某型微波着陆引导设备模拟训练系统设计

作者/刘云飞，海军航空大学青岛校区

微波着陆引导设备是保证飞机安全回收的重要手段，要求操作人员必须具备准确、可靠的操作能力。微波着陆引导设备构造复杂，造价昂贵，院校不会配备。如果采用实装的训练模式，训练时间少，成本高，远远无法满足院校教学训练需要，不仅会缩短装备服役寿命，甚至会造成装备损坏。如果研制与实装操作使用一致的微波着陆引导设备模拟训练系统进行模拟训练，则安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制，既能进行常规操作训练，又能培训学员处理各种故障的应变能力，具有训练效率高、效益好的独特优势[1]。

微波着陆引导设备模拟训练系统采用计算机仿真与控制技术，能够模拟微波着陆引导设备的操作、使用、维护流程，外型结构与实装相仿，具有一样的操作界面和显示界面。

1.系统功能

微波导航模拟训练系统设计应用对象为院校学员或设备初始操作人员，应具有以下功能：

①模拟微波着陆引导设备各分机控制面板开关的操作和指示灯的状态显示；

②模拟微波着陆引导设备中央控制计算机人机交互界面的操作和状态显示；

③模拟微波着陆引导设备一般故障时的信号输出。

此外还要具备设备的监控和管理功能，便于教员进行教学控制。

2.总体方案规划

模拟训练系统主要由仿真分机和系统管理台组成，采用数据采集卡＋PC 的硬件构架。仿真分机包括中央监控仿真分机、静变电源仿真分机、方位电子仿真分机、伺服控制仿真分机、仰角电子仿真分机和精密测距仿真分机。如图1所示[2]。

图1 微波着陆引导设备模拟训练系统框图

为保证学员训练的真实感，仿真分机与实际装备外观基本相同，提供包括操作面板、指示灯的颜色、尺寸、面板元件规格、布局等与实际设备完全一致的模拟。各仿真分机均安装数据采集卡，采集仿真分机操作面板上开关、按钮等操作装置的操作状态，送入系统管理计算机，并根据设备工作原理及操作状态，控制操作面板上的指示灯、LED面板等显示。

系统管理计算机通过422总线与各分机的数据采集卡相连，能获取各分机的操作状态，并将其送入中央控制仿真计算机，更新仿真计算机界面的设备状态；通过串行总线与中央仿真控制计算机通信，接收中央监控仿真分机的分机控制指令，向其余分机转发，控制各分机的状态显示；同时提供人机界面，支持模拟训练时进行故障模拟，将模拟的故障类型解释处理为各分机的状态控制信号送至相应的仿真分机，由其控制面板指示灯、监控界面等输出装置，模拟设备故障时的信号输出。

系统管理计算机安装在模拟训练系统管理台上。中央控制仿真计算机主要模拟实装设备中的中央控制计算机，提供与实装设备完全一致的人机交互界面，安装在中央监控分机中。

3.数据采集卡设计

数据采集卡是模拟训练系统的重要组成部分，在模拟训练系统六个分机中都要配备。主要完成面板开关量的采集、与上位机通信、面板指示灯驱动、喇叭驱动及模拟波形输出的功能。数据采集卡采用MCU+FPGA的构架实现，MCU作为系统的主控芯片，完成数据的采集、打包，以及与PC 端的通信和控制驱动输出的功能，FPGA主要完成开关量的采集以及与 MCU的通信。

数据采集卡完成数据采集功能之后，需要同上位机的PC进行通信。模拟系统中所有操作都是面向人的，数据更新速度较慢，因此数据采集卡与上位机PC通信采用RS422总线，即可满足要求。

4.系统管理计算机与中央控制仿真计算机

微波导航模拟训练系统用于实验室内的模拟训练，实验室室内环境要求较低，不需要考虑高温高湿和振动等环境影响，因此系统管理计算机与中央控制仿真计算机采用普通商用台式机，即可满足系统的性能要求。

5.各分机及管理台设计

系统主机软件采用VC++进行开发，界面菜单交互性强，人机界面友好。

5.1 中央监控仿真分机

中央监控仿真分机模拟微波着陆引导设备的中央监控分机，包括数据采集卡、指示灯面板、开关面板以及中央控制仿真计算机等；数据采集卡采用RS422总线与中央控制仿真计算机通信，中央控制仿真计算机通过串行总线与系统管理台通信，数据采集卡通过电缆与分机的面板相连。中央监控仿真分机软件模块组成如图2所示。主要由中央监控分机系统管理模块、测角系统人机交互模块、测距系统人机交互模块，模拟故障输出模块、状态监视模块、开关面板操作模块、指示灯状态显示模块和目标指示数据模块组成。与其它虚线框模块相互交联。

其中模拟故障输出模块，用以模拟中央控制计算机各模块故障时的状态输出，包括异步通信模块故障、网络模块故障、软件系统损坏、硬盘模块故障和主板模块故障等。其他各分机的软件模块设置与中央监控仿真分机类似。

图2 中央监控仿真分机软件模块组成图

5.2 方位和仰角电子仿真分机

方位和仰角电子仿真分机模拟微波着陆引导设备的方位电子分机和仰角电子分机，包括数据采集卡、状态显示与控制组合前面板、开关电源前面板、直流电源前面板等；数据采集卡采用RS422总线与系统管理计算机通信，数据采集卡通过电缆与分机面板相连。仿真分机具备以下功能：

（1）模拟电子分机状态显示与控制组合前面板的开关操作和指示灯状态显示；

（2）模拟电子分机开关电源前面板的开关操作和指示灯状态显示；

（3）模拟电子分机直流电源前面板的开关操作和指示灯状态显示；

（4）模拟电子分机模块故障时的状态输出，支持故障排查训练，这些故障包括：

电子分机开关电源模块故障；电子分机直流电源模块故障；

电子分机状态显示与控制组合的指示灯故障；电子分机状态显示与控制组合的开关故障；电子分机保险管故障；

（5）支持电子分机的开机、关机操作训练。

5.3 静变电源仿真分机

静变电源仿真分机模拟微波着陆引导设备的静变电源分机，包括数据采集卡、静变电源操作面板、配电单元显示面板等；数据采集卡采用RS422总线与系统管理计算机通信，数据采集卡通过电缆与分机面板相连。仿真分机具备以下功能：

（1）模拟静变电源操作面板的开关操作；（2）模拟配电单元显示面板的状态显示；（3）模拟输出电压的电位器调节操作；（4）模拟静变电源分机故障时的状态输出（5）支持静变电源分机的开机、关机操作训练。

5.4 伺服控制仿真分机

伺服控制仿真分机模拟微波着陆引导设备的伺服控制分机，包括数据采集卡、面板等；数据采集卡采用RS422总线与系统管理计算机通信，数据采集卡通过电缆与分机面板相连。仿真分机具备以下功能：

（1）模拟伺服控制分机故障指示灯的状态显示；（2）支持伺服控制分机的开机、关机操作训练。

5.5 精密测距仿真分机

精密测距仿真分机模拟微波着陆引导设备的精密测距分机，包括数据采集卡、操作面板等；其设计思路及模块构成与方位和仰角电子分机类似，不再赘述。

5.6 天线模拟设计

微波着陆引导设备模拟训练系统，由于原设备天线部分为相控阵天线，对于模拟训练，可操作部分很少，因此对于天线的模拟，由中央仿真控制计算机通过动画仿真实现，可以降低成本。

5.7 模拟训练系统管理台

微波训练模拟器系统管理台主要完成以下功能：

（1）模拟训练系统的数据集中及转发功能：

通过RS422总线与各仿真分机的数据采集卡（不含中央监控仿真分机）通信，获取、汇总各仿真分机的操作及指示灯控制信息，将中央监控仿真计算机的分机控制命令向各分机转发；

通过串行总线与中央仿真控制计算机通信，接收中央监控仿真分机的分机控制指令，转发其余分机的操作信息；

解释管理员的故障设置指令，将解释处理后的状态控制指令向各仿真分机转发。

（2）模拟训练系统的管理及控制功能：

具备对整个模拟训练系统的加电控制、复位功能；

提供人机界面，支持管理员进行模拟训练的故障设置；

具备对整个系统的状态监测和自检功能。

模拟训练系统管理台包括系统管理计算机、422接口通信模块等。系统管理计算机选择商用台式机，422接口通信模块提供系统管理计算机与数据采集卡的422通信接口。

（3）系统管理计算机管理软件应具备以下功能：

提供人机界面，解释处理故障设置指令，显示系统状态，支持系统自检及复位操作；

完成与数据采集卡、中央控制仿真计算机的串口数据通信。

6.结语

本设计方案采用模块化设计的方法，成本低、生产周期较短，能大幅降低制作成本，数据采集卡采用MCU+FPGA的构架实现，FPGA集成度高、编程方便，具有较高的可靠性和设计灵活性，并充分考虑了故障设置及排除方面的内容，具有较高的经济效益，可代替昂贵的实装进行教学训练，适用于院校及培训基地使用[3]。

* [1]彭雪梅.微波着陆系统信号模拟器的研究[D].西安电子科技大学，2008，1∶2—13.

* [2]苏鹏达.微波着陆系统模拟信号的研究及FPGA实现[D].西安电子科技大学，2014，1∶2—13.

* [3]刘云飞，田华明，王鼎，等.某型雷达模拟训练系统的设计与实现 [J].设备管理与维修，2017(1)∶109—110.