模擬訓(xùn)練平臺數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計

張鵬

摘 要： 模擬訓(xùn)練平臺是用模擬訓(xùn)練設(shè)備代替實際設(shè)備，實現(xiàn)演示教學(xué)和操作訓(xùn)練，使學(xué)生學(xué)會設(shè)備的物理連接、參數(shù)配置、連通檢測等操作，形成系統(tǒng)綜合運用能力的系統(tǒng)。本文從模擬訓(xùn)練平臺的設(shè)計思路、數(shù)據(jù)控制設(shè)計和數(shù)據(jù)模擬通道設(shè)計三個方面，闡述了模擬訓(xùn)練平臺數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，為下一步項目研制打下理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 訓(xùn)練平臺；數(shù)據(jù)交互；數(shù)據(jù)模擬通道

模擬訓(xùn)練平臺是以硬件模擬與軟件控制相結(jié)合的方式對實際設(shè)備進行模擬，通過研究構(gòu)建通用的數(shù)據(jù)交換和訓(xùn)練管理系統(tǒng)，集模擬操作、效果分析、考核評估及故障排除于一體，適用于不同種類、型號設(shè)備的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。訓(xùn)練平臺包括軟硬兩個分系統(tǒng)，涉及大量的數(shù)據(jù)交互，因此，對數(shù)據(jù)的控制是非常重要的。下面從三個方面，探討模擬訓(xùn)練平臺數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

一、模擬訓(xùn)練平臺設(shè)計思路

根據(jù)實際設(shè)備的功能和操作特點，運用單片機編程的方式進行操作流程模擬，在模擬訓(xùn)練設(shè)備中安裝AVR單片機控制模塊，通過單片機現(xiàn)有的外部通信接口同管理主機連接，在管理主機中運行訓(xùn)練管理軟件，管理主機與單片機系統(tǒng)相結(jié)合控制，使模擬設(shè)備的設(shè)置操作和線纜連接等操作與實際使用一致，實現(xiàn)單臺設(shè)備操作功能的模擬。采用TCP/IP技術(shù)組網(wǎng)，將各模擬訓(xùn)練設(shè)備、管理主機通過以太網(wǎng)交換機組建成內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，采用自主研制的GCP通信協(xié)議，進行模擬訓(xùn)練設(shè)備操作信息的采集和管理控制信息的傳輸，從而實現(xiàn)模擬設(shè)備組網(wǎng)訓(xùn)練功能。采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和單片機控制管理技術(shù)，構(gòu)建設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通用基礎(chǔ)平臺，設(shè)計訓(xùn)練管理程序?qū)δM訓(xùn)練設(shè)備上的操作進行評判，根據(jù)評判結(jié)果控制各模擬訓(xùn)練設(shè)備間的通斷情況，實現(xiàn)軟硬件數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)通信訓(xùn)練管理等功能。

二、模擬訓(xùn)練平臺數(shù)據(jù)交互設(shè)計

（一）平臺數(shù)據(jù)交互接口設(shè)計

在模擬訓(xùn)練設(shè)備同管理主機之間的數(shù)據(jù)交互接口采用以太網(wǎng)通信模塊，提高傳輸速率，易于系統(tǒng)管理與擴展。模擬控制單片機系統(tǒng)通過其自帶的SPI接口連接到ENC28J60以太網(wǎng)控制器中，通過該控制器實現(xiàn)模擬控制單片機系統(tǒng)同管理主機間的以太網(wǎng)連接，可以很好的解決系統(tǒng)各部分間控制數(shù)據(jù)的傳輸速率問題，傳輸速率可以達到2Mbps，延長模擬訓(xùn)練設(shè)備控制信號的傳輸距離，提高訓(xùn)練設(shè)備同管理主機之間數(shù)據(jù)交互的帶寬；同時大大的增加了系統(tǒng)的容量，理論上可以容納的節(jié)點數(shù)目為一個完整的IP地址空間，根據(jù)教學(xué)訓(xùn)練的實際需求，設(shè)計最多可以同時連接200臺模擬訓(xùn)練設(shè)備。

（二）數(shù)據(jù)傳輸控制方式設(shè)計

模擬訓(xùn)練平臺的信息傳輸需要流經(jīng)的設(shè)備數(shù)目多、型號復(fù)雜，在訓(xùn)練過程中，管理主機需要與各種模擬訓(xùn)練設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集、傳輸，對模擬訓(xùn)練過程進行監(jiān)視、控制和管理，因此數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性要求較高。雖然使用以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)傳輸速度快，解決了傳輸速率的問題，但由于管理主機需要同時判斷多臺模擬訓(xùn)練設(shè)備的操作動作，才能對語音、數(shù)據(jù)信息傳輸進行正確控制，多個模擬訓(xùn)練設(shè)備同時訪問管理主機，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，設(shè)備間的訪問沖突勢必會造成丟包現(xiàn)象的產(chǎn)生。

針對這種問題，如果仍然采用TCP協(xié)議面向連接的數(shù)據(jù)傳輸控制方式，雖然可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枪芾碇鳈C與每一個模擬訓(xùn)練設(shè)備的每次數(shù)據(jù)傳輸都需要都建立和拆除專門的鏈路，各模擬訓(xùn)練設(shè)備單片機硬件編程非常繁瑣，對研制人員的技術(shù)要求更高，而且系統(tǒng)延時比較大，隨著節(jié)點數(shù)目增多，通信效率將明顯下降，極可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法容忍尋找等待，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作，很難適應(yīng)教學(xué)訓(xùn)練實際需求。

通過試驗和綜合比較分析，項目組決定模擬訓(xùn)練系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸控制采用面向無連接的UDP協(xié)議。為了避免數(shù)據(jù)包丟失，在通信管理方面采用時間片輪詢技術(shù)。在管理主機給每個需要訪問的模擬訓(xùn)練設(shè)備分配一個固定時間片，例5ms，由管理主機進行統(tǒng)一控制，各個模擬訓(xùn)練設(shè)備只有在自己所屬的時間片里才能發(fā)送數(shù)據(jù)，通過此方法解決多點接入而引起的訪問沖突問題。由于時間片的間隔非常小，操作人員基本感覺不到模擬訓(xùn)練設(shè)備的延時反應(yīng)，可以實現(xiàn)實時模擬訓(xùn)練的軟硬件同步響應(yīng)。

本設(shè)計的優(yōu)點是：模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，保障模擬訓(xùn)練設(shè)備操作的實時性；數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，多點接入的訪問沖突得到有效控制，在功能實現(xiàn)上和后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)兼容性上比較合理可行。

存在的難度主要是：在管理主機上需要專門設(shè)置數(shù)據(jù)采集與交換模塊，對模擬訓(xùn)練設(shè)備與管理主機的數(shù)據(jù)交互進行通信管理。但這個技術(shù)難題本項目組成員可以嘗試研究解決。

三、數(shù)據(jù)模擬通道設(shè)計

（一）數(shù)據(jù)模擬通道硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

實際設(shè)備可以為終端和服務(wù)器提供數(shù)據(jù)傳送通道，本項目考慮通過IP技術(shù)模擬該數(shù)據(jù)傳輸通道，采用基于TELNET服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)交換控制技術(shù)，自主研制“數(shù)據(jù)交換控制”模塊，通過TCP協(xié)議中TELNET服務(wù)，向連接各級終端的交換機端口發(fā)送斷開和連接的指令，控制交換機端口斷開和連接，從而實現(xiàn)為終端和服務(wù)器提供數(shù)據(jù)傳送通道。

（二）數(shù)據(jù)模擬通道控制設(shè)計

在模擬訓(xùn)練設(shè)備上進行數(shù)據(jù)通信參數(shù)設(shè)置，發(fā)送開始建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道請求。訓(xùn)練管理主機通過以太網(wǎng)對模擬訓(xùn)練設(shè)備上的操作信號進行采集、監(jiān)控和評判，如果進行數(shù)據(jù)通信的雙方（組網(wǎng)時可以使多方）操作都正確，管理主機通過TELNET程序登陸到交換機的IOS上，將對應(yīng)終端所在的交換機上接入端口打開，從而建立各數(shù)據(jù)終端間的模擬數(shù)據(jù)通道。在數(shù)據(jù)通信過程中，如有任何一方的操作改變了或錯誤配置了參數(shù)，訓(xùn)練管理主機將監(jiān)控到該操作信號并判斷，如在實際設(shè)備中該參數(shù)設(shè)置更改會引起數(shù)據(jù)通信的中斷，訓(xùn)練管理主機將通過TELNET程序向交換機的IOS發(fā)出關(guān)閉相應(yīng)終端所在接入端口的指令，從而斷開各終端和服務(wù)器之間的模擬數(shù)據(jù)通道。endprint