基于ARM的塔康和中波导航机模拟训练系统设计与实现

刘云飞 ， 杨 超， 徐向旭

(1. 海军航空大学 青岛校区， 山东 青岛266041； 2. 海军航空大学 航空作战勤务学院， 山东 烟台 264001；3. 中国人民解放军92635部队， 山东 青岛 266041)

0 引 言

战术空中导航(Tactical Air Navigation, TACAN，简称塔康)，是美军在1955年研制的近程无线电导航系统，具有同时测位和测距的功能。该系统由机载设备和塔康地面设备组成，为以地面设备为中心、半径350～500 km范围内的飞机提供导航服务，因此又称为航空无线电近程导航系统[1-2]，目前也是我军航空兵近年来装备部队的主要近程无线电导航系统。中波导航系统是非常传统的地基无线电导航系统，由于其具有的使用灵活等特殊性能，使其经过不断改进和发展仍然在世界各地的航空导航中普遍被采用。中波导航系统由地面导航机和机载无线电罗盘组成[3]。

某型塔康及中波导航机模拟训练系统以实际装备为研究对象，采用半实物仿真的形式，模拟开关机、状态设置、参数监控、故障查询、设备管理等各种操作使用过程。其基本要求包括：① 仿真设备外形与实际装备相近，操作使用流程与实际装备一致。② 仿真设备可与其他外部设备进行数据交互，可实时发送仿真设备模拟状态信息供外部设备监控和显示，同时可接收外部设备提供的故障模拟等信息并显示到操作界面相应位置[7]。

1 系统组成

军队实际设备由1台塔康主机、1台塔康显控分机、1台中波导航机显控台和1台中波导航机遥控器仿真设备组成。考虑教学训练的实际需要，模拟训练系统由3个独立分系统组成：塔康模拟训练系统、中波导航机模拟训练系统和模拟训练主控系统。在功能组成上，塔康模拟训练系统包括1台塔康主机仿真设备和1台塔康显控分机仿真设备；中波导航机模拟训练系统包括1台中波导航机显控台仿真设备和1台中波导航机遥控器仿真设备；模拟训练主控系统由1台PC机实现。为了教学的便利性，在确保操作真实性的前提下，降低系统研制成本，对系统的组成进行了适应性调整：将塔康主机和显控分机仿真设备集成在1个独立机柜中构成塔康模拟训练系统，将中波导航机显控台和遥控器仿真设备集成在1个独立机柜中构成中波导航机模拟训练系统。整个模拟训练系统内、外部交联关系如图1所示。

图1 模拟训练系统组成

塔康模拟训练系统和中波导航机模拟训练系统可独自通过以太网(Ethernet)与模拟训练主控系统(PC机)进行数据交互。

2 外形结构

2.1 塔康仿真系统

塔康仿真系统是1个单门机柜。为降低系统成本，采用型号为A26637机柜。塔康仿真系统机柜由两部分组成，上部分为显控分机仿真，下部分为主机仿真。主机仿真部分，从上至下依次为数据分机、接收分机、发射分机A、发射分机B和电源分机5个分机组成。

2.2 中波导航机仿真系统

中波导航机仿真系统也是1个单门机柜，同样采用型号为A26637机柜。中波导航机仿真系统实际上包括两部分，上部分为主机仿真，下部分为遥控器仿真。中波导航机仿真部分从上至下依次为电源控制分机、控制分机、谐波滤波器分机、发射分机A、发射分机B和电源分机6个分机组成。

3 硬件设计

3.1 基本思路

尽管中波导航机显控台仿真设备、中波导航机遥控器仿真设备、塔康显控分机仿真设备3者的功能和外形存在很大差异，但是通过分析各设备功能特点，可构建一个基本功能系统，按照需要进行功能裁剪和补充，以适应不同设备，可以降低设计工作量，同时提高后期维护效率。按照这种思路，构建的基本功能系统如图2所示[8-11]。

任务型教学法是基于完成交际任务的一种语言教学方法，它通过师生共同完成语言教学任务，使外语学习者自然习得语言，促进外语学习的进步。基于这些理念，在大学英语零班的教学实践活动中，笔者对大学英语零班的教学活动进行了重新的设计，采用任务型教学方法，在教学中以布置任务为主，引导学生完成任务，主动构建语言知识，以期充分发挥学生的主动性。英语零班中的任务形式设计主要有如下几种：

图2 基本功能系统组成

图中，虚线以内即为可满足仿真设备关键功能需求的基本功能系统。主要包括电源、ARM平台、液晶显示器、控制键盘、I/O驱动隔离、音频放大等部分，各部分的主要功能和技术参数描述如下。

(1) 电源部分。电源部分主要对输入电源进行控制，并将AC220 V电源变换成其他电路工作需要的DC+5 V电源，组成包括1个电源输入插座、1个开关和1个电源变换模块。

电源输入插座包括扳动开关、1A保险和滤波器。开关用于操作人员控制设备加电，安装于前面板。

电源变换模块的功能是AC220 V电源变换成DC+5 V，输出最大电流不小于5 A，由于功率较小，而机箱体积较大，因此尽可能选用无风扇电源以降低额外的噪声影响。电源变换模块型号为FY0502000。

(2) ARM硬件平台。为降低开发成本，节省开发时间，ARM硬件平台采用工业级的货架开发板，型号为TQ2440，安装时，ARM硬件平台固定在底板上，由于集成了大量的电子元器件在电路板表面，在安装前应做三防处理，安装时应加垫绝缘柱防止电子元器件与底板接触。

(3) 液晶显示屏。液晶显示屏的作用是提供人机交互界面，尽管仿真设备在室内工作，为了满足不同光照条件下的使用，应适当提高亮度；实际设备用到的界面较简洁，色彩数量不多，对液晶显示器色彩的最低要求是能支持256色。

(4) 控制键盘。原设备采用的键盘是定制的工业键盘，市面上难以获得外形完全一致的成品。所以采用仿制的形式制作。由于使用的数量较少，购买空白键盘后，采用激光刻字的方式将需要的标识刻上去，考虑到刻字时可能存在的损坏，购买数量应留有余量。定制的键盘对外接口采用COM，DC+5 V供电，按键数量为4×4。

(5) I/O隔离驱动。I/O隔离驱动的作用是：① 对ARM硬件平台提供的GPIO的指示灯控制信号进行电平变换、光电隔离、电流驱动，然后点亮或熄灭相应的指示灯。可用到的部位包括塔康显控分机的应急指示灯和塔康主机的6个正常运行指示灯，分为3红3绿。② 对外部控制开关输入到ARM硬件平台的信号光电隔离和电平变换。可用到的部位包括中波导航机遥控器的开A机按键、开B机按键、关机按键和监听取消按键，以及塔康显控分机的应急开关。

(6) 音频放大。音频放大的作用是将ARM硬件平台产生的音频信号进行放大，采用货架有源音箱实现，其供电尽可能采用AC220 V，减少对其他电路的干扰。

(7) 集线器。集线器的作用是将塔康显控分机、中波导航机显控台、中波导航机遥控器仿真设备和PC机通过网络连接起来，其基本要求是能提供不少于4个10M/100M自适应的Ethernet接口。模拟训练系统只使用一个集线器，为简化连接关系，将其固定在中波导航机显控台仿真设备内部。塔康显控分机、中波导航机遥控器仿真设备和PC机通过网线连接到中波导航机显控台仿真设备后面板。

3.2 塔康模拟训练系统控制原理

塔康模拟训练系统只需要对一个基本功能系统进行裁剪就能完成所有控制，由于不需要产生音频可以去掉该部分功能。塔康模拟训练系统控制原理如图3所示，其中控制平台为图2所示的基本功能系统组成去掉音频模块。

图3 塔康模拟训练系统控制原理

3.3 中波导航机主机电路与控制

中波导航机模拟训练系统控制原理如图4所示，其中的控制平台1、2是对图2所示的基本功能系统组成根据导航机主机和遥控器实际功能需求进行增减实现的。

图4 中波导航机模拟训练系统控制原理

4 软件设计

系统采用Wince6.0嵌入式操作操纵，开发环境为Visual Studio 2005。系统软件采用模块化设计，主要包括模拟训练主控软件、塔康模拟训练软件和中波导航机模拟训练软件3个软件模块，各软件模块之间彼此独立，数据的交互通过网络通信完成。系统整体软件组成结构如图5所示。图中立方体表示用于支持该软件模块工作的主要数据。

塔康模拟训练软件、中波导航机模拟训练软件是设备模拟类模块，运行于ARM平台，负责模拟设备的工作状态，模拟发射和接收导航信号，实现导航信号模拟发射、接收、计算，并完成设备模拟机柜的状态显示和控制。

模拟训练主控软件在PC机上运行，是模拟系统设备、仿真进程的控制中心，主要任务是提供高效的仿真管理和合理的仿真环境。软件系统的功能模块：用户管理、设备与进程管理、系统初始化、特情管理、状态监控与异常处理、成绩评定、仿真进度控制和时钟校准，还定义了服务于功能实现的底层服务模块：数据库访问模块、串口通信模块、结构化存储模块、资源脚本解释模块。

图5 系统整体软件组成结构

(1) 用户管理。通过口令的形式，检查用户的合法性，并赋予相应的操作权限。

(2) 设备与进程管理。远程控制分系统模拟训练器的开关、仿真进程的唤起与终止、电源控制与状态监视。

(3) 系统启动向导。根据训练科目，引导设备开机、仿真进程启动和自检、处理异常、执行系统初始化，在供电系统正常的情况下，控制模拟系统由待机状态进入运行模式。

(4) 特情管理。实时命令相应设备分系统进入异常运行模式。

(5) 状态监控。能够检测分系统的运行状态与发布属性。

(6) 日志管理。纪录来源分系统的飞行日志，纪录存档，以便系统维护。

(7) 成绩评判。在指挥员的引导下，该模块以专家评判准则、评判文件为输入，对操作员的任务完成情况作出评判。

(8) 模拟进程控制。各分系统模拟进程的开始、冻结、解冻、结束指令由控制台统一发出。

(9) 数据库访问模块。提供对系统数据库的访问和修改。

(10) 串口通信模块。提供可靠的与投影仪串口通信服务，对串口通信数据进行打包、验证和解释。

(11) 结构化存储模块。访问和修改用结构化存储技术构建的资源文件。结构化存储技术通过在文件内部建立一个完整的文件系统，使得数据能够准确定位、资源可分段载入和共享。

(12) 资源脚本解释模块。各种配置脚本分别以固定的格式描述，资源脚本解释模块用于载入并解释这些配置。

模拟训练主控软件的层次模型，由功能模块和服务模块组成，功能模块调用服务模块的服务实现对各种资源(文件、数据库、串口、网络)的访问。模拟训练主控软件的系统结构如图6所示。

图6 模拟训练主控软件的系统结构

5 结 语

本文提供了一种低成本多功能的基于ARM的塔康和中波导航机模拟训练系统的详细设计方案。通过提取不同设备共性，构建一个基本功能系统，在此基础上根据不同设备的特点进行功能裁剪和补充以满足不同设备的硬件仿真需求，系统软件采用模块化设计，这样的方式可以降低模拟训练系统的设计工作量，同时提高后期维护的效率，对其他院校类似装备模拟训练系统的设计有一定的借鉴意义[12-15]。