某型机载电子吊舱维护训练系统设计
2014-11-14陈鸿李进杰高伟刘雅娟杜江波
陈鸿+李进杰+高伟+刘雅娟+杜江波
摘 要：针对某型机载电子吊舱维护训练成本高、组织难、周期长等问题，设计实现了一种基于半实物仿真的维护训练系统，该系统不仅在外观、连接和操作上与实装一致，同时在内部设计了信号仿真、故障设置、状态采集电路，通过采用通用I/O模块及RS 485总线主从方式构建远程测控体系，实现对电子装备工作状态的仿真。在此基础上设计内外场维护训练平台，能仿真内外场通电测试中对吊舱的操作控制，可灵活设置故障并真实再现故障现象，实现了对该型吊舱一二线技术保障训练的全过程仿真。实际应用表明，采用该系统实施吊舱维护训练能有效节约训练成本，降低训练风险，提高训练效果。
关键词： 维护训练器； 半实物仿真； 航空电子装备； 机载电子吊舱
中图分类号： TN919?34； TP391；V267.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0084?04
Design of maintenance training system for an airborne electronic pod
CHEN Hong1， LI Jin?jie1， GAO Wei1， LIU Ya?juan1， DU Jiang?bo2
（1. Qingdao Branch， Naval Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266071， China；
2. Naval Unit 92492 of the Chinese Peoples Liberation Army， Ledong 572528， China）
Abstract： Since the maintenance training of a certain airborne electronic pod has high cost and long cycle， an airborne electronic pod maintenance training system based on semi?physical simulation was designed. The external form， connection and operation of the system are similar to actual equipment. The signal simulation， fault setting and state acquisition circuits were designed in the maintenance training system. The universal I/O modules and RS 485 bus were adopted to monitor and control these circuits. Based on this remote control structure， the maintenance training platform was established to realize the whole technical support training process simulation. It can simulate testing operations which are identical to actual operations of detection device. It can set typical faults， which are accordant with real faults. The practical application effects show that the system is feasible and efficient for the airborne pod maintenance training.
Keywords： maintenance training device； semi?physical simulation； avionics； airborne electronic pod
某型机载电子吊舱具有技术先进、结构复杂、价格昂贵等特点，相应的测试维修相对复杂，对该型吊舱的技术保障离不开技能娴熟、维修经验丰富的地勤人员。但现行的维护训练通常结合飞行任务并行实施，存在组织实施困难，训练成本高，对实际装备有损耗等缺陷，且受到场地、天气等多种条件制约，训练时间有限，人员培养周期长。基于虚拟仿真技术或半实物仿真技术的维护训练系统能够有效克服结合实装进行维护训练带来的问题[1?2]。其中半实物维修训练采用物理模型模拟装备的真实外观，而在计算机上仿真实现装备的工作原理。由于半实物训练平台具有实装外形，对其进行维修训练操作基本与实装一致，可以给维修人员带来良好的实践动手能力训练，因此在各型航空维修训练系统中得到了广泛的应用[3?6]。本文基于半实物仿真方式设计实现了该型机载吊舱维护训练系统。
1 维护训练系统功能设计
该机载电子吊舱维护训练系统满足一二线技术保障全程训练需要，具备的功能有：
（1） 内场检测训练功能，能够模拟内场自动测试设备（Automatic Test Equipment，ATE）对仿真吊舱进行数百项详细性能指标的检测，用于训练维护人员内场通电检测操作技能和指标分析判读能力。实现的难点是如何根据仿真吊舱的工作状态、故障设置给出相应的检测结果。
（2） 外场通电训练功能，能够对起挂装机状态的仿真吊舱进行机上通电检查，能模拟机上显控盒对吊舱的上电、自检、功能检查等操作，并给出相应测试结果。用于训练维护人员机上通电操作技能和外场快速反应能力。
（3） 典型故障设置功能，能够在仿真吊舱内各外场可更换单元（Line Replaceable Unit，LRU）及连接电缆上设置故障，模拟包括器件故障、线路通断、性能下降等多种实际工作中常遇到的典型故障，用于训练维护人员故障分析和排除能力。其难点是如何根据设定的故障，在训练中仿真出相应的故障现象。
（4） 起挂转运训练功能，能满足仿真吊舱从内场转运到外场，起挂安装到机上挂架的操作训练需要。
（5） 拆卸安装训练功能，能满足对吊舱舱体蒙皮、各LRU的拆装训练需要。
2 硬件设计与实现
根据上述系统功能，对该型机载电子吊舱维护训练系统进行了硬件设计，系统硬件可分为4大部分：半实物仿真吊舱、采集与控制单元、内场检测平台、外场机上平台，如图1所示。
图1 吊舱维护训练系统硬件组成
2.1 半实物仿真吊舱
半实物仿真吊舱采用1∶1比例真实模拟实装外形，以及内部各LRU的连接和固定方式，能够替代实装作为维护训练时进行通电检查、安装拆卸、起挂转运等，操作难度大、危险系数高、损坏可能性大的实践动手科目的训练平台。半实物仿真吊舱是否逼真，是否具有可操作性，除了外观与实装一致外，更重要的是如何模拟内部的各种信号。仿真吊舱内部根据通电检查、地面检测、故障设置等维护训练需要设计了相应的仿真电路，按照作用可分为以下3种：
（1） 信号仿真电路，在一定制作成本下，采用低频信号替代射频信号，低功率信号替代高功率信号，RS 485总线替代机上总线等方法建立电子装备的主信号通路。信号通路的通断和工作状态的切换由程控继电器来控制。
（2） 故障设置电路，用于对LRU或线路的故障状态进行设置，通过多个故障设置点来设置不同故障状态，如：良好、失效、性能下降等。
（3） 状态采集电路，通过在信号检测点、故障设置点引出采集电路，来实时获取整个仿真吊舱的工作状态和故障信息。
同时为了保证仿真的逼真度，所有这3种电路的走线尽量依照实装电缆实际信号走线，尽量不增加额外线路。
2.2 采集与控制单元
采集与控制单元是仿真吊舱与外场机上平台和内场检测平台实现交联的关键单元。其完成2大功能：一是响应上位机（座舱/检测工控机）的控制指令（上电、自检等），改变仿真吊舱的电路工作状态；二是实时采集仿真吊舱的电路信息（工作状态、故障状态等），并上报给上位机。这两大功能归结起来，就是实现对半实物吊舱内各电路控制点和状态采集点上仿真量的监测与控制。这里所谓的仿真量，是指表示电路通断、连接状态的数字量，或是表示功率强弱、频率高低的模拟量。换句话说就是要实现对仿真吊舱内数字量与模拟量的远程测控。考虑到整个仿真系统测控量较多（超过300个），且测控距离较远（超过15 m），可采用目前市场上使用比较广泛的远程I/O模块，如：研华公司的ADAM系列、研祥公司的Ark系列、研发公司的DAC8000系列等。这类I/O模块能够独立提供A/D，D/A，DI，DO，数据比较和数据通信等功能，通用性好，可靠性高，价格也比较低。
系统采用RS 485串行异步半双工通信协议，将多个远程I/O模块并联在一个总线下，以上位机作为主机实现主从式的远程数据采集控制，如图2所示。在内场以检测工控机为上位机，在外场以座舱工控机为上位机，两者共用该采集与控制单元，以节约成本。而整个采集与控制单元安装在半实物吊舱内部，经由吊舱脱落插头对上位机提供统一的RS 485总线接口（工控机一端在COM口安装RS 232转RS 485模块）。
2.3 外场机上平台
外场机上平台包括显控盒、座舱工控机以及机上通用挂架等设备，能够真实模拟外场机上维护训练环境，是进行吊舱机上通电检查、接口检测、线缆测试、故障排除等科目训练的硬件平台。其中，显控盒实际上是一个人机交互接口，对显控盒的按键监听和指示灯控制可采用嵌入式单片机来仿真实现。单片机在周期性扫描显控盒按键开关阵列的同时，读回扫描结果，判断是否有键按下，并计算按键编码，然后将编码发送到座舱工控机中。座舱工控机为外场机上平台的信息处理中心，在响应显控盒上用户操作的同时，把用户的操作转换为指令，通过RS 232转RS 485总线与采集与控制单元交联，实现对仿真装备的通电控制；同时采集仿真装备的当前工作状态，在显控盒和多功能显示器上显示对应信息。
2.4 内场检测平台
内场检测平台能够模拟ATE的功能，具有与实装一致的操作界面，能够对仿真吊舱进行数百项性能指标的详细检测，其测试的深入程度是外场机上通电检查所不能比拟的。仿真实现中，其强大的检测功能通过运行在检测工控机的软件实现。检测工控机也通过RS 232转RS 485总线与信息采集与控制单元通信，在检测过程中根据需要自动发送控制指令，使仿真吊舱工作于某种指定状态（上电、自检等），然后采集该状态下仿真吊舱内各测控点的信息，最后依据这些信息给出对应的检测结果。
3 软件设计与实现
在吊舱维护训练系统中运行的软件主要有2个：运行在外场机上平台座舱工控机上的“机上显控仿真软件”和运行在内场检测平台检测工控机上的“内场检测仿真软件”。
3.1 机上显控仿真软件
该软件是座舱工控机实现机上通电检查时进行显示控制的核心，其组成如图2所示。
图2 机上显控仿真软件组成框图
机上显控仿真软件具备2大功能：
（1） 座舱按键响应及显示控制，通过实时监听与机上显控器内单片机交联的RS 232通信串口，来响应不同地址编码的按键，调用对应的响应函数，如加电、自检、功能检查等；同时控制显控器指示灯的显示；
（2） 仿真装备状态控制与采集，通过RS 232串口通信与采集与控制单元交联，向仿真吊舱发送各种控制指令，同时循环监听仿真吊舱的状态变化，调用对应函数响应该变化。
3.2 内场检测仿真软件
内场检测软件的模块组成如图3所示，其运行流程如下：软件启动后，首先初始化各种测试资源，连接仿真吊舱；然后等待用户操作选择需要的测试项目，启动检测；接着在测试过程中自动控制仿真吊舱的工作状态，同时由采集到的信息（状态码、故障码等）得出某项具体指标的检测结果，逐项检测，逐项给出结果；最后，测试结束时记录所有检测结果，并释放测试资源。
图3 内场检测仿真软件组成框图
3.3 编程实现
上述2个软件运行在Windows XP环境下，由C#语言开发实现。软件采用模块化设计，从横向上可分为3个层次：接口层、检测层、应用层。底层为接口层，实现RS 232串口通信；中间为检测层，实现仿真吊舱状态的控制和采集；最上层为应用层，实现具体测试功能和人机交互。由于采用一致的底层硬件结构，因此上述2个软件可重用接口层与检测层中的功能模块，降低软件开发成本。其中，接口层的RS 232吊舱通信接口采用NET Framework 2.0 类库包含的 SerialPort 类开发，可方便地实现与仿真设备内采集与控制单元的串口通信。为保证指令传输的完整性和正确性，定义了上位机与仿真装备的通讯协议。协议的格式为：头+地址+数据正文+校验，例如：DD AA 01 02 03 EA。串口接收到数据后需按协议解析得到状态码，等待检测层处理。同样发送控制指令时，需要将指令码按协议封装，以便仿真装备相应地址的控制点响应。接口层串口通信编程实现的核心代码如下：
private SerialPort Com = new SerialPort（）；
private List
private byte[] State_Code = new byte[4]； //接收到的状态码
private bool bCodeReceived = false；
Com.DataReceived += Com_Receive； //添加串口接收事件
void Com_Receive（object sender， SerialDataReceivedEventArgs e）
{
int n = Com.BytesToRead； //串口接收到的数据长度
byte[] buf = new byte[n]；
Com.Read（buf， 0， n）； //读取串口数据
buffer.AddRange（buf）； //把数据放入接收缓存
while （buffer.Count >= 6） //达到一个数据包长度
{
if （buffer[0] == 0xDD） //查找数据头
{
byte checksum = 0；
for （int i = 0； i < 4； i++）
//异或校验，确认数据正确
checksum ^= buffer[i]；
if （checksum == buffer[5]）{
//如果数据校验正确，解析该数据包
buffer.CopyTo（0， State_Code， 1， 4）；
//解包获取状态码
bCodeReceived = true； }
buffer.RemoveRange（0， 5）； //从缓存中移除数据
}
… …
}}
检测层的装备状态采集模块对采集到的仿真装备状态编码的解析，并调用应用层的响应函数，完成座舱内显示结果的实时更新，或是得到内场检测的相应结果。检测层的装备状态控制模块响应应用层的控制函数，产生对应的控制码，通过调用接口层的串口发送函数，将指令发送到仿真装备对应地址控制单元，完成对装备状态的控制。检测层装备状态采集与控制模块编程实现的核心代码如下：
private void StateAcquisition（） //装备状态采集函数
{
if （bCodeReceived） {
Switch（State_Code[0]）{
//依据状态码地址，判断采集点类型
case： 0x01 //发射机
GetTransmitterState（State_Code）；
break；
case： 0x02 //控制器
GetProcessorState（State_Code）；
break；
… … } }
private void timer1_Tick（object sender， System.EventArgs e） //定时函数
{StateAcquisition （）； //不断循环采集装备状态
… …}
4 结 语
本文设计实现了一种基于半实物仿真实现的机载电子吊舱维护训练系统。该系统的外形和内部结构与实装一致，具备真实的操作感，能够满足对吊舱进行机上通电、内场检测、拆卸安装、起挂转运等训练的需要，同时扩展了实装不具备的故障设置功能，从而既能做常规维护操作训练，又能进行各种突发故障的排除训练，较大程度上增强了该型机载电子吊舱维护训练手段，为理论教学与技能训练的有机结合搭建了良好的平台。经过实际使用表明，该训练系统能有效克服实装训练中存在的问题，且可扩展性好，使用方便，可靠性高，其设计方法在各型航空电子装备维护训练模拟器中具有一定的推广应用价值。
参考文献
[1] WANG G H， LI X R， XING H G， et al. Design and development of the newest armored equipments weapon maintenance training simulation system [C]// Proceedings of 2012 International Conference on Quality， Reliability， Risk， Maintenance， And Safety Engineering （ICQR2MSE）. Washington： IEEE Press， 2012： 1368?1371.
[2] DE CRESCENZIO F， FANTINI M， PERSIANI F， et al. Augmented reality for aircraft maintenance training and operations support [J]. IEEE Transactions on Computer Graphics and Applications， 2011， 31（1）：96?101.
[3] 李柯，魏保华，郑思龙，等.某型防空导弹半实物仿真训练模拟系统设计[J].计算机仿真，2008，25（1）：297?301.
[4] 李向阳，张志利，黄先祥，等.大型武器装备故障诊断训练系统仿真开发研究[J].系统仿真学报，2009（21）：6770?6773.
[5] 查国云，刘鹏飞，陈秋凤，等.某型飞机航空军械仿真训练系统设计[J].计算机测量与控制，2011，19（10）：2455?2458.
[6] 钟春华，许炎义，刘峰.基于半实物仿真的舰员级雷达维修训练系统设计[J].舰船电子工程，2011，31（11）：125?149.
[7] 刘颖，朱元昌，邸彦强.面向维修训练的故障建模、仿真与评估[J].计算机工程，2007（13）：245?247.
[8] 龙勇，黄先祥，张志利，等.基于视景仿真的某型武器分布式模拟系统设计[J].系统仿真学报，2006（7）：1820?1823.
[9] 邹益民，徐赤.借助Simulink 及ADAM 模块构建半实物仿真系统[J].自动化仪表， 2013，33（10）：9?12.
[10] 高伟，陈鸿，刘雅娟.基于半实物仿真的某型机载电子设备训练模拟器设计[J].现代计算机，2013（6）：74?76.
