线导鱼雷模拟器的改进设计

毛向辉, 叶慧娟, 张 宁



线导鱼雷模拟器的改进设计

毛向辉, 叶慧娟, 张 宁

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033)

为了满足作战训练需求, 对某型线导鱼雷模拟器进行了改进设计。模拟器的设计基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)和C++ Builder, 采用“工控机+ISA总线+CPLD+上位机软件”结构。在分析了已列装的该型鱼雷模拟器所存在的缺陷基础上, 提出了新型模拟器的功能需求以及总体设计方案, 根据功能需求, 从硬件和软件两方面对模拟器进行设计: 硬件部分包括接口电路以及联接ISA总线和接口电路的桥接电路; 软件部分采用C++ Builder进行开发, 通过Win IO函数实现对底层硬件的驱动。改进后的模拟器在试用过程中取得了良好的效果, 其主要技术性能达到了设计要求。

线导鱼雷; 模拟器; C++ Builder; 可编程逻辑器件

0 引言

为解决某型线导鱼雷实际训练使用中出现的问题, 研制了该型鱼雷的模拟器。然而伴随着对该型鱼雷认知程度的不断加深, 以及对该型鱼雷保障能力要求的不断提高, 现有的功能比较单一的模拟器已不能满足实际需求。

因此, 本文在分析了现有模拟器所存在缺陷的基础上, 提出了新型模拟器的功能需求和总体设计方案, 并从硬件和软件两方面进行了设计。根据设计方案研制的模拟器在交付部队试用过程中取得了良好的效果, 证明了新型模拟器的实用价值。

1 新型模拟器的功能需求与总体设计

线导鱼雷模拟器用于与艇上线导系统对接后, 模拟线导鱼雷接收线导指令并根据指令要求回复鱼雷状态信息。

现有的该型鱼雷模拟器在与艇上线导系统对接进行鱼雷操控训练时, 该模拟器仅具备模拟鱼雷与线导显控台(以下简称“显控台”)之间的双向通信功能; 而缺乏对该型鱼雷全弹道的评估手段, 即只能根据显控台推算显示的鱼雷弹道进行评估, 而无法获取鱼雷的实际弹道; 也缺乏对导引数据的分析手段, 即通常情况下只能在导引结束后根据线导显控台记录的采样数据进行线导导引过程的分析, 无法直接获取鱼雷与显控台之间的实时交换数据。

因此, 针对现有模拟器功能上的缺陷, 改进的模拟器的功能需求如下。

1.1 模拟器功能需求分析

1) 通信功能

模拟器可以直接与艇上线导系统相连接, 完成显控台与鱼雷之间的通信: 接收显控台发送给鱼雷的线导指令信息, 发送鱼雷返回给显控台的鱼雷状态信息。

2) 模拟本艇和目标功能

输入目标、本艇运动参数以及鱼雷的设定参数, 模拟器可以模拟本艇和目标运动, 并可以根据鱼雷探测性能参数, 在鱼雷和目标满足捕获要求时, 控制鱼雷进入“自导捕获”状态。

3) 模拟鱼雷功能

模拟器可以替代实雷, 在线导导引阶段按照显控台的线导控制指令进行鱼雷航向、航速或状态的解算, 在自导导引阶段按照鱼雷自导导引算法解算鱼雷航向进行自主控制。

4) 绘制弹道功能

模拟器可以按照解算的鱼雷运动参数绘制鱼雷弹道[1]并输出显示, 便于与显控台所显示的弹道进行对比。

5) 数据显示及记录功能

装置可以按照通信周期实时显示并记录显控台发送的指令和航向控制信息、鱼雷坐标、鱼雷航向/航速以及鱼雷状态信息, 所记录数据可在试验后与显控台的记录数据进行对比, 用于弹道分析。

1.2 模拟器总体方案

模拟器总体可分为硬件和软件两部分。硬件部分以下翻Ⅱ型加固便携工控机为基础, 通过ISA总线与安装在工控机扩展槽内的接口板进行数据交换, 接口板包括桥接电路和接口电路两部分[2]; 软件部分负责处理通过接口板的通信数据、解算鱼雷运动参数、绘制鱼雷弹道以及记录通信数据等。模拟器的总体结构图如图1所示。

图1 改进型模拟器总体结构图

模拟器的设计包含以下特点:

1) 采用并行数据接口, 可以与艇上线导系统的并行数据接口相匹配。

2) 接口电路设计采用与艇上线导系统相同的电路结构, 电气兼容性良好。

3) 选用具备ISA总线接口的工控机, 通过I/O底层驱动实现软硬件数据交互。

4) 对线导鱼雷的导引采用雷上原有的算法。

2 硬件设计

2.1 总体设计

模拟器硬件框图如图2所示。

图2 改进型模拟器的硬件框图

ISA总线与接口电路的桥接通过complex programmable logic device(CPLD)来完成, 桥接电路包括译码电路、输入输出寄存器、输入输出缓冲器3个部分; 接口电路通过光耦输入模块直接接收来自并行数据接口的线导指令和航向控制信息, 通过继电器输出模块将线导鱼雷的状态、航向和航速信息直接输送到并行数据接口[3]。

模拟器所采用的工控机应带有工业标准ISA总线(ISA总线是成熟的工业标准总线, 最高工作频率为8 MHz, 数据传输速率可达16 MB/s), 其系统平台采用Windows XP。

8月1日，国家粮食和物资储备局召开“深化改革、转型发展”大讨论活动总结大会，对粮食和物资储备系统深化改革、转型发展进行部署。国家粮食和物资储备局党组书记、局长张务锋要求：着力构建统一的国家物资储备体系；大力实施国家粮食安全战略；不断提高应对突发事件的能力；全面加强粮食流通和物资储备基础设施建设，建好、用好储备设施，加快信息化建设，强化科技创新引领；加快提升依法管粮、管储水平。

2.2 桥接电路设计

1) 地址分配和引脚定义

采用CPLD可编程电路作为ISA总线的桥接电路, 完成对ISA总线地址的译码和地址分配, 地址分为2个地址段, 分别为读地址段和写地址段, 具体地址含义如表1所示。

表1 可编程逻辑器件地址表

每个地址对应1个输入或输出端口, 输入端口完成对线导指令和航向控制信息的接收, 输出端口完成线导鱼雷信息的输出。数字可编程器件引脚与信号对应关系如表2所示。

表2 可编程器件引脚定义

2) 功能结构

CPLD的内部功能模块包括译码电路、输入寄存器、输入寄存器、输入缓冲器和输出缓冲器。ISA总线常用的地址线为A0~A9, 共10位宽度, 这里将A4~A9作为某型线导鱼雷模拟器扩展板的基地址, A0~A3作为偏移地址, 译码电路采用1个3线8线译码模块作为地址译码电路, 译码电路输出的低四位作为写地址段, 高四位作为读地址段。输入输出接口各由3个8Bit的触发器构成, 输入输出缓冲器分别接入到对应的寄存器上[4]。可编程逻辑器件原理框图如图3所示。

图3 可编程逻辑器件原理框图

可编程逻辑器件选用Xilinx公司的XC95288- HQ208, 利用该公司的XISE12.1可编程器件设计软件。在完成原理图输入/输出和功能时序仿真后, 通过开发平台自动完成编译、元件布局和逻辑走线并生成逻辑配置文件。逻辑配置文件通过JTAG接口下载到器件后, 完成CPLD设计[5]。

2.3 接口电路设计

接口电路分输入输出2个部分, 可直接采用与线导系统相同的光耦输入模块作为接口电路的输入接口模块; 输出接口模块采用继电器方式输出, 确保其与线导鱼雷通信接口具有完全相同的电气特性[6]。

输出接口模块的某一路输出电路的原理图如图4所示。

图4 继电器输出模块电路原理图

3 软件设计

3.1 软件结构

模拟器软件结构如图5所示。

图5 模拟器软件结构图

在手动装订相关参数的基础上, 通过Win IO函数, 模拟器软件可以获取硬件电路通过并行数据接口接收到的指令信息, 按照指令内容同时根据预定的算法解算鱼雷运动参数, 绘制鱼雷弹道, 再次通过Win IO函数驱动硬件电路按要求向显控台发送鱼雷信息。

3.2 功能模块划分

模拟器软件按照功能应包含以下模块, 如表3所示。

1) 桥接芯片驱动模块

桥接芯片的驱动为底层硬件的驱动, 采用Win IO函数库开发。Win IO作为1个专门操作I/O端口的第3函数方库, 通过该库可以直接在Windows上方便的操作I/O端口而不需要操作复杂的API函数。Win IO对I/O的操作只需要“读”和“写”2个函数就可以完成。

2) 线导鱼雷模拟模块

线导鱼雷模拟模块的主要功能是根据输入的目标类型, 选择针对该类型的目标的导引算法, 模拟发射后, 模块可以模拟线导鱼雷从发射到命中目标的一系列动作, 同时完成和艇上线导系统的信息交换。

表3 模拟器软件模块组成

4 模拟器的应用

模拟器与艇上线导系统对接示意图如图6所示。

图6 模拟器与线导系统对接示意图

模拟器通过并行数据接口与线导信号转发设备进行对接, 以接入线导系统。模拟器启动后, 将根据线导指令执行相应的运算操作[7]。

模拟器的运行流程如图7所示。

模拟器与艇上线导系统对接后, 在其软件界面设置与显控台相同的本艇和目标参数, 并将发射前显控台解算的参数输入到模拟器中; 在接收到显控台下达的“发射”指令后, 模拟器模拟发射鱼雷; 在线导导引过程中, 模拟器通过并行接口接收线导控制指令, 其线导鱼雷模拟模块按照指令内容同时根据预定的算法解算鱼雷运动参数, 绘制鱼雷弹道, 并根据指令要求将鱼雷信息通过并行接口回复给显控台(此间, 显控台会按照通信周期向模拟器发送同步信号, 以保证指令的完整性); 同时根据需求将模拟器与艇上线导系统的通信数据按照通信周期实时显示; 在接收到显控台下达的“线导结束”指令时, 模拟器完成模拟鱼雷任务, 停止解算鱼雷参数并以文档形式保存数据。

在该型鱼雷的操控训练过程中, 所使用的改进后的模拟器在现有模拟器功能的基础上, 实现了解算鱼雷自导阶段运动、绘制鱼雷实际弹道和实时显示并记录线导通信数据等功能, 所记录的通信数据可用于该型鱼雷操控训练效果评估和线导过程异常现象分析。

5 结束语

本文从作战训练需求出发, 在分析现有的该型线导鱼雷模拟器所具备功能的基础上, 提出了改进设计的总体方案; 从硬件设计和软件设计两个方面对此方案进行了阐述; 最后对模拟器的接入方法及工作流程等进行了总结。

所设计的模拟器已投入该型鱼雷的操控训练中, 并且取得了良好的效果。相对于操雷实射而言, 线导鱼雷模拟器的研制使得潜艇部队在潜艇系泊状态下即可进行鱼雷的操控训练, 不限于海况条件和训练频率, 且在一定程度上节约了训练经费, 达到了低成本高效率的战斗力生成要求。同时该模拟器在原有模拟器基础上进行的功能改进有利于该型鱼雷的作战训练保障及其配套线导系统性能的检测。所设计模拟器的主要技术性能达到了设计要求, 且具有较高的实用价值。

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(责任编辑: 许 妍)

Improvement of Wire-guided Torpedo Simulator

MAO Xiang-huiYE Hui-juanZHANG Ning

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To meet the requirement of battle and training, the conventional wire-guided torpedo simulator was improved. The improvement is based on complex programmable logic device (CPLD) and C++ Builder, and adopts the structure of “industrial personal computer(IPC)+ISA bus+ CPLD+ personal computer(PC) software”. By analyzing the shortcomings of the conventional simulator, the functional requirement and general design scheme of the improved simulator were put forward. The improvement concerns two aspects: 1) an interface circuit and a bridge circuit used for connecting the interface circuit and the ISA bus are employed for the hardware; and 2) the software is developed with the C++ Builder to drive the hardware through the Win IO function. This improved wire-guided torpedo simulator showed satisfactory effectiveness in trial stage, and its main performance parameters met the design requirement.

wire-guided torpedo; simulator; C++ Builder; complex programmable logic device

TJ631.4

A

1673-1948(2014)05-0385-05

2014-07-10;

2014-08-18.

毛向辉(1990-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为武器系统应用与保障.