基于ARM 的防空協(xié)同設(shè)備人機(jī)交互功能的設(shè)計(jì)

王凱銳，孫 雨，高希宇，劉 欣，王新文

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

隨著當(dāng)前作戰(zhàn)方式的多變，特別是某些非對(duì)稱作戰(zhàn)的情況，對(duì)武器系統(tǒng)的信息化提出了更高的要求。在空襲與防空作戰(zhàn)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)信息的實(shí)時(shí)性有著較高的要求，同時(shí)，各個(gè)武器平臺(tái)和作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同配合日趨重要。對(duì)于連級(jí)近程地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，其主要作戰(zhàn)對(duì)象為有效覆蓋空域內(nèi)的固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)和無人機(jī)［1］。系統(tǒng)采用架設(shè)工作方式，能夠快速部署參加重大活動(dòng)安?；?qū)Ω邇r(jià)值目標(biāo)的防御，也能納入?yún)^(qū)域防空體系在上級(jí)編成內(nèi)擔(dān)負(fù)要地和野戰(zhàn)防空任務(wù)［2］。由此可見，防空作戰(zhàn)已不再是單一兵器的對(duì)抗，而上升為防空體系的對(duì)抗。

以某些國(guó)際熱點(diǎn)地區(qū)為例，武裝沖突時(shí)有發(fā)生，特別是武裝直升機(jī)和無人機(jī)的頻繁出動(dòng)使得防空武器的需求迫在眉睫。為了適應(yīng)國(guó)際軍貿(mào)市場(chǎng)的需求，特別是一些用戶國(guó)家提出用車載方式提高系統(tǒng)機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力，這就要求各節(jié)點(diǎn)之間需進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)。本文根據(jù)目前的市場(chǎng)需求和防空協(xié)同設(shè)備設(shè)計(jì)方案，對(duì)防空協(xié)同設(shè)備中通信控制及數(shù)據(jù)處理模塊的人機(jī)交互操控功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 協(xié)同設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

構(gòu)建防空協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同設(shè)備是關(guān)鍵。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的協(xié)同設(shè)備，可以將連級(jí)防空武器系統(tǒng)或分布式防空協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中的各目標(biāo)探測(cè)節(jié)點(diǎn)、指揮控制節(jié)點(diǎn)和火力節(jié)點(diǎn)等聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間防空協(xié)同作戰(zhàn)信息的實(shí)時(shí)共享，提高系統(tǒng)內(nèi)各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的利用率、火力節(jié)點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)火能力及整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的抗毀能力［3-4］。

協(xié)同設(shè)備采用分布式無中心自組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的易用性和抗毀性，在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中可確保網(wǎng)絡(luò)的快速組建和穩(wěn)定運(yùn)行，無需事先規(guī)劃部署；協(xié)同設(shè)備間地位對(duì)等，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有限制。采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)學(xué)習(xí)的方法，可通過上位機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算規(guī)劃傳輸路徑并按需分配信道資源，降低使用人員的操作難度，大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)使用；采用TDMA的時(shí)分多址接入方式和中繼多跳傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的傳輸控制，保證數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間的信息共享；時(shí)隙采用動(dòng)態(tài)分配、靜態(tài)占用的原則，采用高傳輸帶寬、高傳輸速率和低傳輸時(shí)延技術(shù)，滿足防空協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間信息實(shí)時(shí)傳輸需求［5-6］。

協(xié)同設(shè)備以實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)為原則，使用成熟技術(shù)，采用低功耗、低成本、小型化和模塊化的設(shè)計(jì)思想，功能可裁剪，系統(tǒng)可升級(jí)。設(shè)備操作簡(jiǎn)單，使用方便，采用通用接口設(shè)計(jì)，通過擴(kuò)展串口、網(wǎng)口和CAN 總線等接口可接入高炮防空武器系統(tǒng)、輕型導(dǎo)彈防空武器系統(tǒng)等現(xiàn)有防空武器系統(tǒng)，也可以接入未來分布式防空協(xié)同作戰(zhàn)模式下獨(dú)立的防空指揮控制節(jié)點(diǎn)、探測(cè)跟蹤節(jié)點(diǎn)和火力節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)防空協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的信息交互，其在防空體系中的位置如圖1 所示。

圖1 協(xié)同設(shè)備在防空體系中的位置

防空協(xié)同設(shè)備本身由5 部分組成：無線功率放大模塊、無線通信模塊、通信控制及數(shù)據(jù)處理模塊、協(xié)同網(wǎng)有線通信模塊、電源模塊。如圖2 所示。

圖2 協(xié)同設(shè)備系統(tǒng)組成

其中，通信控制及數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，具有通信接口控制、GPS 數(shù)據(jù)的傳輸控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和人機(jī)交互操控等功能，可以完成通信接口復(fù)用、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、GPS 數(shù)據(jù)接入和處理、人機(jī)操控及設(shè)備參數(shù)配置。也可以根據(jù)需要完成時(shí)空配準(zhǔn)、航跡關(guān)聯(lián)和威脅度判斷等協(xié)同作戰(zhàn)信息的處理任務(wù)。

1.1 通信控制及數(shù)據(jù)處理模塊組成

通信控制及數(shù)據(jù)處理模塊按照功能劃分，主要可分為通信控制管理單元、數(shù)據(jù)處理單元、時(shí)空服務(wù)單元、通信接口控制管理單元、人機(jī)交互單元、狀態(tài)顯示及告警單元和電源管理單元等部分組成，如圖3 所示。

圖3 通信控制及數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部組成

1.2 人機(jī)交互單元功能需求

1.2.1 為分布式配置提供參數(shù)

人機(jī)交互單元具備接口控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息處理、人機(jī)操控及設(shè)備參數(shù)配置功能。

協(xié)同設(shè)備采用分布式自組網(wǎng)技術(shù)，其構(gòu)建的無線通信網(wǎng)絡(luò)無需事先規(guī)劃部署，開機(jī)即可使用。對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有限制，可通過自動(dòng)拓?fù)鋵W(xué)習(xí)，計(jì)算規(guī)劃傳輸路徑并按需分配信道資源，對(duì)于多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景適應(yīng)性更好，降低操作人員工作難度。

當(dāng)協(xié)同設(shè)備處于分布式配置協(xié)同作戰(zhàn)模式時(shí)，由人機(jī)交互單元提供本節(jié)點(diǎn)信息，包括節(jié)點(diǎn)號(hào)、當(dāng)前無線信道工作頻率、當(dāng)前無線通信模塊工作功率。同時(shí)，人機(jī)交互單元還可以處理節(jié)點(diǎn)間交互報(bào)文。

通過以上配置，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間作戰(zhàn)信息的實(shí)時(shí)傳輸和共享。

1.2.2 狀態(tài)顯示與故障告警

人機(jī)交互單元還具備狀態(tài)顯示、故障告警、鏈路狀態(tài)指示及在線檢測(cè)功能。協(xié)同設(shè)備在工作過程中通過操控面板指示燈，對(duì)當(dāng)前工作狀態(tài)（含設(shè)備自檢、故障警告、鏈路狀態(tài)指示和衛(wèi)星狀態(tài)指示等）和無線信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行顯示，可根據(jù)操控面板的指示信息對(duì)設(shè)備中各模塊的工作狀態(tài)和故障情況，通過軟硬件相結(jié)合的方法對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的隔離和快速定位，縮短維護(hù)維修時(shí)間。

1.3 人機(jī)交互單元各個(gè)功能模塊總體設(shè)計(jì)

人機(jī)交互單元選用數(shù)碼管顯示和參數(shù)配置旋鈕和按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。數(shù)碼管主要顯示當(dāng)前無線節(jié)點(diǎn)的站號(hào)，參數(shù)配置旋鈕可設(shè)定無線信道參數(shù)（如頻率、發(fā)射功率等）等信息。用戶可以通過參數(shù)配置按鍵對(duì)通信設(shè)備的無線參數(shù)進(jìn)行快速修改。人機(jī)交互單元還預(yù)留與指揮節(jié)點(diǎn)協(xié)同指揮終端及火力節(jié)點(diǎn)火控計(jì)算機(jī)的通信接口，用戶可通過上位機(jī)參數(shù)配置軟件對(duì)協(xié)同設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃參數(shù)進(jìn)行查詢和修改。

狀態(tài)顯示與故障告警功能主要通過面板指示燈的形式指示模塊當(dāng)前工作狀態(tài)。包括工作指示、衛(wèi)星狀態(tài)指示和告警指示等。故障告警包括設(shè)備故障和鏈路故障告警等。人機(jī)交互單元的各個(gè)功能模塊組成如圖4 所示。

2 人機(jī)交互單元硬件設(shè)計(jì)方案

用于人機(jī)交互的操控及狀態(tài)顯示板組成如下：主控芯片、數(shù)碼管、微動(dòng)開關(guān)、頻率選擇開關(guān)、功率選擇開關(guān)、工作狀態(tài)指示燈、GPS 狀態(tài)指示燈。

本項(xiàng)目選擇基于Cortex—M3 內(nèi)核的LPC1768嵌入式微控制器作為主控芯片。其具備UART、SPI、SSP、I2C、ADC、DAC、CAN 等多個(gè)接口以及電機(jī)控制PWM、定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等豐富的資源。其電路原理圖如圖5 所示。

圖5 主控芯片LPC1768

數(shù)碼管和微動(dòng)開關(guān)用于顯示并上報(bào)本站站碼（ID 號(hào)）；頻率選擇開關(guān)用于設(shè)置無線通信模塊的頻率；功率選擇開關(guān)用于根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)置無線通信模塊的功率。定位定向指示燈及GPS 狀態(tài)指示燈用于顯示設(shè)備是否正常工作。

操控及狀態(tài)顯示板成為通信控制板和士兵之間的橋梁，達(dá)到了人機(jī)交互的目的。其外圍設(shè)備電路原理圖如下頁圖6 所示。

圖6 外設(shè)電路

3 人機(jī)交互單元軟件設(shè)計(jì)方案

軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：通信控制板與操控及狀態(tài)顯示板之間、外設(shè)電路與操控及狀態(tài)顯示板之間。通信控制模塊與操控及狀態(tài)顯示板之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。外設(shè)電路與操控及狀態(tài)顯示板之間通過I/O 口控制。

3.1 操控板與控制板之間的通信設(shè)計(jì)

通信控制模塊與操控及狀態(tài)顯示板之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，波特率為115 200。報(bào)文格式如圖7 所示。

圖7 報(bào)文格式

標(biāo)識(shí)位說明：04：配置幀；05：應(yīng)答幀；0F：站點(diǎn)重復(fù)幀。報(bào)文處理流程如圖8 所示。

圖8 報(bào)文處理流程圖

3.2 操控板對(duì)外設(shè)電路的控制

2 個(gè)數(shù)碼管分別表示本站ID 號(hào)的十位和個(gè)位，采用共陽極接法，低電平點(diǎn)亮。3 個(gè)按鍵分別用于本站ID 號(hào)增大、本站ID 號(hào)減小、確認(rèn)本站ID 號(hào)并上報(bào)。具體流程如圖9 所示，從左依次為：本站ID 號(hào)增大、本站ID 號(hào)減小、上報(bào)本站ID 號(hào)。在頻率選擇開關(guān)的檔位發(fā)生改變時(shí)，及時(shí)上報(bào)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選擇的最新頻率，其操作流程如下頁圖10 所示。

圖9 按鍵操作流程圖

圖10 頻率選擇開關(guān)工作流程圖

4 人機(jī)交互單元功能測(cè)試與設(shè)計(jì)效果分析

根據(jù)某型防空協(xié)同設(shè)備項(xiàng)目的總體要求以及人機(jī)交互單元的功能設(shè)計(jì)，對(duì)其各個(gè)功能模塊進(jìn)行測(cè)試。

4.1 測(cè)試本站號(hào)碼的上報(bào)與配置

人機(jī)交互單元上電后，數(shù)碼管初始值為0，操作員通過按鍵可自行設(shè)置本站號(hào)碼并上報(bào)，若站號(hào)與其他節(jié)點(diǎn)不重復(fù)，則收到上級(jí)的確認(rèn)報(bào)文；若站點(diǎn)重復(fù)，則上級(jí)發(fā)送站點(diǎn)重復(fù)提示報(bào)文，數(shù)碼管閃爍，操作員重新設(shè)置本站號(hào)。

在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，上級(jí)根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新配置，節(jié)點(diǎn)收到新的配置報(bào)文后，更新本站號(hào)，用數(shù)碼管顯示。

經(jīng)過測(cè)試，此功能滿足設(shè)計(jì)規(guī)劃。

4.2 測(cè)試節(jié)點(diǎn)無線通信參數(shù)上報(bào)

人機(jī)交互單元上電后，轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)開關(guān)的檔位，通過報(bào)文告知上級(jí)最新的無線通信頻率，上級(jí)收到此條報(bào)文后，回送確認(rèn)報(bào)文。

經(jīng)過測(cè)試，此功能滿足設(shè)計(jì)規(guī)劃。

4.3 測(cè)試節(jié)點(diǎn)狀態(tài)指示

人機(jī)交互單元上電后，各個(gè)指示燈均正常顯示綠色。人為斷開GPS 模塊饋線后，衛(wèi)星狀態(tài)指示燈變紅，提示異常，連接饋線后，指示燈變綠，提示正常；人為斷開人機(jī)交互單元的串口，故障告警指示燈變紅，提示設(shè)備有故障，重新連接串口，指示燈變綠，提示設(shè)備正常；人為關(guān)閉本節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊，鏈路狀態(tài)指示燈變紅，提示鏈路故障，打開無線通信模塊后，指示燈變綠，提示鏈路正常。

經(jīng)過測(cè)試，此功能滿足設(shè)計(jì)規(guī)劃。

實(shí)際測(cè)試人機(jī)交互單元時(shí)的報(bào)文情況如圖11所示，測(cè)試本站號(hào)碼的情況如圖12 所示。

圖11 測(cè)試報(bào)文

圖12 測(cè)試報(bào)文

經(jīng)過對(duì)人機(jī)交互單元各個(gè)功能模塊的測(cè)試，其狀態(tài)良好，滿足項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

根據(jù)某型軍貿(mào)防空協(xié)同設(shè)備項(xiàng)目的總體要求，以可靠的產(chǎn)品和技術(shù)為基礎(chǔ)，以未來防空作戰(zhàn)需求和外貿(mào)防空市場(chǎng)為牽引，以設(shè)備輕型化、模塊化為重點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM 的人機(jī)交互功能模塊，包括人員操控、狀態(tài)顯示、告警提示?；緷M足了項(xiàng)目總體要求。在后續(xù)工作中，將會(huì)對(duì)硬件電路進(jìn)行升級(jí)，增加E2PROM 等芯片，用于存儲(chǔ)本節(jié)點(diǎn)信息，在重啟設(shè)備時(shí)直接獲取本節(jié)點(diǎn)信息或者上級(jí)直接調(diào)取本節(jié)點(diǎn)信息。同時(shí)，芯片主控軟件也會(huì)增加相應(yīng)功能的控制程序。進(jìn)一步增強(qiáng)模塊的通用性，為批量列裝打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。