CN106705751B - 一种便携式火控/火力系统的模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式火控/火力系统的模拟系统及方法，上位机模拟火控或火力系统，完成所模拟的系统需要的俯仰角、方位角以及角速度、开火和报警状态字等数据，并通过接口转化模块将数据传送到连接的火力或火控系统，接口转化模块包括USB‑串口转换接口、单片机和RS485转换单元，单片机能完成不同串口之间的数据交换，火控模拟时的40ms通信定时，它与笔记本电脑通过USB口连接、与被测设备通过RS485串口连接；USB‑串口转换接口实现USB口和TTL电平串口的转换，从而保证了笔记本电脑和单片机的正确连接；RS485转换单元完成TTL电平和RS‑485电平的转换，以方便和火控或者火力系统的连接。

Description

一种便携式火控/火力系统的模拟系统及方法

技术领域

本发明属于系统模拟与检测用方法，具体涉及一种便携式火控/火力系统的模拟系统及方法。

背景技术

某大系统主要由火控系统、火力系统以及数据传输系统三大部分组成。因为火控系统、火力系统和数据传输系统研制生产分属不同地域的不同厂家，目前的调试交验方法是各系统在其所属地进行，统一到用户单位后才进行最后的对接联调。这样各系统因为检测手段限制而造成的功能检测不完备、系统之间的性能匹配等问题就需要强大的人力物力去现场解决。而火控系统、数据传输系统、火力系统是一种串联连接方式，任何一部分出现问题都会造成大系统工作异常，且出现故障时很难进行分析隔离及定位。

因三个系统之间的物理接口关系，通信时序是特定的，所以目前各系统调试交验采用的都是我们20年前研制生产的一款专用模拟器。该模拟器采用STD总线，386CPU处理器、定时、控制、电源等搭建而成，硬件复杂，体积庞大(大约543mm×305mm×480mm)；功能方面，固定点只有6个方位角、6个俯仰角，不能做其它设置和选择{全方位角是[0,360°)，俯仰角是[0,90°)}；状态和数据显示为十六进制代码，不直观；航路数据采取的是从缓冲区中读取而非实时计算所得，数据在过航点有明显的误差。这种检测方法不但落后，而且对系统检测的全面性和准确性都有很大局限。这不但为我们产品的调试交验质量埋下隐患，也为我们用户的售后服务带来不便。

发明内容

要解决的技术问题

针对以上存在的三大系统分属异地联试不便，出现故障时难以分析隔离，原有方法检测有漏洞，硬件系统复杂庞大使用不便等不足，本发明提出一种便携式可完成火控/火力系统模拟系统及方法，该方法将强大的模拟功能软件植入便携性式笔记本电脑，加上小巧的接口转换模块，用来模拟火控系统完成对火力系统的检测，模拟火力系统完成对火控系统的检测以及数据传输系统的自检测。

技术方案

一种便携式火控/火力系统的模拟系统，其特征在于包括上位机和接口转换模块；所述的接口转换模块包括USB-串口转换接口、单片机和RS485转换单元，当模拟火控系统时，上位机通过USB接口与接口转换模块连接，接口转换模块通过RS485串口与火力系统连接，USB-串口转换接口实现USB口和TTL电平串口的转换，RS485转换单元实现TTL电平和RS-485电平的转换，单片机利用本身的定时器实现严格的40ms定时，在RS485串口通信时，完成和火力系统的时序对接，单片机收取上位机数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收来自于火力系统的初速值以及火炮随动状态字并将其转发给上位机；当模拟火力系统时，上位机通过USB接口与接口转换模块连接，接口转换模块通过RS485串口与火控系统连接，USB-串口转换接口实现USB口和TTL电平串口的转换，485转换单元实现TTL电平和RS-485电平的转换，单片机收取来自火控系统的方位角、俯仰角诸元信息并转发给上位机并进行显示，同时收取来自上位机的初速值以及火炮随动状态字，转发给火控系统。

所述的单片机选用型号为STC15F2K32S2。

所述的USB-串口转换接口选用型号为CH340G。

所述的RS485转换单元选用2片MAX485。

所述的上位机为便携式电脑。

一种便携式火控/火力系统的模拟方法，其特征在于：

当模拟火控系统时，具体步骤如下：

步骤a1：上位机进入“火控模拟器”选择模式，通过USB口发送命令字给单片机，单片机根据命令字使用火控模式；

步骤a2：当进入固定点时，读取界面输入的方位角和俯仰角固定点以及角速度数据，读取开火和报警状态字，将其生成代码显示在界面，同时发送给接口转换模块，单片机使用本机的定时器进行40ms定时，它收取上位机方位角、俯仰角以及开火和报警状态字数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收火力系统返回的火炮初速值及火炮随动状态字，并将其转发给上位机；上位机读取来自于“接口转换模块”的返回的火炮初速以及火炮随动信号，并在界面进行显示；

当进入匀速测试时，读取界面输入的方位角和俯仰角初值以及角速度数据计算获得方位角和俯仰角，读取开火和报警状态字，将其生成代码显示在界面，同时发送给接口转换模块，单片机使用本机的定时器进行40ms定时，它收取上位机方位角、俯仰角以及开火和报警状态字数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收火力系统返回的火炮初速值及火炮随动状态字，并将其转发给上位机；上位机读取来自于“接口转换模块”的返回的火炮初速以及火炮随动信号，并在界面进行显示；所述的方位角和俯仰角的计算公式：

其中，W_n-1、Y_n-1为上一帧方位角和俯仰角，V_W和V_Y为方位角速度和俯仰角速度；

当进入航路模式1即方位角振荡，航路模式2即俯仰角振荡，航路模式3即直线航路，航路模式4即方位角/俯仰角振荡时，读取参数设置区获取不同航路的不同参数；根据相应航路的数学模型计算获得方位角或者俯仰角的角度和角速度数据，读取开火和报警状态字，将其生成代码显示在界面，同时发送给接口转换模块，单片机使用本机的定时器进行40ms定时，它收取上位机方位角、俯仰角以及开火和报警状态字数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收火力系统返回的火炮初速值及火炮随动状态字，并将其转发给上位机；上位机读取来自于“接口转换模块”的返回的火炮初速以及火炮随动信号，并在界面进行显示；所述的方位振荡、俯仰振荡以及方位/俯仰振荡模式下，其方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度计算公式：

所述的直线航路模式下，其方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度计算公式：

其中：W_fly为飞机飞行方向；

W_n-1为上一帧方位角；

W_n为当前方位角；

Y_n-1为上一帧俯仰角；

Y_n为当前俯仰角；

V_W为方位角速度；

1.V_Y为方位角速度；

当模拟火力系统时，具体步骤如下：

步骤b1：上位机进入“火力模拟器”选择模式，通过USB口发送命令字给单片机，单片机根据命令字使用火力模式；

步骤b2：上位机接收来自接口转换模块的火控数据；

步骤b3：根据串口数据格式定义解析出火控系统的方位角、俯仰角的角度及角速度、开火和报警状态字；

步骤b4：对解析出的方位角、俯仰角的角度值以数据量、运动点迹、码盘图形显示，对开火和报警状态字数据量及指示灯的状态显示；

步骤b5：上位机读取界面上设置的初速值和火炮随动状态，发送给接口转换模块，接口转换模块将其返回给火控系统。

有益效果

本发明提出的一种便携式火控/火力系统模拟系统及方法，可以应用在只有火控系统或者只有火力系统或者只有数据传输系统的任何场所，也就是各个系统在“自己家”就可进行所有功能、性能的测试和物理接口模拟连接，而不需要到用户现场进行；该模拟方法也可通过在用户现场分别连接不同被测设备而完成大系统的故障诊断和隔离。它与任何一个系统相连，只需2根被覆线(线长≤500m)。操作人员只需按照菜单输入或者选择即可完成操作和测试，大大提高了生产效率和质量。

该方法还有广泛的可扩展性。只需改变“接口转换模块”对被测设备的接口关系(例如采用RS232、RS422接口等)以及单片机接口控制软件，就可达到和其它系统设备对接的目的。

附图说明

图1系统组成框图

图2火控系统模拟方式时的系统连接

图3火力系统模拟方式时的系统连接

图4接口转换模块原理框图

图5模拟方式工作流程图

图6单片机的工作流程图

图7上位机“火控模拟”“火力模拟”选择界面

图8火控模拟功能模块图

图9火控模拟功能界面

图10火力模拟功能模块图

图11火力模拟功能界面

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

根据需要解决的问题，实现本方法需要硬件和软件两部分来共同完成。其中硬件包括一个通用笔记本电脑和一个接口转换模块，完成和待测设备的物理连接；软件包括笔记本电脑的工作程序和接口转换模块里的单片机程序，完成所有火控系统和火力系统的功能模拟。

硬件部分

该模拟方法的实现只需一台便携的笔记本电脑和一个类似于U盘大小的接口转换模块即可完成。具体组成框图如图1所示。

其中，笔记本电脑为可以装WinXP及以上操作系统的通用笔记本电脑。

接口转换模块由单片机、USB-串口转换接口和RS485转换单元组成。

单片机完成不同串口之间的数据交换，火控模拟时的40ms通信定时，它与笔记本电脑通过USB口连接、与被测设备通过RS485串口连接；USB-串口转换接口实现USB口和TTL电平串口的转换，从而保证了笔记本电脑和单片机的正确连接；RS485转换单元完成TTL电平和RS-485电平的转换，以方便和火控或者火力系统的连接。

软件部分

该模拟方法的实现在简单硬件的基础上，依靠强大的软件支持。软件设计不但涵盖所有火控和火力功能的模拟，而且采用中文菜单，界面友好，操作方便。

软件设计由笔记本电脑的模拟工作软件和单片机工作软件组成，共同完成火控模拟和火力模拟功能，分别叙述如下。

1)火控模拟方式

可实现多种工作模式控制，为火力系统提供方位和俯仰角的诸元数据；可模拟发出“开火”和“报警”控制命令；可接收来自火力系统的报告字，识别火炮状态；可接收来自火炮的初速信息，并显示其初速。所有模式状态均可显示给操作人员。

火控模拟的工作模式包括“固定角”、“匀速运动”、“方位振荡”、“俯仰振荡”、“直线航路”、“方位/振荡”等。

①“固定角”模式下，包括“方位固定角”和“俯仰固定角”，可通过键盘进行选择。当需要时，可从键盘输入任意想测试的角度值进行模拟。方位角涵盖[0°，360°)任意值，俯仰角涵盖[0°，90°)任意值；

②“匀速运动”模式下，包括“方位角速度”和“俯仰角速度”输入。其中匀速运动的“方位正传”、“方位反转”以及“俯仰正传”和“俯仰反转”是靠速率的“正”或“负”来决定。具体可通过键盘输入火炮可承受的任意转动速度。匀速运动数据的数学解算公式如下：

③“方位振荡”、“俯仰振荡”以及“方位/俯仰振荡”模式下，软件根据以下公式实时计算并输出模拟航路方位和俯仰角度值给火力系统。其中，n为40ms的时间计数值。

④“直线航路”可通过键盘选择设置运动方向、飞行高度、直线速度、垂直距离等参数。其中进入方向有八种模拟设置选择，包括“东”、“西”、“南”、“北”、“西北”、“东南”、“西南”、“东北”，“垂直距离”和“飞行高度”均可在操作界面参数设置区进行设置。模拟软件根据以下公式实时计算并输出直线模拟航路方位和俯仰角度值给火力系统。

以上所述公式中，n为40ms的时间计数值；

W_fly为飞机飞行方向；

W_n-1为上一帧方位角；

W_n为当前方位角；

Y_n-1为上一帧俯仰角；

Y_n为当前俯仰角；

V_W为方位角速度；

V_Y为为方位角速度。

2)火力模拟方式

可通过接口转换模块实现接收来自火控系统的方位角、俯仰角、开火和报警诸元信息，可实现模拟回发火炮初速值和火炮随动状态字，并实时以数据、图形、状态等形式显示在显示器上，以供操作人员分析。下列是几种显示方式。

数据：在软件界面上显示接收到的十六进制代码，并将代码解析为角度密位值显示，十六进制代码[0x00000,0x40000)代表[0,6000)mil；

图形：在软件界面上通过码盘、点迹曲线等方式显示，以便直观的看到火控的运动轨迹点；

状态：接收来自火控的“开火”、“报警”等控制字，用指示灯的点亮或者不点亮显示其状态。

在火控或者火力系统模拟中，单片机的主要工作就是协调两路速度不同的串口，并适应被测对象的时序要求。单片机软件的“火力”和“火控”两种工作模式，由笔记本电脑(上位机)发指令进行控制。工作于“火控模式”时，单片机利用本身的定时器实现严格的40ms定时，在RS485串口通信进行时控制通信节拍，完成和火力系统的对接；工作于“火力模式”时，40ms定时由火控系统完成，但单片机在回发参数与收到参数之间的相对时间差需要简单定时控制。

实现该模拟方法的硬件系统组成框图如图1所示。

笔记本电脑为可装WinXP以上操作系统的通用笔记本电脑。接口转换模块类似于一个U盘大小，它上面有2个对外接口，一个是标准的USB接口，一个是RS485标准串口。笔记本电脑和接口转换模块之间通过普通的两端压接USB口的线缆相连接，转换模块和待测设备之间通过2根被覆线(线长≤500m)连接。

具体测试时连接方式如下所示。

a)当模拟火控系统时，它和火力系统通过2根通信线相连，如图2所示。

b)当模拟火力系统时，它和火控系统通过2根通信线相连，如图3所示。。

该模拟方法涉及的硬件包括笔记本电脑和接口转换模块。笔记本电脑为通用型，接口转换模块设计原理框图及各功能模块的说明如图4所示。

接口转换模块由USB转换电路(CH340G)、单片机(STC15F2K32S2)和MAX485组成。

单片机选用的是国产增强型STC15F2K32S2。它含内置时钟，具有高速、高可靠、超低功耗、超级抗干扰等优点，指令代码完全兼容传统8051。它内部集成高可靠上电复位电路，具有2K RAM、32K Flash以及29K EEPROM，利用该单片机内部的EEPROM可以存储系统密码、配对地址、设置参数等，这样简化了单片机应用系统的外围电路，无需再外扩存储器。USB-串口转换接口采用CH340G，它是一个硬件全双工的全速USB设备接口，内置收发缓冲区，支持波特率50bps到2Mbps，支持5V和3.3V电源电压。RS485转换单元选用MAX485，它完成TTL电平和RS-485电平的转换。

USB接口和电脑相连后，会在电脑的设备列表中虚拟一个串口，上位机软件向该虚拟串口写数据，单片机收到数据后将数据进行缓存，随后按照单片机的40ms定时，以规定的时序通过RS485串口发往被测对象。被测对象收到数据后，通过RS485串口回发数据。单片机将来自被测对象的数据缓存，按规定的时序通过USB串口转换电路给虚拟串口触发中断，上位机软件响应虚拟串口中断读取数据。

该系统软件包括两部分，笔记本电脑软件和单片机软件。

笔记本电脑软件流程图如图5所示，单片机软件流程如图6所示.

上位机初始化并设置完USB虚拟串口参数后，根据读取显示界面的选择按键进行软件模式选择。

如果进入“火控模拟器”选择模式，通过USB口发送命令给接口转换模块使用火控模式。火控模式下的模拟功能模块见图8。

火控模拟功能选择界面见下图9。

a)进入固定点或匀速测试时，系统软件通过读取界面输入的方位角和俯仰角固定点以及速度数据，读取“开火”和“报警”状态字，将其生成代码显示在界面，同时发送给接口转换模块。接口转换模块里的单片机收取到上位机的“火控模拟器”工作模式，开始用本机的定时器进行40ms定时；单片机收取上位机方位角、俯仰角以及开火和报警状态字数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收火力系统返回的火炮初速值及火炮随动状态字，并将其转发给上位机。上位机读取来自于“接口转换模块”的返回的火炮“初速”以及火炮“随动”信号，并在界面进行显示；

b)进入航路模式1(方位角振荡)，航路模式2(俯仰角振荡)，航路模式3(直线航路)，航路模式4(方位角/俯仰角振荡)时，软件读取“参数设置区”获取不同航路的不同参数。如上图直线航路的参数为飞行高度300米，投影距离300米，航路法向1500mil，航程是返航。随后根据相应航路的数学模型计算获取方位角或者俯仰角的角度数据和角速度数据。数据传送方式同a)，单片机的软件工作方式也同a)。

如果进入“火力模拟器”选择模式，随后通知接口转换模块使用火力模式。火力模式下的模拟功能模块见图10。

火力模拟功能选择界面见下图11。

在火力模拟下，接口转换模块里的单片机收取火控系统的方位角、俯仰角、开火、报警信息并按约定时间转发给上位机，同时收取来自上位机模拟的火炮初速值以及火炮随动信号并转发给火控系统。

上位机接收来自接口转换模块的火控系统数据，根据串口数据格式定义解析出火控的方位角、俯仰角的角度值及角速度，开火、报警状态字，除了在界面上实时显示所解析出来的数据量外，还以运动曲线点迹，码盘显示，指示灯点亮状态进行显示。如图11所示，其解析出的开火状态为“开火”，报警状态为“未报警”，所以界面显示的开火指示灯为点亮，报警指示灯为未点亮。同时，上位机还模拟火炮初速值和火炮随动状态，以一定的时序返回给“接口转换模块”，接口转换模块将其发送给火控系统。

Claims (6)

1.一种便携式火控/火力系统的模拟系统，其特征在于包括上位机和接口转换模块；所述的接口转换模块包括USB-串口转换接口、单片机和RS485转换单元；当模拟火控系统时，上位机通过USB接口与接口转换模块连接，接口转换模块通过RS485串口与火力系统连接，USB-串口转换接口实现USB口和TTL电平串口的转换，RS485转换单元实现TTL电平和RS-485电平的转换，单片机利用本身的定时器实现严格的40ms定时，在RS485串口通信时，完成和火力系统的时序对接，单片机收取上位机数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收来自于火力系统的初速值以及火炮随动状态字并将其转发给上位机；当模拟火力系统时，上位机通过USB接口与接口转换模块连接，接口转换模块通过RS485串口与火控系统连接，USB-串口转换接口实现USB口和TTL电平串口的转换，RS485转换单元实现TTL电平和RS-485电平的转换，单片机收取来自火控系统的方位角、俯仰角诸元信息并转发给上位机并进行显示，同时收取来自上位机的初速值以及火炮随动状态字，转发给火控系统。

2.根据权利要求1所述的一种便携式火控/火力系统的模拟系统，其特征在于所述的单片机选用型号为STC15F2K32S2。

3.根据权利要求1所述的一种便携式火控/火力系统的模拟系统，其特征在于所述的USB-串口转换接口选用型号为CH340G。

4.根据权利要求1所述的一种便携式火控/火力系统的模拟系统，其特征在于所述的RS485转换单元选用2片MAX485。

5.根据权利要求1所述的一种便携式火控/火力系统的模拟系统，其特征在于所述的上位机为便携式电脑。

6.一种采用权利要求1所述的系统进行便携式火控/火力系统的模拟方法，其特征在于：

当模拟火控系统时，具体步骤如下：

步骤a1：上位机进入“火控模拟器”选择模式，通过USB口发送命令字给单片机，单片机根据命令字使用火控模式；

步骤a2：当进入固定点时，读取界面输入的方位角和俯仰角固定点以及角速度数据，读取开火和报警状态字，将其生成代码显示在界面，同时发送给接口转换模块，单片机使用本机的定时器进行40ms定时，它收取上位机方位角、俯仰角以及开火和报警状态字数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收火力系统返回的火炮初速值及火炮随动状态字，并将其转发给上位机；上位机读取来自于“接口转换模块”的返回的火炮初速以及火炮随动信号，并在界面进行显示；

当进入匀速测试时，读取界面输入的方位角和俯仰角初值以及角速度数据计算获得方位角和俯仰角，读取开火和报警状态字，将其生成代码显示在界面，同时发送给接口转换模块，单片机使用本机的定时器进行40ms定时，它收取上位机方位角、俯仰角以及开火和报警状态字数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收火力系统返回的火炮初速值及火炮随动状态字，并将其转发给上位机；上位机读取来自于“接口转换模块”的返回的火炮初速以及火炮随动信号，并在界面进行显示；所述的方位角和俯仰角的计算公式：

其中，W_n-1、Y_n-1为上一帧方位角和俯仰角，V_W和V_Y为方位角速度和俯仰角速度；

当进入航路模式1即方位角振荡，航路模式2即俯仰角振荡，航路模式3即直线航路，航路模式4即方位角/俯仰角振荡时，读取参数设置区获取不同航路的不同参数；根据相应航路的数学模型计算获得方位角或者俯仰角的角度和角速度数据，读取开火和报警状态字，将其生成代码显示在界面，同时发送给接口转换模块，单片机使用本机的定时器进行40ms定时，它收取上位机方位角、俯仰角以及开火和报警状态字数据，按照一定的时序要求发送给火力系统，同时接收火力系统返回的火炮初速值及火炮随动状态字，并将其转发给上位机；上位机读取来自于“接口转换模块”的返回的火炮初速以及火炮随动信号，并在界面进行显示；所述的方位角振荡、俯仰角振荡以及方位角/俯仰角振荡模式下，其方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度计算公式：

所述的直线航路模式下，其方位角、俯仰角、方位角速度、俯仰角速度计算公式：

其中：W_fly为飞机飞行方向；

W_n-1为上一帧方位角；

W_n为当前方位角；

Y_n-1为上一帧俯仰角；

Y_n为当前俯仰角；

V_W为方位角速度；

VY为方位角速度；

当模拟火力系统时，具体步骤如下：

步骤b1：上位机进入“火力模拟器”选择模式，通过USB口发送命令字给单片机，单片机根据命令字使用火力模式；

步骤b2：上位机接收来自接口转换模块的火控数据；

步骤b3：根据串口数据格式定义解析出火控系统的方位角、俯仰角的角度及角速度、开火和报警状态字；

步骤b4：对解析出的方位角、俯仰角的角度值以数据量、运动点迹、码盘图形显示，对开火和报警状态字数据量及指示灯的状态显示；

步骤b5：上位机读取界面上设置的初速值和火炮随动状态，发送给接口转换模块，接口转换模块将其返回给火控系统。