某戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器快速校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

劉永易，賈彪，西光旭，曹小敏，王寧

（1.解放軍95840部隊(duì)，北京100195；2.解放軍95934部隊(duì)，河北滄州061036）

某戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器快速校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

劉永易1，賈彪2，西光旭1，曹小敏1，王寧1

（1.解放軍95840部隊(duì)，北京100195；2.解放軍95934部隊(duì)，河北滄州061036）

某戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器數(shù)據(jù)采集采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式，由主控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，兩個(gè)單片機(jī)控制盒作為下位機(jī)。通過(guò)采用RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)產(chǎn)生精確定時(shí)，同時(shí)以事件驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序同步運(yùn)行，通過(guò)485總線在數(shù)據(jù)采集程序與2個(gè)單片機(jī)控制盒之間實(shí)現(xiàn)應(yīng)答式數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主時(shí)鐘的完全同步。設(shè)計(jì)了模擬量輸入數(shù)據(jù)采集表的人工改寫功能，實(shí)現(xiàn)了能夠自動(dòng)更新模擬量輸入數(shù)據(jù)采集表的快速校準(zhǔn)方法，滿足了操縱機(jī)構(gòu)模擬量輸入數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性、維護(hù)校準(zhǔn)高的要求。

仿真，RTX，同步，數(shù)據(jù)采集

0 引言

采用分布交互仿真技術(shù)構(gòu)建的分布式戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，針對(duì)航空兵部隊(duì)在復(fù)雜電磁環(huán)境下空中作戰(zhàn)的特點(diǎn)，結(jié)合紅/藍(lán)軍指揮、演練管理、戰(zhàn)場(chǎng)信息可視化等分系統(tǒng)，為飛行員提供了一個(gè)逼真的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真平臺(tái)。該系統(tǒng)中的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器大量使用虛擬儀表、觸摸屏技術(shù)，只有駕駛桿、油門、方向舵、剎車等操縱機(jī)構(gòu)需要開關(guān)量輸入、模擬量輸入采集。操縱機(jī)構(gòu)的模擬量輸入數(shù)據(jù)采集由于與飛行員的駕駛感受息息相關(guān)，直接影響飛行仿真逼真度，實(shí)時(shí)性要求高、可靠性要求高、維護(hù)校準(zhǔn)要求高，在分布式戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中批量使用時(shí)如何滿足這些高要求是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

每臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器包括主控、視景兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，操縱桿舵、觸摸式儀表設(shè)備顯示屏、視景顯示屏等。每臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器內(nèi)部信息流程圖如下頁(yè)圖1所示。

圖1 每臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器內(nèi)部信息流程圖

每臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器實(shí)景圖如圖2所示。

圖2 每臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器實(shí)景圖

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器數(shù)據(jù)采集采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式，由主控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，兩個(gè)單片機(jī)控制盒作為下位機(jī)，之間通過(guò)485總線聯(lián)接。在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)部，主控程序通過(guò)RTX產(chǎn)生精確定時(shí)，以事件驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)包括數(shù)據(jù)采集程序在內(nèi)的多線程間時(shí)間同步，數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)485總線與2個(gè)單片機(jī)控制盒實(shí)現(xiàn)應(yīng)答式的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主控程序的完全同步。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 時(shí)鐘及時(shí)間同步

系統(tǒng)時(shí)鐘采用RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。RTX是基于Windows操作系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)解決方案。RTX并不對(duì)Windows系統(tǒng)進(jìn)行任何封裝或修改，其通過(guò)在HAL層增加實(shí)時(shí)HAL擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)任務(wù)管理和調(diào)度。RTX實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程，提供了對(duì)IRQ、I/O、內(nèi)存的精確直接控制，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)的100%可靠性。

數(shù)據(jù)采集程序與單片機(jī)控制盒之間采用應(yīng)答式數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集程序每向單片機(jī)控制盒發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制盒回傳一幀數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步。

2.2 模入數(shù)據(jù)采集表

由于分布式戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練仿真系統(tǒng)一般包括6臺(tái)～8臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器，每臺(tái)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模擬器的模擬量輸入信息集中于駕駛桿、油門、方向舵等操縱量，頻繁操縱后模擬量輸入數(shù)據(jù)極易發(fā)生偏移。傳統(tǒng)接口對(duì)模擬量輸入數(shù)據(jù)處理時(shí)，一般在程序中采用#define StickPitchBackMax 26.0等方式，一旦發(fā)生機(jī)械松動(dòng)，數(shù)據(jù)就會(huì)偏移，必須對(duì)程序進(jìn)行重新調(diào)整、編譯，這對(duì)基層部隊(duì)維護(hù)人員來(lái)說(shuō)存在一定難度，如果操作錯(cuò)誤更存在很大風(fēng)險(xiǎn)。為此專門設(shè)計(jì)了模擬量輸入數(shù)據(jù)采集表，數(shù)據(jù)采集程序在進(jìn)行初始化時(shí)讀取采集表相應(yīng)數(shù)據(jù)的最大、最小值，一旦模擬量輸入數(shù)據(jù)發(fā)生偏移，只需要調(diào)整數(shù)據(jù)采集表相應(yīng)的最大、最小值，而不需要更改程序重新編譯，其中某機(jī)型的模擬量輸入數(shù)據(jù)采集表如圖4所示。

圖4 某機(jī)型的模入數(shù)據(jù)采集表

2.3 模擬量輸入數(shù)據(jù)的快速校準(zhǔn)

隨著分布式戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，受到部隊(duì)受訓(xùn)人員好評(píng)的同時(shí)，維護(hù)保障人員提出能否有一種不需要任何數(shù)據(jù)操作的數(shù)據(jù)快速校準(zhǔn)方法呢？為此在數(shù)據(jù)采集程序中引入了自動(dòng)測(cè)試環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)最大、最小值的自動(dòng)寫入。當(dāng)維護(hù)人員在數(shù)據(jù)采集程序啟動(dòng)的最初3 s內(nèi)按下鍵盤T鍵，則程序進(jìn)入模擬量輸入測(cè)試狀態(tài)，維護(hù)人員依次將相應(yīng)操縱模擬輸入量分別扳動(dòng)到最大、最小機(jī)械位置，然后按下鍵盤E鍵，數(shù)據(jù)采集表將按照此次測(cè)試比較得出的最大、最小值數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)更新。當(dāng)在數(shù)據(jù)采集程序啟動(dòng)3 s后，即使按下鍵盤T鍵也無(wú)法進(jìn)入測(cè)試程序，這樣就有效避免了其他應(yīng)用程序進(jìn)行鍵盤操作對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。圖5為最終數(shù)據(jù)采集程序流程圖。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖6為數(shù)據(jù)采集程序正常工作界面：

圖6 數(shù)據(jù)采集程序正常工作界面

下頁(yè)圖7為數(shù)據(jù)采集程序模擬量輸入測(cè)試界面，此時(shí)需要維護(hù)人員依次將相應(yīng)操縱量扳動(dòng)到最大、最小機(jī)械位置：

當(dāng)維護(hù)人員按下鍵盤E鍵后，數(shù)據(jù)采集表將按照此次測(cè)試的最大、最小值數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)更新，程序同時(shí)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)性能

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既滿足了操縱系統(tǒng)所必須的高實(shí)時(shí)性，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高特點(diǎn)。

圖7 數(shù)據(jù)采集程序模擬量輸入測(cè)試界面

系統(tǒng)技術(shù)性能如下：

●仿真周期：10 ms

●定時(shí)器時(shí)鐘分辨率：100 ns

●現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)傳輸：485總線

●波特率：115 200

●數(shù)據(jù)位：8位

●數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式：異或和

4 結(jié)論

本文介紹的快速校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已經(jīng)隨同分布式戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練仿真系統(tǒng)配發(fā)到多個(gè)空軍部隊(duì)訓(xùn)練使用，在滿足操縱機(jī)構(gòu)模擬量輸入數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高、可靠性要求高、維護(hù)校準(zhǔn)要求高的同時(shí)，設(shè)計(jì)了模擬量輸入數(shù)據(jù)采集表的人工改寫功能，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了能夠自動(dòng)更新模擬量輸入數(shù)據(jù)采集表的快速校準(zhǔn)方法，極大地方便了技術(shù)保障人員的后期維護(hù)，減少了誤操作，降低了系統(tǒng)故障率，受到訓(xùn)練使用部隊(duì)技術(shù)保障人員的廣泛歡迎。存在的不足是當(dāng)某一路模擬量輸入出現(xiàn)偏移時(shí)，如果采用自動(dòng)校準(zhǔn)操作必須對(duì)所有的模擬量輸入進(jìn)行校準(zhǔn)，需要操作人員認(rèn)真仔細(xì)，無(wú)遺漏、無(wú)誤操作。

［1］北京美斯比科技有限公司.RTX技術(shù)白皮書［M］.北京美斯比科技有限公司譯.北京：北京美斯比科技有限公司，2004.

［2］李軍，黃紹君，龔光紅.戰(zhàn)術(shù)仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（2）：381-389.

［3］王行仁.飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］徐昕，劉秀羅，賀漢根，等.DIS綜合環(huán)境及其相關(guān)技術(shù)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2000，12（3）：175-196.

［5］孫勇成.分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性驗(yàn)證［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（7）：1553-1555.

［6］劉慶國(guó)，艾德芳，汪成.分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中基于HLA和組播技術(shù)的通信仿真［J］.火力與指揮控制，2014，39（9）：135-138.

A Fast Calibration Data Acquisition System of Tactical Training Simulator

LIU Yong-yi1，JIA Biao2，XI Guang-xu1，CAO Xiao-min1，WANG Ning1
（1.Unit 95840 of PLA，Beijing 100195，China；2.Unit 95934 of PLA，Cangzhou 061036，China）

Data collection of the tactical training simulator uses field bus technology.Main control computer is host machine，two single chip microcomputer control box are under machine.The system produces precise timing by using RTX real-time operating system，at the same time drives joystick program in the form of event driven，realizes data communication between the joystick program and two singlechipmicrocomputercontrolboxthroughthe485bus.Thesystemrealizescomplete synchronization between the data acquisition system and the main clock.The system designes the mode that the data collection table can be artificial rewrited，realizes the fast calibration method that the data collection table can be automatically updated.The operation data requirements are well satisfied，such as real-time，reliability，maintenance.

simulation，RTX，synchronization，data acquisition

TP319

A

1002-0640（2016）12-0165-04

2015-10-05

2015-12-26

劉永易（1977-），男，天津人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：飛行仿真技術(shù)。