复杂光电设备电子故障维修教学实验系统设计

（陆军工程大学石家庄校区 河北·石家庄 050003）

复杂光电设备维修，大量的工作是对电子线路、电子元件的检查、测量、更换等维修操作。因此，维修人员的电子线路知识、维修技能和操作水平，对于保障复杂光电设备的完好、提高设备的使用寿命和效能，具有重要的现实作用，因此迫切需要相应的教学实验系统对维修人员进行培训，提高其维修能力。

而目前，复杂光电设备没有相对完备的维修教学实验器材。维修保障人员只能依靠图纸和实际设备进行维修教学实验，局限性很大，对于电路的维修教学实验几乎不可能在实际设备上进行，而且电路的故障模式也不能进行任意设定，故障现象也不能生动的进行展示。本文针对该需求，提出了复杂光电设备电子故障维修教学实验系统的设计实现方法，首先介绍该实验系统所应用的模型。

1 复杂光电设备电子故障维修教学实验模型

复杂光电设备电子故障维修教学实验模型是由基于电路仿真的五层体系结构，即实验数据层、仿真实验层、实验表示层、实验应用层和实验交互层构成，如图1所示。

实验数据层包含设备电路模型、设备故障模型以及电路仿真模型，为电路仿真引擎提供仿真数据。设备电路模型是由Spice3f5电路描述语言构成的设备电路描述，是面向仿真的设备电路抽象。

图1：维修教学实验模型结构

仿真实验层的内核是Spice3f5电路仿真引擎。仿真实验层处理的对象是数据层所提供的电路描述语言，设备电路描述、故障描述等信息作为Spice3f5仿真程序的运算对象，经电路仿真后生成描述各节点信号特性的仿真结果数据。应用程序根据电路模型和故障模型生成输入文件，调用Spice3f5仿真程序，获取作为仿真结果的输出文件，并进一步得到电路各节点的信号特性。

实验表示层实现虚拟电路的显示，利用Creator建模软件，根据设备电路结构及外观构建设备电路板三维模型，同时定义节点与设备电路模型的关联关系。三维虚拟电路板经VEGA视景仿真软件实现显示，并利用交互设备实现三维虚拟电路的测量与交互。整个虚拟维修教学实验系统的可视部分均由实验表示层实现显示输出。

实验应用层是系统的分布式仿真软件框架，利用BOM技术构成分布式仿真环境。每一个虚拟维修教学实验模型的对象实例作为一个BOM组件，具备维修对象的全部知识表述和处理方法，每个BOM实际上是对一个具体设备电路的抽象，包含了电路各元件的描述，电路信号关系描述、电路工作过程描述等，同时根据电路的输入输出特性，利用仿真引擎，“智能”地对电路的输入信号进行分析和响应，给出模拟实际的信号输出。不同的设备电路的BOM实例，通过基于分布式仿真框架，实现时间同步、信号传输、过程分析等功能。

实验交互层为人机界面，利用触摸屏、真实的仪器仪表（万用表、示波器等）、任意波形发生卡、高电压放大卡来实现虚拟电路的显示、测量、输出等功能，使训练人员能够近似真实的实现测量、维修教学实验等过程，从而得到和实际设备接近的维修教学实验效果。

2 电路仿真与设备维修教学实验的融合

在基于电路仿真的复杂光电设备电子故障维修教学实验模型中，电路仿真的信息可以在设备电路虚拟维修系统中使用，虚拟维修操作及电路测量也可以作用于电路仿真过程，实现了电路仿真与设备虚拟维修的融合。

实验应用层运行仿真主实例，通过分布式网络向表示层和仿真层发送指令，命令表示层虚拟环境生成模块生成将要仿真的电路三维景象，创造虚拟维修环境展示给维修人员；命令仿真实验层调用经编译的仿真引擎实现电路的分布式仿真。表示层“翻译”维修人员的测试和维修操作将测试和维修信息传递给应用层。仿真实验层调用数据层相应的电路仿真SPICE模型文件并在应用层的控制下将仿真结果传递给实验交互层，实验交互层通过人机交互设备将测试结果呈现给维修教学实验训练操作人员，并且响应维修控制人员的故障设置操作，将故障设置指令传递给实验应用层处理。实验数据层响应来自实验应用层的控制命令对电路仿真模型文件进行修改，注入电路故障模型、响应维修操作等。基于电路仿真的设备虚拟维修教学实验模型信号的传递关系如图2所示。

图2：基于电路仿真的维修教学实验模型信号关系

3 复杂光电设备电子故障维修教学实验系统组成结构

应用前面提出的复杂光电设备电子故障维修教学实验模型设计了复杂光电设备电子故障维修教学实验系统。

该系统从功能上可以划分为控制模块，维修场景生成模块，电路仿真模块和人机交互模块。从硬件上可以分为教学实验主控台、维修操作工作台、互联网络和人机交互设备。设备电路虚拟维修教学实验系统总体结构是基于网络总线的分布式交互系统。主控台的主控计算机实现教练员与系统间的人机交互，完成故障设置、系统设置、维修过程监控和仿真监控等功能。各维修教学实验节点实现对应设备电路模块的仿真和虚拟显示及工作过程仿真，训练人员通过交互设备，对虚拟电路进行测量、故障排查、虚拟维修等训练操作，仿真计算机根据虚拟信号传输关系，以及电路仿真结果，对虚拟维修操作作出反应，模拟真实电路的工作状态。各仿真节点之间通过网络组件实现分布式交互，构成分布式仿真网络，模拟设备各电路模块之间的关系及信号传输过程，从而实现对设备全系统工作状态的模拟。图3所示即为基于电路仿真的设备虚拟维修系统的组成结构。

对于位于分布式仿真节点的仿真计算机，其对电路模块状态的描述就在于以SPICE3F5描述语言所构成的设备电路描述语言。当教练员设置虚拟故障之后，根据设备故障描述形成故障描述语言，修改对应的设备电路描述语言，从而模拟设备的故障状态。当前级电路传来的虚拟信号到达本级时，首先根据信号特性。

形成虚拟信号源描述，然后根据设备电路描述进行SPICE3F5仿真，得到各电路节点的信号特性，再形成虚拟输出，传递给后级电路进行运算。当维修人员进行虚拟维修操作时，其所做的元器件维修更换等操作，均转化成对应的维修过程描述语言，从而修改设备电路描述语言，模拟虚拟维修过程，SPICE3F5仿真引擎根据维修操作后的设备电路描述进行仿真，对维修后的电路工作状态进行模拟，供训练人员再进行测量和检查，直至故障得到排除。

图3：设备电路虚拟维修教学实验系统组成结构

在复杂光电设备电子故障维修教学实验系统中，每一个维修节点都应用真实测量设备（例如示波器）的探针通过触摸屏选择虚拟维修场景中电路板三维电子元器件的管脚进行“测量”，实际是应用探针当作触摸屏操作的工具，通过触摸屏对表示层的三维电路板模型进行测量、更换元器件等操作，从而调用仿真实验层和实验数据层进行实时电路仿真和数据处理，最终仿真的到的电路仿真数据经任意波形发生卡、高电压放大卡后输出为模拟信号，送到示波器等测量设备的输入端口，从而使维修人员可以如真实测量电路板元器件一样通过真实测量设备探针进行测量，而后再根据真实测量设备测得的数据，进行进一步的测量或更换三维电元器件模型等操作，从而最终确定故障部位。维修实验过程如图4所示。

图4：电子故障维修教学实验交互过程

4 结论

本文以复杂光电设备电子故障维修教学实验为背景，提出了一种全新的复杂光电设备电子故障维修教学实验模型，在该模型基础上构建了复杂光电设备电子故障维修教学实验系统；解决了在不动用实际设备的情况下，如何进行复杂光电设备电子故障的维修教学实验；所提出的电子故障维修教学实验模型和系统构建的方法对类似电子设备电子故障的维修教学实验有着良好的借鉴作用。