軍用嵌入式仿真技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)研究

摘要：基于目前軍事裝備研發(fā)與訓(xùn)練中對(duì)臨時(shí)性模擬過程的需求，采用了技術(shù)融合的方法，將嵌入式技術(shù)和仿真技術(shù)整合，將仿真作為最終目的，將嵌入式技術(shù)作為其實(shí)現(xiàn)形式，研究了軍用嵌入式仿真技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)合理論推演和相關(guān)技術(shù)的探討，論證嵌入式仿真技術(shù)應(yīng)用的可行性。并最終提出實(shí)現(xiàn)嵌入式仿真技術(shù)的解決方案，滿足了軍事裝備研發(fā)與訓(xùn)練中對(duì)臨時(shí)性模擬過程的需求，填補(bǔ)了其基礎(chǔ)理論的空白。
關(guān)鍵詞：電路與系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)；綜述；仿真

    嵌入式仿真技術(shù)由嵌入式技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)整合而成，以仿真技術(shù)為主要功能，以嵌入式技術(shù)為實(shí)現(xiàn)形式。
    仿真技術(shù)模擬環(huán)境和狀態(tài)對(duì)用戶產(chǎn)生的影響；同時(shí)允許用戶對(duì)仿真產(chǎn)生動(dòng)作，將動(dòng)作效果反饋給用戶。仿真技術(shù)必須依靠有效的體系結(jié)構(gòu)，不同級(jí)別的仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)也不同。戰(zhàn)役或戰(zhàn)術(shù)級(jí)別的仿真技術(shù)需要隨裝備或部(分)隊(duì)行動(dòng)，因此該級(jí)別的仿真技術(shù)正在向小型化、可編程化和模塊化發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
    嵌入式仿真技術(shù)是將仿真技術(shù)的核心軟件植入嵌入式系統(tǒng)，依靠嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算處理能力、探測控制能力、通信能力和存儲(chǔ)能力完成仿真過程。

1 軍用嵌入式仿真技術(shù)基本理論體系
1．1 嵌入式仿真技術(shù)基本功能
    軍用仿真技術(shù)研究兩個(gè)方面：武器裝備仿真和作戰(zhàn)仿真。仿真技術(shù)將部隊(duì)實(shí)裝研究與訓(xùn)練、演習(xí)、作戰(zhàn)推演轉(zhuǎn)化成由計(jì)算機(jī)虛擬完成的逼真過程，以減少周期和資源投入，其可重復(fù)使用的特點(diǎn)又方便了裝備或作戰(zhàn)研究。嵌入式仿真是在實(shí)現(xiàn)仿真功能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化、可編程化和模塊化。
1．2 嵌入式仿真技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)
    嵌入式仿真技術(shù)3個(gè)要素是系統(tǒng)(被仿真對(duì)象)、系統(tǒng)模型和嵌入式設(shè)備。聯(lián)系這3個(gè)要素的基本活動(dòng)是模型建立、仿真方案生成和仿真試驗(yàn)，輔以驗(yàn)證、分析和反饋。

1．2．1 建立模型和仿真方案生成
    仿真技術(shù)建模方法包括機(jī)理建模方法、系統(tǒng)辨識(shí)建模方法、多分辨率建模方法、面向?qū)ο蠼７椒ā⒍嘁晥D建模方法、數(shù)據(jù)可視化建模方法、多媒體建模方法、面向組件建模方法和面向服務(wù)建模方法等。模型是嵌入式仿真技術(shù)的基礎(chǔ)，模型是否準(zhǔn)確地描述了被仿真對(duì)象，是結(jié)果是否可信的前提。因此要進(jìn)行模型驗(yàn)證，包括可信性驗(yàn)證和一致性驗(yàn)證，以檢查模型是否正確地描述了實(shí)際系統(tǒng)，以及模型輸出是否充
分接近實(shí)際系統(tǒng)的行為。
1．2．2 仿真實(shí)驗(yàn)
    仿真實(shí)驗(yàn)是嵌入式設(shè)備依據(jù)系統(tǒng)模型和仿真方案，自動(dòng)計(jì)算并給出虛擬環(huán)境和虛擬狀態(tài)供用戶動(dòng)作的過程，這是由嵌入式設(shè)備硬件和軟件共同完成的過程。仿真實(shí)驗(yàn)以自動(dòng)控制技術(shù)為理論體系，以虛擬環(huán)境和狀態(tài)的瞬態(tài)變化為激勵(lì)，以用戶動(dòng)作為響應(yīng)，再以該動(dòng)作對(duì)虛擬環(huán)境和狀態(tài)產(chǎn)生的效果的反作用為反饋，整個(gè)過程是閉環(huán)控制過程，可歸納為如下數(shù)學(xué)模型
   
    G為虛擬環(huán)境或狀態(tài)，Gb為仿真結(jié)果，H為系統(tǒng)處理過程，s為時(shí)間。如過程中存在用戶先于環(huán)境狀態(tài)反饋的動(dòng)作，則應(yīng)增加前環(huán)反饋，模型與上式基本相同，但H(S)應(yīng)展開為
   
    其中Gr(s)、Gp(s)和Gc(s)定性地代表仿真過程中增加前環(huán)反饋后可能存在的處理過程。[!--empirenews.page--]
1．3 嵌入式仿真技術(shù)系統(tǒng)組成
    嵌入式仿真技術(shù)的理論體系包括嵌入式物理效應(yīng)設(shè)備、嵌入式仿真支撐平臺(tái)、基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)和模擬仿真系統(tǒng)。
    嵌入式物理效應(yīng)設(shè)備有軟件控制，在虛擬環(huán)境和虛擬狀態(tài)中生成逼真的物理效應(yīng)。仿真支撐平臺(tái)融合多種技術(shù)，包括仿真系統(tǒng)總體技術(shù)、建模／仿真試驗(yàn)／評(píng)估工具引擎技術(shù)、VR／可視化技術(shù)、集成框架／平臺(tái)技術(shù)、中間件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)／通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫／模型庫／知識(shí)庫／內(nèi)容管理等，為仿真過程提供處理、存儲(chǔ)、控制和通信能力?；A(chǔ)軟件系統(tǒng)類似于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，為應(yīng)用軟件提供必要保障。
    模擬仿真系統(tǒng)完成仿真的核心過程，它是基于數(shù)據(jù)庫建立起來的算法，必須囊括被仿真系統(tǒng)模型的所有信息，這些信息經(jīng)過算法調(diào)用生成虛擬環(huán)境和狀態(tài)。接收用戶反饋后給出效果，并通過物理效應(yīng)設(shè)備輸出效果。模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真的基本方法有數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)演算。數(shù)據(jù)查詢是根據(jù)反饋在數(shù)據(jù)庫中查找對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，是經(jīng)驗(yàn)式仿真，速度快，應(yīng)變能力差。實(shí)時(shí)演算是將反饋信息引入算法，直接計(jì)算，是推演式仿真，應(yīng)變能力強(qiáng)，速度相對(duì)慢。這兩種方法往往綜合運(yùn)用。

2 軍用嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
2．1 應(yīng)用系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)
    嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是其理論體系中硬件體系的具體化和產(chǎn)品化，同時(shí)以實(shí)有硬件的具體功能性能為依據(jù)。完整的嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖2所示。

2．2 硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊是嵌入式仿真過程的關(guān)鍵，虛擬環(huán)境和狀態(tài)的信息必須能夠被感知，才能引起用戶反應(yīng)；用戶動(dòng)作也必須被感知才能判斷效果。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和人機(jī)交互器件組成。傳感器探測各種狀態(tài)變化，轉(zhuǎn)化為預(yù)處理信號(hào)；交互器件直接采集用戶動(dòng)作，理解為用戶對(duì)某種環(huán)境或狀態(tài)的反應(yīng)。
2．3 硬件系統(tǒng)計(jì)算和存儲(chǔ)模塊
    計(jì)算和存儲(chǔ)模塊在嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)中起著控制整個(gè)系統(tǒng)、存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)的作用。存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)和程序與微處理器交互，經(jīng)過協(xié)調(diào)分別完成對(duì)應(yīng)功能?？刹捎玫慕Y(jié)構(gòu)包括8086體系結(jié)構(gòu)、ARM體系結(jié)構(gòu)、DSPs器件結(jié)構(gòu)和FPGA
器件結(jié)構(gòu)。
2．4 硬件系統(tǒng)接口與通信模塊
    接口與通信模塊完成數(shù)據(jù)和程序的傳輸。嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)要求與實(shí)裝無損連接，通信結(jié)構(gòu)要求具備易拆裝特點(diǎn)和三通特點(diǎn)，即在不切斷原有鏈路基礎(chǔ)上接入分支鏈路，需增加信號(hào)能量補(bǔ)償。
    嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)需要與上下級(jí)系統(tǒng)通信。通信可采用各種適當(dāng)?shù)膮f(xié)議，并適當(dāng)添加加密模塊。[!--empirenews.page--]
2．5 硬件系統(tǒng)效果輸出組件
    效果輸出組件是嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)區(qū)別于其他嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)之處。仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的效果。效果輸出組件包括硬件和軟件，其硬件即為嵌入式仿真技術(shù)基本理論體系中的物理效應(yīng)設(shè)備，軟件為基礎(chǔ)軟件和模擬仿真系統(tǒng)在本地的分支或子程序。效果輸出組件受模擬仿真系統(tǒng)控制，以模擬仿真系統(tǒng)提供的順態(tài)狀態(tài)或動(dòng)作為觸發(fā)。

3 軍用嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
3．1 應(yīng)用系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)
    嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是其理論體系中軟件體系的具體化和產(chǎn)品化，是嵌入式仿真實(shí)現(xiàn)其功能的指揮和指導(dǎo)。完整的嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖3所示。

3．2 軟件系統(tǒng)仿真功能
    虛擬環(huán)境通常指實(shí)裝或想定的環(huán)境，仿真過程是順序結(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)查詢方法。這種結(jié)構(gòu)是“給出環(huán)境——等待用戶動(dòng)作——作出反饋”，適合離散仿真。嵌入式系統(tǒng)由于受硬件資源限制，比較適合采用這種觸發(fā)式軟件。因此虛擬環(huán)境仿真的嵌入式化就是軟件的精簡化。
    虛擬狀態(tài)通常指過程進(jìn)行到一定程度時(shí)系統(tǒng)所處的狀態(tài)。這些信息往往沒有經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)備，在真實(shí)情況下即根據(jù)各種影響連續(xù)變化，且后一狀態(tài)由前一狀態(tài)和當(dāng)時(shí)動(dòng)作共同決定，因此需要這些量的變化模型，針對(duì)它們的仿真屬于連續(xù)仿真。這種仿真是循環(huán)結(jié)構(gòu)，即實(shí)時(shí)查詢用戶是否有動(dòng)作，將動(dòng)作數(shù)據(jù)引入算法計(jì)算。這種仿真模式占用資源多，進(jìn)行嵌入式化時(shí)必須增加資源釋放功能。
3．3 軟件系統(tǒng)運(yùn)算處理功能
    處理功能包括環(huán)境狀態(tài)處理和圖像處理。嵌入式仿真軟件對(duì)環(huán)境狀態(tài)的處理即對(duì)采集的物理量的處理。處理量大，加之嵌入式硬件資源限制，因此仿真軟件的處理功能采用優(yōu)化算法，如插值法、FFT等。圖像處理是嵌入式仿真軟件必備功能，因?yàn)橐曈X仿真是最基本的仿真。圖像處理內(nèi)容包括自然變化、用戶動(dòng)作效果、虛擬狀態(tài)反饋等，需要占用大量資源，嵌入式仿真系統(tǒng)必須考慮到資源限制。采用二維和三維交叉結(jié)構(gòu)，在不需要三維效果時(shí)進(jìn)行二維處理，節(jié)省資源。處理位置上采用本地處理和遠(yuǎn)程處理甚至云處理。
3．4 軟件系統(tǒng)控制功能
    控制功能是仿真軟件通過嵌入式處理器協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能力。實(shí)現(xiàn)控制功能的程序?qū)儆诨拒浖到y(tǒng)中一部分，采集仿真過程的中斷，決定是否響應(yīng)，與系統(tǒng)本身直接相關(guān)。其控制領(lǐng)域包括系統(tǒng)資源分配、硬件動(dòng)作、物理效應(yīng)輸出等。
3．5 軟件系統(tǒng)通信功能
    軟件的通信功能與硬件的通信模塊相結(jié)合工作，完成系統(tǒng)通信工作。實(shí)現(xiàn)通信功能的程序必須具備如下過程：有接口驅(qū)動(dòng)，調(diào)用通信接口；合適的編解碼算法，信息準(zhǔn)備；加密算法，對(duì)編碼加密；完整的通信協(xié)議，預(yù)留充足的字段；加密后編碼，開始通信。以上是發(fā)送結(jié)構(gòu)，接收結(jié)構(gòu)與之相反。

4 結(jié)束語
    嵌入式仿真技術(shù)是將仿真技術(shù)小型化、可編程化和模塊化后以嵌入式系統(tǒng)的形式嵌入實(shí)際系統(tǒng)的一種技術(shù)。嵌入式仿真技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合了多學(xué)科技術(shù)，以仿真技術(shù)為核心，以嵌入式技術(shù)為保障，互相融合、交互組織，形成一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)。充分掌握其體系結(jié)構(gòu)可指導(dǎo)嵌入式仿真技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。相應(yīng)級(jí)別的軍事裝備研發(fā)、訓(xùn)練和行動(dòng)推演都可依靠嵌入式仿真技術(shù)提高效果，減少資源消耗，深
入了解軍用嵌入式仿真技術(shù)體系結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。