状态。

四、模拟实现方案设计

声、光、烟3种模拟效果设计思路如下：

声音输出采用智能语音播放模块DY-HV8F，火炮射击的爆炸声及警报音频文件存储板载Flash，音频输出接入蓝牙音频发射模块，上电后可自动连接大功率音响，程序运行时，可控制MCU的IO驱动语音播放模块输出不同的音频声音，再通过蓝牙发射模块传送到音响发出对应的声音或警报声。

灯光输出为80W高亮LED灯珠，内置铜管和风扇散热，工作电压12V。由MCU经光耦隔离及继电器输出12V电源，实现LED的亮灭控制。

烟雾输出采用改造后舞台级烟雾机实现，由MCU经光耦隔离及继电器输出控制信号至烟雾机的改造后的手动控制按钮，完成烟雾的输出。

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