作者：楊占錄；王宗亮；劉海光

引言

上世紀(jì)九十年代以來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，訓(xùn)練模擬器在各個領(lǐng)域特別是航海、航天、軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用并取得了很好的應(yīng)用成果。動力系統(tǒng)是艦艇的重要系統(tǒng)之一，其操作人員的操作水平對艦艇能否遂行各項(xiàng)戰(zhàn)斗任務(wù)影響重大。因此，動力系統(tǒng)訓(xùn)練模擬器在我國海軍已得到較廣泛應(yīng)用。這些訓(xùn)練模擬器大都采用半實(shí)物仿真的模式，模擬器在設(shè)備外觀上與被仿真設(shè)備完全一致，但其內(nèi)部為計(jì)算機(jī)控制，并沒有真實(shí)設(shè)備。這種訓(xùn)練模式的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)員的操作手感與被仿真設(shè)備完全一致，學(xué)員完成訓(xùn)練后完全可以達(dá)到操作實(shí)際裝備所需的操作技能，能顯著提高軍事訓(xùn)練的質(zhì)量與速度。

半實(shí)物仿真設(shè)備面板上有各類操作與顯示部件，必須用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集操作人員操作開關(guān)等部件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，同時還要驅(qū)動指示燈、儀表等顯示部件將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出。因此，設(shè)計(jì)一套可靠工作的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是研制半實(shí)物訓(xùn)練模擬器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 系統(tǒng)概述

動力系統(tǒng)設(shè)備多而且關(guān)系復(fù)雜，開發(fā)的模擬器包括37 臺模擬設(shè)備，合計(jì)開關(guān)量輸入點(diǎn)733 個，開關(guān)量輸出點(diǎn)1115 個，模擬量輸入點(diǎn)19 個，模擬量輸出點(diǎn)149 個。系統(tǒng)的核心是仿真服務(wù)器（該服務(wù)器同時作為模擬器的教練員臺）。服務(wù)器上運(yùn)行SimuEngine 仿真引擎，系統(tǒng)中所有的數(shù)學(xué)模型都由仿真引擎調(diào)度。I/O 設(shè)備采集半實(shí)物設(shè)備上的操作，由通信程序?qū)⒉僮鲾?shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器上的實(shí)時數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)庫對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果也寫入實(shí)時數(shù)據(jù)庫。通信程序?qū)?a href="http://m.1cnz.cn/article/zt/" target="_blank">最新計(jì)算結(jié)果發(fā)送給I/O 設(shè)備，I/O 設(shè)備驅(qū)動相應(yīng)的指示燈或儀表進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 設(shè)備選型

接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有四種方案可供選擇：

（1）基于某種型號的微處理器或單片機(jī)設(shè)計(jì)專用的接口硬件。該方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但設(shè)計(jì)周期長，可靠性難以保證，且開發(fā)調(diào)試?yán)щy。

（2） 采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及配套的硬件接口。該方案的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，選型方便快捷、開發(fā)調(diào)試方便。但由于這種接口系統(tǒng)依賴于WINDOWS 操作系統(tǒng)運(yùn)行，可靠性不高。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（3）采用可編程序控制器PLC 作為接口。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、開發(fā)調(diào)試方便、模塊化結(jié)構(gòu)、易于維護(hù)；缺點(diǎn)是成本高，而且傳統(tǒng)的中低端PLC 沒有以太網(wǎng)接口，不易構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最新推出的帶以太網(wǎng)接口的PLC 價格昂貴。

（4）采用可編程自動化控制器PAC（Programmable Automation Controller）。PAC 結(jié)合了PC 的處理器、RAM 和軟件的優(yōu)勢，以及PLC 固有的可靠性和分布特性，是近年來在工控領(lǐng)域出現(xiàn)的新型控制器。 PAC 與傳統(tǒng)PLC 的性能比較見表1。

表 1 PAC 與傳統(tǒng)PLC 的性能比較

PAC 產(chǎn)品型號眾多，經(jīng)過多方比較，選擇了ADAM5510-E/TCP。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，其CPU 模塊包括80188CPU、256KB FLASH ROM、256KB SRAM 和三個串行通訊口與一個10/100M 以太網(wǎng)接口。其底板有8 個擴(kuò)展槽，可以安裝不同類型的I/O 模塊。系統(tǒng)內(nèi)置ROM-DOS，與MS-DOS 操作系統(tǒng)兼容，提供了除BIOS 之外的基本MS-DOS 功能調(diào)用，允許運(yùn)行用C 或C++等高級語言編譯的應(yīng)用程序。與PLC 相比，5510 運(yùn)算能力和通訊能力更強(qiáng)，模擬量點(diǎn)價位低。與工控機(jī)相比，5510 系統(tǒng)更加緊湊，抗干擾能力更強(qiáng)，因此適合做模擬器的I/O 設(shè)備。

本系統(tǒng)*選擇了四種 I/O 模塊：16 通道隔離數(shù)字量輸出模塊ADAM5056S、16 通道隔離數(shù)字量輸入模塊ADAM5051S、4 通道模擬量輸出模塊ADAM5024、8 通道高速模擬量輸入模塊ADAM5017H 等。另外，在某些操作臺上有數(shù)碼管顯示器件。由于數(shù)碼管的位數(shù)較多，為了節(jié)約輸出模塊，不宜用5056 的輸出口直接驅(qū)動數(shù)碼管的各段，因此選用了MAX7219 作為數(shù)碼管的驅(qū)動芯片。通常，使用單片機(jī)等微控制器通過7219 的DIN、CS 和CLK 三根信號線控制它進(jìn)行數(shù)碼管的顯示。該項(xiàng)目中由5056 的三個輸出口模擬微控制器的三個口線對7219 進(jìn)行控制。

3 程序設(shè)計(jì)

5510 沒有顯示界面，首先在PC 機(jī)上編寫應(yīng)用程序，編譯好之后再下載到5510 內(nèi)。5510采用了DOS 類操作系統(tǒng)，不支持多線程編程，每臺5510 的程序隨I/O 模塊配置不同略有不同，但程序的總體流程均如圖2 所示。

圖2 程序總體流程

3.1 初始化子程序

（1）啟動看門狗。系統(tǒng)由于某種原因陷入死循環(huán)后能自動退出，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。

（2）初始化5024、5017。該兩種模擬量模塊在使用之前需要通過軟件進(jìn)行設(shè)置。其中5024 設(shè)置為4“20mA 電流輸出，5017 設(shè)置為0”10V 輸入。

（3）啟動網(wǎng)絡(luò)心跳包檢測定時器。網(wǎng)絡(luò)心跳包用于確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接是否正常。

3.2 網(wǎng)絡(luò)連接子程序

控制器首先建立 socket，然后與服務(wù)器連接。網(wǎng)絡(luò)連接子程序的主要部分為：

void ConnectServer（）

{ //首先進(jìn)行相關(guān)變量定義

if（（SO_5510=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，IPPROTO_TCP））==

INVALID_SOCKET） //建立socket 并設(shè)置為TCP 方式

{//未能建立socket 的處理}

pulArgp = 1;

if（ioctlsocket（SO_5510， FIONBIO， &pulArgp）） //將socket 設(shè)置為非阻塞模式

{//未能設(shè)置socket 的處理}

he=gethostbyname（“172.18.55.1”）; //server address

Server_addr.sin_family = AF_INET; //TCP/IP

Server_addr.sin_port = htons（Server_Port）;

Server_addr.sin_addr =*（（struct in_addr *）he-》h_addr）;

memset（&（Server_addr.sin_zero）， 0， 8）;

ConnectReturnFlag = connect（SO_5510， （struct sockaddr *）&Server_addr，sizeof（struct

sockaddr））;//建立連接

if（ ConnectReturnFlag == 0）

{//建立連接成功的相應(yīng)處理}

else

{//建立連接失敗的相應(yīng)處理}

}

3.3 接收數(shù)并處理子程序

5510 接收到數(shù)據(jù)包后首先分析數(shù)據(jù)包內(nèi)的命令字。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的命令字有開始采集、停止采集、檢查連接、有效數(shù)據(jù)等。如果是前三種命令則立即執(zhí)行，如果是“有效數(shù)據(jù)”命令則打開數(shù)據(jù)包后面的內(nèi)容（可能包含多個子包），子包內(nèi)包含開關(guān)量、模擬量等若干子命令，程序根據(jù)不同子命令執(zhí)行相應(yīng)子程序。程序主體示意如下。

void ReceiveAndProcess（）

{ if （（numbytes = recv（SO_5510， （char *）&RECVITEMS， sizeof（RECVITEMS）， 0））==

SOCKET_ERROR）

{//沒有接收到數(shù)據(jù)的處理}

if（numbytes》0）//收到數(shù)據(jù)后的處理

{ switch（RECVITEMS.Command） //判斷命令字

{ case Scollectstart： //開始采集命令

SendCommand（CReplyCollectStart）;//表示收到開始采集命令

break;

case Ssendgroupdata： //有效數(shù)據(jù)指令

{ for（CircleNum=0;CircleNum

{ switch （RECVITEMS.Items［CircleNum］.Command） //判斷子命令

{ case SsendoneDOdata： //server 發(fā)送的開關(guān)量單字節(jié)指令

WriteOneDOChannel（RECVITEMS.Items［CircleNum］）;

break;

case SsendoneAOdata： //server 發(fā)送的模擬量單字節(jié)指令

WriteOneAOChannel（RECVITEMS.Items［CircleNum］）;

break;

default： break;

} } }

default： break;

} } }

3.3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送子程序

為了降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，PAC 控制器只向服務(wù)器發(fā)送狀態(tài)發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，而狀態(tài)沒有發(fā)生變化的數(shù)據(jù)則不發(fā)送。同樣，服務(wù)器通信程序SimuTrans 只向PAC 控制器發(fā)送模型計(jì)算后發(fā)生變化的數(shù)據(jù)。

為了保證數(shù)據(jù)不會丟失，針對不同種類的數(shù)據(jù)采用了不同的發(fā)送、回送方式。在該模擬器中，輸入的模擬量為艇員操作面板上的旋鈕時帶動內(nèi)部的電位器產(chǎn)生0“10V 的模擬電壓信號，由于其操作是連續(xù)過程，操作過程會產(chǎn)生一系列變化數(shù)據(jù)，因此5017H 采集到的變化數(shù)據(jù)直接發(fā)送到服務(wù)器即可。對于操作按鈕、多位開關(guān)等部件產(chǎn)生的開關(guān)量數(shù)據(jù)，為了避免數(shù)據(jù)丟失采用了重復(fù)發(fā)送，并且服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后要做應(yīng)答，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4 結(jié)論

該模擬器2007 年9 月通過了驗(yàn)收、鑒定。在動力系統(tǒng)管理人員及在校學(xué)員的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過程中發(fā)揮了重要作用，獲得了良好的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。該半實(shí)物仿真訓(xùn)練模擬器的成功研制實(shí)踐說明，將新型PAC 控制器應(yīng)用于模擬器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工控機(jī)或PLC 不僅能縮短開發(fā)周期、使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而且系統(tǒng)開放性好，可以方便地與其他系統(tǒng)的模擬器連接組成更大規(guī)模的模擬器進(jìn)行訓(xùn)練，是模擬器研制的一種新思路。

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