某型微波著陸引導設備模擬訓練系統設計

作者/劉云飛，海軍航空大學青島校區

微波著陸引導設備是保證飛機安全回收的重要手段，要求操作人員必須具備準確、可靠的操作能力。微波著陸引導設備構造復雜，造價昂貴，院校不會配備。如果采用實裝的訓練模式，訓練時間少，成本高，遠遠無法滿足院校教學訓練需要，不僅會縮短裝備服役壽命，甚至會造成裝備損壞。如果研制與實裝操作使用一致的微波著陸引導設備模擬訓練系統進行模擬訓練，則安全、經濟、可控、可多次重復、無風險、不受氣候條件和場地空間限制，既能進行常規操作訓練，又能培訓學員處理各種故障的應變能力，具有訓練效率高、效益好的獨特優勢[1]。

微波著陸引導設備模擬訓練系統采用計算機仿真與控制技術，能夠模擬微波著陸引導設備的操作、使用、維護流程，外型結構與實裝相仿，具有一樣的操作界面和顯示界面。

1.系統功能

微波導航模擬訓練系統設計應用對象為院校學員或設備初始操作人員，應具有以下功能：

①模擬微波著陸引導設備各分機控制面板開關的操作和指示燈的狀態顯示；

②模擬微波著陸引導設備中央控制計算機人機交互界面的操作和狀態顯示；

③模擬微波著陸引導設備一般故障時的信號輸出。

此外還要具備設備的監控和管理功能，便于教員進行教學控制。

2.總體方案規劃

模擬訓練系統主要由仿真分機和系統管理臺組成，采用數據采集卡＋PC 的硬件構架。仿真分機包括中央監控仿真分機、靜變電源仿真分機、方位電子仿真分機、伺服控制仿真分機、仰角電子仿真分機和精密測距仿真分機。如圖1所示[2]。

圖1 微波著陸引導設備模擬訓練系統框圖

為保證學員訓練的真實感，仿真分機與實際裝備外觀基本相同，提供包括操作面板、指示燈的顏色、尺寸、面板元件規格、布局等與實際設備完全一致的模擬。各仿真分機均安裝數據采集卡，采集仿真分機操作面板上開關、按鈕等操作裝置的操作狀態，送入系統管理計算機，并根據設備工作原理及操作狀態，控制操作面板上的指示燈、LED面板等顯示。

系統管理計算機通過422總線與各分機的數據采集卡相連，能獲取各分機的操作狀態，并將其送入中央控制仿真計算機，更新仿真計算機界面的設備狀態；通過串行總線與中央仿真控制計算機通信，接收中央監控仿真分機的分機控制指令，向其余分機轉發，控制各分機的狀態顯示；同時提供人機界面，支持模擬訓練時進行故障模擬，將模擬的故障類型解釋處理為各分機的狀態控制信號送至相應的仿真分機，由其控制面板指示燈、監控界面等輸出裝置，模擬設備故障時的信號輸出。

系統管理計算機安裝在模擬訓練系統管理臺上。中央控制仿真計算機主要模擬實裝設備中的中央控制計算機，提供與實裝設備完全一致的人機交互界面，安裝在中央監控分機中。

3.數據采集卡設計

數據采集卡是模擬訓練系統的重要組成部分，在模擬訓練系統六個分機中都要配備。主要完成面板開關量的采集、與上位機通信、面板指示燈驅動、喇叭驅動及模擬波形輸出的功能。數據采集卡采用MCU+FPGA的構架實現，MCU作為系統的主控芯片，完成數據的采集、打包，以及與PC 端的通信和控制驅動輸出的功能，FPGA主要完成開關量的采集以及與 MCU的通信。

數據采集卡完成數據采集功能之后，需要同上位機的PC進行通信。模擬系統中所有操作都是面向人的，數據更新速度較慢，因此數據采集卡與上位機PC通信采用RS422總線，即可滿足要求。

4.系統管理計算機與中央控制仿真計算機

微波導航模擬訓練系統用于實驗室內的模擬訓練，實驗室室內環境要求較低，不需要考慮高溫高濕和振動等環境影響，因此系統管理計算機與中央控制仿真計算機采用普通商用臺式機，即可滿足系統的性能要求。

5.各分機及管理臺設計

系統主機軟件采用VC++進行開發，界面菜單交互性強，人機界面友好。

5.1 中央監控仿真分機

中央監控仿真分機模擬微波著陸引導設備的中央監控分機，包括數據采集卡、指示燈面板、開關面板以及中央控制仿真計算機等；數據采集卡采用RS422總線與中央控制仿真計算機通信，中央控制仿真計算機通過串行總線與系統管理臺通信，數據采集卡通過電纜與分機的面板相連。中央監控仿真分機軟件模塊組成如圖2所示。主要由中央監控分機系統管理模塊、測角系統人機交互模塊、測距系統人機交互模塊，模擬故障輸出模塊、狀態監視模塊、開關面板操作模塊、指示燈狀態顯示模塊和目標指示數據模塊組成。與其它虛線框模塊相互交聯。

其中模擬故障輸出模塊，用以模擬中央控制計算機各模塊故障時的狀態輸出，包括異步通信模塊故障、網絡模塊故障、軟件系統損壞、硬盤模塊故障和主板模塊故障等。其他各分機的軟件模塊設置與中央監控仿真分機類似。

圖2 中央監控仿真分機軟件模塊組成圖

5.2 方位和仰角電子仿真分機

方位和仰角電子仿真分機模擬微波著陸引導設備的方位電子分機和仰角電子分機，包括數據采集卡、狀態顯示與控制組合前面板、開關電源前面板、直流電源前面板等；數據采集卡采用RS422總線與系統管理計算機通信，數據采集卡通過電纜與分機面板相連。仿真分機具備以下功能：

（1）模擬電子分機狀態顯示與控制組合前面板的開關操作和指示燈狀態顯示；

（2）模擬電子分機開關電源前面板的開關操作和指示燈狀態顯示；

（3）模擬電子分機直流電源前面板的開關操作和指示燈狀態顯示；

（4）模擬電子分機模塊故障時的狀態輸出，支持故障排查訓練，這些故障包括：

電子分機開關電源模塊故障；電子分機直流電源模塊故障；

電子分機狀態顯示與控制組合的指示燈故障；電子分機狀態顯示與控制組合的開關故障；電子分機保險管故障；

（5）支持電子分機的開機、關機操作訓練。

5.3 靜變電源仿真分機

靜變電源仿真分機模擬微波著陸引導設備的靜變電源分機，包括數據采集卡、靜變電源操作面板、配電單元顯示面板等；數據采集卡采用RS422總線與系統管理計算機通信，數據采集卡通過電纜與分機面板相連。仿真分機具備以下功能：

（1）模擬靜變電源操作面板的開關操作；（2）模擬配電單元顯示面板的狀態顯示；（3）模擬輸出電壓的電位器調節操作；（4）模擬靜變電源分機故障時的狀態輸出（5）支持靜變電源分機的開機、關機操作訓練。

5.4 伺服控制仿真分機

伺服控制仿真分機模擬微波著陸引導設備的伺服控制分機，包括數據采集卡、面板等；數據采集卡采用RS422總線與系統管理計算機通信，數據采集卡通過電纜與分機面板相連。仿真分機具備以下功能：

（1）模擬伺服控制分機故障指示燈的狀態顯示；（2）支持伺服控制分機的開機、關機操作訓練。

5.5 精密測距仿真分機

精密測距仿真分機模擬微波著陸引導設備的精密測距分機，包括數據采集卡、操作面板等；其設計思路及模塊構成與方位和仰角電子分機類似，不再贅述。

5.6 天線模擬設計

微波著陸引導設備模擬訓練系統，由于原設備天線部分為相控陣天線，對于模擬訓練，可操作部分很少，因此對于天線的模擬，由中央仿真控制計算機通過動畫仿真實現，可以降低成本。

5.7 模擬訓練系統管理臺

微波訓練模擬器系統管理臺主要完成以下功能：

（1）模擬訓練系統的數據集中及轉發功能：

通過RS422總線與各仿真分機的數據采集卡（不含中央監控仿真分機）通信，獲取、匯總各仿真分機的操作及指示燈控制信息，將中央監控仿真計算機的分機控制命令向各分機轉發；

通過串行總線與中央仿真控制計算機通信，接收中央監控仿真分機的分機控制指令，轉發其余分機的操作信息；

解釋管理員的故障設置指令，將解釋處理后的狀態控制指令向各仿真分機轉發。

（2）模擬訓練系統的管理及控制功能：

具備對整個模擬訓練系統的加電控制、復位功能；

提供人機界面，支持管理員進行模擬訓練的故障設置；

具備對整個系統的狀態監測和自檢功能。

模擬訓練系統管理臺包括系統管理計算機、422接口通信模塊等。系統管理計算機選擇商用臺式機，422接口通信模塊提供系統管理計算機與數據采集卡的422通信接口。

（3）系統管理計算機管理軟件應具備以下功能：

提供人機界面，解釋處理故障設置指令，顯示系統狀態，支持系統自檢及復位操作；

完成與數據采集卡、中央控制仿真計算機的串口數據通信。

6.結語

本設計方案采用模塊化設計的方法，成本低、生產周期較短，能大幅降低制作成本，數據采集卡采用MCU+FPGA的構架實現，FPGA集成度高、編程方便，具有較高的可靠性和設計靈活性，并充分考慮了故障設置及排除方面的內容，具有較高的經濟效益，可代替昂貴的實裝進行教學訓練，適用于院校及培訓基地使用[3]。

* [1]彭雪梅.微波著陸系統信號模擬器的研究[D].西安電子科技大學，2008，1∶2—13.

* [2]蘇鵬達.微波著陸系統模擬信號的研究及FPGA實現[D].西安電子科技大學，2014，1∶2—13.

* [3]劉云飛，田華明，王鼎，等.某型雷達模擬訓練系統的設計與實現 [J].設備管理與維修，2017(1)∶109—110.