战兴华 胡柏青 张光俊 鲁 鑫

（海军工程大学导航工程系 武汉 430033）

1 引言

惯性导航系统是一种自主式导航系统，其工作环境已经覆盖陆、海、空领域，并且已经成为舰船领航中一种非常重要的机载设备［1～5］。由于直接在海上进行实装惯导系统设备操作训练存在着成本高、风险大、周期长和降低设备使用寿命等方面的一系列问题，还容易受到海面环境、气象等条件的限制［6～9］。因此，利用模拟器对舰船人员进行训练已经成为舰船技术人员培养的重要手段。通过模拟器对舰船人员进行操作训练，不但可以弥补理论与实践环节在衔接过程中相脱节的问题，还可以使学员充分掌握实际操作程序与方法，大大地提高教学效果［10～12］。

惯导模拟器以某型惯导系统为对象，设计具有操作、维修训练及考核功能的惯性导航模拟操作系统。该系统硬件主要模拟惯导系统显控测量装置（DCTU）、惯性测量装置（IMU）以及模拟万用表、示波器的模拟检测仪（STE）等重要组成部分，系统结构示意图如图1所示。

2 惯导模拟器组成与各部分基础功能

某型惯导系统由惯性测量装置（IMU）、显控发送装置（DCTU）和超隔离变压器三部分组成。由于后者与主要功能关系不大，不作为突出重点，模拟装置仅考虑IMU和DCTU。为向用户提供真实的使用体验，IMU和DCTU均采用实物模型实现，并且要求所呈现的内容与实装一致，即所用显示屏、指示灯、蜂鸣器、风扇、开关和键盘等与实装型号一致；检测孔信息与实际相符。除机械结构、电气类零部件和某些电路模块与实装保持一致外，模拟装置也要具备模拟实装惯导系统的日常使用、维护和故障排除考核等功能，使得模拟装置能够完全模拟某型惯导系统的真实操作情况［13～14］。

图1 惯导模拟系统结构示意图

数字万用表和示波器都是电路故障诊断中最为常用的仪器设备［15］，某型惯导系统在进行实操过程中也毫不例外地会应用到数字万用表和示波器等测试仪器。而数字万用表和示波器的价格比较高，又是易损耗设备，如果在模拟操作过程中仍使用真实的测试仪器会大大增加训练成本。因此，为了降低仪器设备成本、增加操作灵活性与简易性，同时还要具备实操的操作体验与相关仪器的基本功能，惯导模拟器还要具有一个可以物理模拟万用表与示波器基础功能的、独立于DCTU与IMU装置的模拟检测仪（STE）。

3 设计需求分析

根据上述内容中提出的系统实物模拟要求，惯导模拟器应具备DCTU、IMU和STE三种装置，且任一装置都要具备与实装惯导模拟系统或故障诊断仪器相同的功能与操作体验。为了逐项完善惯导模拟器的相应功能、为硬件电路和软件系统的设计提供方向、提高惯导模拟器的可靠性、功能完整性和鲁棒性，下面将针对DCTU、IMU和STE三种装置的设计需求进行阐述。

3.1 DCTU设计需求

DCTU作为惯导模拟器的显控测量装置，是系统中重要部件之一，可为相关受训或考核人员提供惯导系统日常使用、维护和故障排除考核等实际操作环境。DCTU需要接收来自主控机的控制指令，并根据指令执行一系列动作；DCTU具有模拟故障诊断功能的电路模块，可以为受训人员提供真实的训练环境；故障信息、设备状态信息、模拟训练环境下的船舶导航信息以及主控机的指令信息都需要通过DCTU的显示屏进行显示；DCTU还可以将工作状态信息通过网线上传到主控机中。

根据某型惯导系统的实际功能需求，设计DCTU结构框图如图2所示：DCTU包含供电电路、工控机、显示屏、键盘、旋钮开关和具有信号采集、控制输出、电源输出等功能的电路模块。

图2 DCTU结构框图

其中供电电路需要将220V50Hz市电转换成各个电路模块工作所需要的不同规格的直流电（12V、24V、5V、3.3V）；具有控制输出功能的电路模块需要实现对风扇、蜂鸣器、LED、继电器等器件的控制；具有信号输入采集功能的电路模块最多可支持16路信号输入接口，并在任意一个信号输入接口有信号接入后的50ms时间内将信号的频率参数、指代信息、接口地址等数据通过总线上传到工控机中，具有该功能的电路模块则用于模拟故障诊断的实操环境；工控机作为检测与控制的工具，它需要收集来自各个电路模块的实时工作状态信息以及键盘和旋钮开关的动作编码，并将数据上传到主控机中，控制显示器进行数据显示。同时主控机向工控机发送控制指令，再由工控机通过总线传输到指定电路模块；显示屏用来为操作人员提供模拟当前操作情景下的导航信息、仪器装置与设备的故障信息、主控机发出的指令信息和设备内部各模块电路上电自检状态信息的显示。

3.2 IMU设计需求

IMU与DCTU相比较，除不需要工控机、显示屏、键盘和蜂鸣器等设备外，其他电路部分与DCUT有着相同的功能要求。即需要具有供电电路和具有信号采集、控制输出、电源输出等功能的电路模块。而各个电路模块的实时工作状态信息则要通过总线上传到DCTU内部的工控机中，同时也可以接受来自工控机的控制指令。因此，在设计IMU时，其内部电路与DCTU电路有着很强的通用性，除部分电路板尺寸和数量不统一外，在功能上是保持一致的。

3.3 STE设计需求

为了解决惯导模拟器在日常使用、维护和故障排除训练过程中，使用真实数字万用表与示波器所存在的易损耗和仪器设备成本高等问题，本论文提出了一种可以物理模拟万用表、示波器等检测仪器的相关功能的模拟检测仪的设计——STE。

STE可以模拟万用表V/Ω（电压/电阻）档和A（电流）档的功能，还可以模拟具有两个测试通道CH1（通道1）和CH2（通道2）的示波器的功能。即STE应包含4个万用表接入表笔的输入端子（分别表示为A、B、C、D）和2组示波器接入通道探头的输入接口（分别为CH1和CH2的探头接口与GND接口）。STE面板示意图如图3所示。

图3 STE面板示意图

真实的万用表和示波器的操作面板上都有着丰富的按键或旋钮等，且分别对应着不同的操作功能。但是STE为了简化设计、降低成本，同时增加操作的灵活性与稳定性，模拟仪器功能的选择与切换都是通过上位机的软面板来进行配置。例如：在软面板上可以选择STE工作的模式、档位和所要模拟测量的参数的大小等。而不同模拟故障参数测量的功能，则是通过在不同的探头或表记接入端口发出频率互不相同的方波信号来实现的。STE结构框图如图4所示。STE包含供电电路、方波信号产生电路、单片机控制电路、信号输出整波电路、USB通信接口和信号输入端口等多个模块。

其中供电电路是DC-DC直流稳压电路，STE的电能来源于DCTU内部开关电源的输出，DC-DC直流稳压电路则是把开关电源的输出电压转变为STE工作所需的电压；单片机控制电路具备USB通信接口，通过该接口与计算机进行数据通信。即在计算机的软面板上对STE的模拟参数进行配置，通过USB接口发送到单片机内，单片机则根据指令控制STE其他部分电路做出相应的动作。单片机还负责监测方波信号产生电路的工作状态；方波信号产生电路则根据单片机发出的控制指令来产生多路相应频率的方波信号，信号输出整波电路作为信号输出部分的缓冲级与隔离级，保护方波信号产生电路不被反向电流、电压烧毁的同时又可以增强方波信号的长距离传输能力。

图4 STE结构框图

4 结语

本文首先介绍了惯导模拟器的设计目的及意义，并对其整体系统进行了简要的介绍，说明了惯导模拟器的组成和各部分设备的基础功能。然后阐述了系统实物模拟的相关要求：模拟装置仅考虑IMU和DCTU，为向用户提供真实的使用体验，IMU和DCTU均采用实物模型实现，并且要求所呈现的内容与实装一致。同时为了降低训练成本、增加操作灵活性与简易性，设计STE来物理模拟数字万用表和示波器在故障检测中的相关功能。最后根据系统实物模拟要求，将模拟检测仪的设计分成三了部分，DCTU、IMU和STE，并针对每一个仪器设备的设计需求都进行了系统级的阐述。