摘 要：介紹了某型艦艇動力系統(tǒng)訓練模擬器的組成與基本工作原理。詳細介紹了I/O設備的選型依據(jù)，給出了ADAM5510-E/TCP 的基本性能，并詳細介紹了其在模擬器中的硬件配置方法和主要軟件的編制思想。實踐證明，基于ADAM5510-E/TCP 所設計的訓練模擬器運行穩(wěn)定、擴展靈活，完全滿足軍事訓練需求。
0 引言
上世紀九十年代以來，由于計算機技術、自動控制技術和仿真技術的飛速發(fā)展，訓練模擬器在各個領域特別是航海、航天、軍事領域得到了廣泛的應用并取得了很好的應用成果。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戰(zhàn)斗任務影響重大。因此，動力系統(tǒng)訓練模擬器在我國海軍已得到較廣泛應用。這些訓練模擬器大都采用半實物仿真的模式，模擬器在設備外觀上與被仿真設備完全一致，但其內(nèi)部為計算機控制，并沒有真實設備。這種訓練模式的優(yōu)點是學員的操作手感與被仿真設備完全一致，學員完成訓練后完全可以達到操作實際裝備所需的操作技能，能顯著提高軍事訓練的質量與速度。
半實物仿真設備面板上有各類操作與顯示部件，必須用數(shù)據(jù)采集設備采集操作人員操作開關等部件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，同時還要驅動指示燈、儀表等顯示部件將計算結果進行輸出。因此，設計一套可靠工作的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是研制半實物訓練模擬器的關鍵技術之一。
1 系統(tǒng)概述
動力系統(tǒng)設備多而且關系復雜，筆者開發(fā)的模擬器包括37 臺模擬設備，合計開關量輸入點733 個，開關量輸出點1115 個，模擬量輸入點19 個，模擬量輸出點149 個。系統(tǒng)的核心是仿真服務器（該服務器同時作為模擬器的教練員臺）。服務器上運行SimuEngine 仿真引擎，系統(tǒng)中所有的數(shù)學模型都由仿真引擎調(diào)度。I/O 設備采集半實物設備上的操作，由通信程序將操作數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至服務器上的實時數(shù)據(jù)庫，服務器根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫對數(shù)學模型進行計算，計算結果也寫入實時數(shù)據(jù)庫。通信程序將最新計算結果發(fā)送給I/O 設備，I/O 設備驅動相應的指示燈或儀表進行顯示。系統(tǒng)總體結構如圖1 所示。
2 設備選型
接口系統(tǒng)的設計有四種方案可供選擇：
?。?）基于某種型號的微處理器或單片機設計專用的接口硬件。該方案的優(yōu)點是成本低，但設計周期長，可靠性難以保證，且開發(fā)調(diào)試困難。
?。?） 采用工業(yè)控制計算機以及配套的硬件接口。該方案的優(yōu)點是成本較低，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)運行，可靠性不高。
圖 1 系統(tǒng)總體結構[!--empirenews.page--]
?。?）采用可編程序控制器PLC 作為接口。該方案的優(yōu)點是可靠性高、開發(fā)調(diào)試方便、模塊化結構、易于維護；缺點是成本高，而且傳統(tǒng)的中低端PLC 沒有以太網(wǎng)接口，不易構成較為復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，最新推出的帶以太網(wǎng)接口的PLC 價格昂貴。
?。?）采用可編程自動化控制器PAC（Programmable Automation Controller）。PAC 結合了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。它采用模塊化結構，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，允許運行用C 或C++等高級語言編譯的應用程序。與PLC 相比，5510 運算能力和通訊能力更強，模擬量點價位低。與工控機相比，5510 系統(tǒng)更加緊湊，抗干擾能力更強，因此適合做模擬器的I/O 設備。
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 的輸出口直接驅動數(shù)碼管的各段，因此選用了MAX7219 作為數(shù)碼管的驅動芯片。通常，使用單片機等微控制器通過7219 的DIN、CS 和CLK 三根信號線控制它進行數(shù)碼管的顯示。該項目中由5056 的三個輸出口模擬微控制器的三個口線對7219 進行控制。
3 程序設計
5510 沒有顯示界面，首先在PC 機上編寫應用程序，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[!--empirenews.page--]
3.1 初始化子程序
?。?）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)恢復正常。
?。?）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行設置。其中5024 設置為4~20mA 電流輸出，5017 設置為0~10V 輸入。
?。?）啟動網(wǎng)絡心跳包檢測定時器。網(wǎng)絡心跳包用于確認網(wǎng)絡連接是否正常。
3.2 網(wǎng)絡連接子程序
控制器首先建立 socket，然后與服務器連接。網(wǎng)絡連接子程序的主要部分為：
void ConnectServer()
{ //首先進行相關變量定義
if((SO_5510=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP))==
INVALID_SOCKET) //建立socket 并設置為TCP 方式
{//未能建立socket 的處理}
pulArgp = 1;
if(ioctlsocket(SO_5510, FIONBIO, &pulArgp)) //將socket 設置為非阻塞模式
{//未能設置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處理}
else
{//建立連接失敗的相應處理}
}
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)中設計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[!--empirenews.page--]
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)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，PAC 控制器只向服務器發(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，服務器通信程序SimuTrans 只向PAC 控制器發(fā)送模型計算后發(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)送到服務器即可。對于操作按鈕、多位開關等部件產(chǎn)生的開關量數(shù)據(jù)，為了避免數(shù)據(jù)丟失采用了重復發(fā)送，并且服務器收到數(shù)據(jù)后要做應答，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
4 結論
該模擬器2007 年9 月通過了驗收、鑒定。在動力系統(tǒng)管理人員及在校學員的學習與訓練過程中發(fā)揮了重要作用，獲得了良好的軍事和經(jīng)濟效益。該半實物仿真訓練模擬器的成功研制實踐說明，將新型PAC 控制器應用于模擬器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工控機或PLC 不僅能縮短開發(fā)周期、使系統(tǒng)運行穩(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)模的模擬器進行訓練，是模擬器研制的一種新思路。
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