基于ARM+WinCE的某自行火炮火控系统模拟训练与考核系统设计与实现

程治新，张　瑞，黄丽娟，文谷生

（武汉军械士官学校自行火炮系，武汉　430075）

基于ARM+WinCE的某自行火炮火控系统模拟训练与考核系统设计与实现

程治新，张瑞，黄丽娟，文谷生

（武汉军械士官学校自行火炮系，武汉430075）

针对实装训练带来的数量不足、组织难度大、综合成本高等现实问题，构建了一套基于“ARM+WinCE”的自行火炮火控系统模拟训练设备；以ARM集成控制板为基础，设计了集信号采集与处理，计算、控制等功能于一体的火控系统基本电路；设计了基于WinCE、DSP、XML故障诊断硬件与软件，使得系统具有操作使用、理论与操作考核、故障诊断等功能；应用证明该模拟训练系统运行稳定可靠，极大提升了装备训练的效益。

自行火炮；火控系统；ARM；WinCE；XML

0　引言

实装训练具有形象直观、学用一致等优势，但也存在着装备数量有限、组织难度较大、维修保障任务重等现实问题，而且实装通常不具备训练考核和故障诊断的工作方式，难以实现操作使用、故障诊断训练与考核的结合［1］。为提高教学训练的效率与效益，本文开发了一套基于ARM处理器、Windows CE嵌入式操作系统的自行火炮火控系统操作使用与检测维修模拟训练系统。

1　总体设计

系统以完成某型自行火炮火控系统的操作使用、检测、维修训练与考核为基本目标，以实装结构为参考和基础，以各模拟单体为支撑，在完成实装基本功能的基础上，通过预留接口、设置故障诊断开关与监控电路、计算机软件等方法手段实现操作使用、检测维修、故障诊断的训练与考核［2］。

1.1功能设计

一是实现火控系统的计算、控制、交互等基本功能。主要以“ARM+WinCE”构成的软硬件为基础，在原理、结构、关重件、接口等方面与实装保持一致［3］。

二是正常操作使用的训练。以前述基本功能为基础，为受训者提供与实装一致的操作界面与环境，从而实现正常的操作使用训练。

三是理论考核。利用系统强大的计算机功能，通过建立理论试题库，开发基于可扩展标记语言（XML）的理论考核模块，完成对受训者的理论考核。

四是操作使用的考核。通过设计操作跟踪模块，记录受训者在操作过程中的动作及数据，并给出操作成绩，以此达到对操作使用的考核。

五是故障诊断训练与考核。在主要节点电路设置开关电路，模拟故障状态，通过状态监控电路监控主要电路工作情况，从而实现故障诊断的训练与考核。

1.2结构设计

模拟训练与考核系统以火控操作显示台为核心，包括火控计算机模拟设备、瞄准手显示器模拟设备、定位导航系统模拟设备，药温实时测量装置模拟设备，初速测量雷达模拟设备，姿态角传感器，高低测角器，方位测角器等，系统结构如图1所示。

2　主要硬件设计

硬件是系统实现训练与考核功能的基础，整个系统包括10个单体或系统，如图1所示。

2.1火控操作显示台

火控操作显示台主要完成与各下位机通信，数据计算，人机交互，控制各分系统上电等功能，是系统进行训练、考核的主体。

图1　模拟训练系统结构图

火控操作台控制原理如图2所示，其核心部分为连接有LVDS驱动板的ARM集成控制板，通过SD卡可以加载WINCE系统以及操控平台软件。

选用WinCE嵌入式开发单板机SBC8600B作为火控操作显示台核心板，CPU为ARM3359.它提供了丰富的板对板输出信号接口，包括Mc ASP信号、SPI信号、UART信号、TFT LCD信号、以太网MAC（EMAC）信号等等，使系统开发和硬件信号连接便捷可靠［4］。

DSP作为协处理器，用于故障模拟操作控制，检测模拟故障并将信息通过串行数据接口送给ARM控制板。

图2　火控操作显示台原理框图

2.2火控计算机模拟设备

火控计算机模拟设备主要完成数据采集与转换，与其他设备进行数据通信，完成操瞄解算并输出随动控制信号控制调炮。其原理框图如图3所示。

图3　火控计算机原理框图

火控计算机采用功能意群设计，共由7块电路板组成。包括一块6块功能电路板和一块母板，其中系统主控板是该设备核心，采用高性能的数字信号处理器（DSP）TMS320F2812作为核心CPU，它具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能价格比等优点，主控板原理如图4所示。

图4　火控计算机主控板原理图

轴角转换板的主要功能是将双通道的高低测角器（旋变器）及方位测角器（自整角机）信号引入，转换成高低角、方位角数字信号。轴角转换的方法较多，单片机、FPGA、专用转换模块均可完成，为提高开发速度和系统可靠性，本文采用中船716所的12ZSZ-02和12XSZ02系列芯片。

通信板主要功能是与火控系统其他模拟设备单体进行串行数据与命令的传输。通过串行口通信的单体有炮长火控操作显示台、瞄准手显示器、定位定向导航系统、初速雷达等模拟设备。通信方式采用标准RS232C串行通信，采用五线制，通信速率为9 600 b/s，为了保证模拟设备与各单体之间数据发送和接收的实时性，串行口接收数据均采用中断方式。

I/O转换板主要完成系统开关量的输入输出以及姿态角传感器轴角信号（旋变器）的转换，转换芯片选用中船716所的12XSZ-02系列。

直流电源板和交流电源板分别为系统提供+5 V、±15 V、26 V/400 Hz、36 V/400 Hz、115 V/400 Hz等电源。

2.3故障诊断电路设计

故障诊断电路主要有三大功能：一是针对典型电路提供人为可控的故障环境；二是为故障修复提供操作环境；三是通过特制信号对典型电路的工作状态进行判定。以轴角转换电路为例的故障诊断电路如图5所示［5］。

图5　故障诊断电路

3　软件设计

系统的软件主要完成数据计算，数据与命令通信，人机交互（界面），理论考核，操作考核，故障诊断训练与考核等功能。

系统软件的结构如图6所示，它是分4层编写，以提高程序的可管理性、实效性和协同性，它由底层向上依次是底层数据和通讯、设备和数据处理层、中间管理层、图形操作层。

1）底层程序需要记录并存储具体的用户窗体操作数据、完成模拟器软件和硬件的通讯，处理用户定制的配置数据，并完成按键处理等。

2）设备和数据处理层包括设备模块和数据处理模块，本层提供了数据的处理方法，包括存储、读取和解算等，还有硬件层设备的管理方法，包括数据通讯和按键处理等。

3）中间管理器实现程序设备和数据处理统一管理并为上层窗体提供管理接口。

4）图形操作界面是与用户发生直接交互的界面，在具体的界面中实现所有的程序功能，包括状态监控、故障诊断、操纵控制、数据存取和数据测量等功能。

图6　系统软件结构图

3.1通信设计

系统串口通讯连接关系如图1所示。各模拟设备之间RS232通讯接口均采用光电隔离。

各单体之间通信以报文的形式进行，按信息传送方向分为命令和响应两类报文，火控操作显示台发往各其他单体的为命令报文。反之，称为响应报文。两类报文数据结构相同，由Head、Address、Command、Length、Data、Check和End等7个部分共N+10个字节组成，数据包结构如图7示。

图7　报文结构图

系统各单体的通信以数据包的形式进行。考虑到于通信的命令种类多，且每一包的数据长度并不一致，如果按照选择判断模式编程，软件工作量大，且易出错，故笔者采用了有限状态机的解决方案。该方案降低了程序编写复杂度，增强了软件系统的可维护性，便于后期扩展，如图8所示［6］。

图8　有限状态机的状态转移图

3.2基于XML的数据存储

模拟训练与考核系统主要通过显示器显示界面进行人机交互，为完成数据输入输出、操作使用与考核、故障诊断训练与考核，共需要100多组显示界面。

我们采用可扩展标记语言XML的方法将这些界面进行分类成7大类，每类中都由若干个子界面组成，每个界面的数据又可以分类保存。

可扩展标记语言XML（Extensible Markup Language）是SGML（Standard Generalized Markup language）的子集，提供了统一的方法进行结构化数据的描述和交换。这样将所有的数据都按结构分类存储后，读取数据时也可以按图索骥，使存储和读取都变得便捷且不易出错。另一方面，由于XML具有独立于应用平台，具有便于传输的特性，并不依赖于开发环境，用户可以方便的按照设计的格式自定义考试内容和软件配置文件，并保存为XML文件，将该文件存于程序的配置目录中程序会自动读取并配置，这为用户和软件开发方提供了便捷的数据处理手段。

XML主要用于处理存储界面显示参数，包括用户自定义输入参数和通过通信读取的瞄准手、分系统、传感器数据等，如图9和图10所示。在数据存储和读取过程中，数据主要由数据存储路径、节点描述（属性名称）和数据（value）3个特性来表述，存储和读取过程的区别即在于：存储是使用XML合成模块按上述3个特性来将数据合成为XML格式的数据，读取是按图索骥的将数据解析成节点描述和数据值，将XML数据解析成界面的参数，整个数据的处理过程非常有效率，并且也保证了正确性［9］。

图9　XML数据保存流程

图10　XML数据读取流程

界面元素是系统监控功能和人机界面的一个较丰富和较集中体现。界面元素可以实时显示数据并刷新数据。界面信息用文件存储以便读取。为了规范性和兼容性，界面文件（包含界面无素信息）用XML文档格式存储和读取。界面元素类设计形式如下：

class Cxxx：public Cyyy

｛//Cyyy为相关界面元素类

public：

bool Load From XMLFile（TiXmlElement*itemElement）//读XML文件

void

RefreshShow（void）；//界面刷新

protected：

…

｝；

使用抽象工厂方法管理Cxxx的创建与销毁。工厂类设计如下：

Class Graphics AbstractFactory

｛

public：

Cobject*Create Cxxx 0；//创建界面元素对象Cxxx

…

｝

界面组件分别提供初始化接口和销毁接口Initialize（）和Destroy（）。系统启动后，点击窗口菜单栏中的某个菜单项时，界面组件会自动解析相应的XML文件，将解析得到的界面元素显示出来，由界面元素完成对数据的显示和刷新。

3.3操作考核模块设计

对受训者进行操作使用的考核是本系统的重要功能，我们选取了火控系统10个典型操作使用科目。在考核模块中，将教员总结出的最优操作方案转化为程序的操作评估算法，并在考核模块中设计操作跟踪模块，记录学员在操作过程中的界面及操作数据，包括界面跳转顺序、界面参数值输入等，最后用评估算法对学员专项操作数据进行评估，并给出学员操作成绩，考核模块流程如图11所示［10］。

图11　操作考核流程

3.4故障诊断模块设计

随着科技的发展，特别是信息技术的广泛应用，大型复杂装备的功能越来越强大，结构越来越复杂，自动化、智能化程度越来越高，故障的产生因素也变得错综复杂，使得故障诊断的训练日益重要，故障诊断模拟训练为此提供了很好的解决途径。完成故障诊断模拟训练主要有两种方式：基于虚拟样机的故障诊断训练及基于实物的故障诊断训练。前者具有低成本、表现力好等优势，而后者更贴近实际。考虑到本系统已经有了接近实装的硬件基础，可提供显示、交互、接口等必要的测试判断环境，选择基于实物的故障诊断训练［11］。

本模块主要涉及故障诊断的训练与考核两个模块。

在训练模块，通过开关电路控制关键模块或电路的工作情况，提供真实的故障环境，使得受训者能够充分体验故障状态下的系统表现，做出诊断判断，积累故障诊断经验。

在考核模块中，主要利用相应电路获取状态及动作信息，给出故障诊断训练与考核环境，并对受训者故障诊断能力进行评估。软件流程如图12所示。受训学员进入故障诊断考核模块后，首先选择考核科目，在确定系统各项功能正常后，由教员进行故障设置，可手动和自动进行，完毕后系统给出故障设置完毕的提示。学员进入答题模式后，可转入正常操作使用界面，通过操作，观察故障现象，分析故障原因，形成故障结论，并通手动完成故障排除操作。在提交后，系统监控对应电路工作情况，完成对学员故障排除情况的评判。软件流程如图12所示［12］。

图12　故障诊断流程

3.5操作界面

模拟训练系统操作使用、操作考核、理论考核、故障诊断操作界面如图13所示。

图13　软件界面

4　试验结果与分析

应用表明，系统设计的交流信号源、信号采集与转换、通信、计算、控制、接口、人机交互、系统操作考核、理论考核、故障诊断训练与考核等功能正常实现，系统运行稳定可靠，具体见表1所示。

5　结语

构建了一套基于“ARM+WinCE”的自行火炮火控系统模拟训练系统，在实现实装火控系统信息采集、计算、控制、人机交互等功能的基础上，通过硬件电路及软件系统使得系统具备操作使用与理论考核、故障诊断训练与考核等功能，应用证明该模拟训练系统运行稳定可靠，极大提升了装备训练的效益。

表1　试验结果

操作考核*：该模块评估算法基于标准化的操作路径设置，在受训学员较为熟练的情况下，考核结果能正确反映，但对于不熟练的操作者，经过多个不必要的界面跳转之后，尽管其操作结果正确，但考核结果判断错误。此模块评估算法还需要进一步优化，以便更加客观反映操作水平。

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Design of Self-Propelled Gun Fire Control System Virtual Training and Testing System Based on WinCE and ARM

Cheng Zhixin，Zhang Rui，Huang Lijuan，Wen Gusheng
（Self-propelled Artillery Department，Wuhan Ordnance Non-commissioned Officer Academy，Wuhan430075，China）

In order to solve the problem of quantity insufficiency，the group is difficult and the comprehensive cost higher，building a set of self-propelled gun fire control system virtual training and testing system based on"ARM+WinCE".designing integrates signal acquisition and processing，computing，control，and other functions in one of the basic circuit of fire control system based on ARM；Design hardware and software of fault diagnosis based on the WinCE，DSP，XML，bring up the operation system，the theory and operation evaluation，fault diagnosis，etc.Practice proves that the simulation training system is stable and reliable operation，greatly improved the benefit of the equipment training.

self-propelled gun；fire control system；ARM；WinCE；XML

1671-4598（2016）05-0135-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.039

TP391.9

A

2015-10-19；

2015-12-04。

程治新（1978-），男，湖北公安人，硕士，讲师，主要从事自行火炮火控与电气系统方向的研究。