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[摘 要]本论文研究的主要内容是某型直升机训练模拟器测控系统的设计与实现，在测控系统的设计与实现中本人的主要工作是提出并设计系统方案、设计相应的硬件、软件以满足测控功能，以及进行系统仿真、调试等工作，并进行模拟器相关技术的研究，使设计的测控系统满足直升机训练模拟器的使用要求，具有较高的技术水平并能够应用于其他型号的训练模拟器。
[关键词]直升机；训练模拟器；控制系统；系统设计
中图分类号：G633.96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0245-01
模拟器按用途一般可分为工程模拟器、研究模拟器和训练模拟器。本课题研制的模拟器属于训练模拟器，主要是提供一个为飞行员及空中机械师进行日常训练和特情训练的平台。设计的测控系统应用于某型直升机训练模拟器，因此在进行测控系统设计前要清楚总体方案中对测控系统的功能要求。
1直升机训练模拟器功能及其构成
1.1系统功能
直升机训练模拟器（以下简称为模拟器）采用分布式体系结构进行设计。分布式体系结构设计灵活、可扩充性好、能够有效减少网络冗余数据。模拟器主要功能是为该型直升机飞行员和空中机械师的特情处置训练提供平台。它主要提供直升机基本操纵训练、故障判断训练和特情处置训练。模拟器可使训练人员熟悉座舱设备，熟悉直升机基本性能及基本操纵，掌握该型直升机故障排除方法和特情处置方法。故障排除和特情处置训练是本模拟器模拟训练的重点。
1.2模拟器系统构成
1.2.1座舱仿真系统
座舱仿真系统包括座舱舱体、座舱内油门杆、驾驶杆、总矩杆等操纵部件以及各种机载设备，主要为训练人员提供逼真的直升机驾驶舱内部环境。模拟器座舱舱体为全金属结构，座舱舱体、油门和驾驶杆等操纵部件以及机载设备均按实际 1：1 仿制，给训练人员提供逼真训练环境。仿真座舱内各种设备的外观、位置、功能等均与真实直升机一致。座舱内仪表、指示灯、综合显示器、操纵面板和手柄齐全，它们的控制、指示是通过主控系统进行逻辑仿真，其关系和状态与该型直升机相同。直升机正前方仪表和左右操纵台仪表采用虚拟仪表进行模拟，中央操纵台仪表用电机表进行模拟，模拟仪表的指示情况与真实仪表一致。
1.2.2视景仿真系统
视景仿真系统主要包括：视景数据库、成像子系统和显示子系统。视景仿真系统用来为训练人员提供逼真的座舱外模拟景象，产生和显示各种状态及其它所需要的视觉信息。
1.2.3教员控制台系统
教员控制台系统是模拟器的监控中心，在模拟座舱的外部，由工控计算机、显示器、音响开关、模拟座舱电源控制箱等部分组成。教员可以通过控制台对模拟器状态进行监控。控制台的主要功能有：设置相关的训练科目、设置训练的特情项目、控制系统运行与停止，并可以对训练过程进行记录、回放，还可以在紧急情况下关停模拟器以及检测模拟器各系统等。
1.2.4声音仿真系统
声音仿真系统为模拟训练提供逼真的音响效果。通过模拟直升机在地面及空中的各种声音，包括发动机声音、各种语音告警声以及外界环境声音等给训练人员提供一个更加逼真环境，使训练更加真实，更有利于对故障的判断和特情的处置。声音仿真系统由声音仿真计算机以及音箱、耳麦等部分组成。
1.2.5网络系统
模拟器的网络数据传输由一个小型局域网来完成，各计算机之间采用标准1000M以太网进行连接和数据传输。为提高网络系统的可靠性，拓扑结构采用星型连接。上下位机之间及主控和测控计算机之间采用 UDP 协议实现通信。
1.2.6主控系统
主控系统包括主控计算机和主控软件，主控软件是根据直升机各种设备的逻辑关系编写的控制程序，主控计算机是一般工控机。主控系统通过局域网与其他系统连接，进而达到控制模拟器的目的。
1.2.7测控系统
测控系统包括测控计算机、各个控制板及其相关软件。测控主要用于地面常规试验或机上地面试验中的数据采集、信号监测和数据分析等，是地面模拟器中不可或缺的部分。测控系统主要功能是对模拟器进行数据的采集和处理，通过局域网与主控系统通信，进而达到控制模拟器的目的。测控系统是本文研究的对象，在后面章节对其设计过程进行详细介绍。
1.2.8辅助系统
辅助系统包括电源系统、空调系统和接地系统，主要是保障模拟器能够正常、稳定运行，以及为训练人员提供适宜的训练环境。
2测试系统设计及功能测试
测控板主要实现模拟器仿真座舱内部设备的数据采集、处理功能，是模拟器的核心部分。测控板以具有高性能的单片机为核心平台，控制测控板的检测、驱动等工作，设计测控板对外的通信接口并提供测控板调试时的硬件接口，能够完成对仿真座舱开关量、模拟量的状态检测、对指示灯、数码管、仪表等的驱动，并具有与测控计算机进行信息交互功能。
2.1 嵌入式测控板的总体设计
测控板作为测控系统的主要部分，具有如下的主要功能：（1）配置高性能的嵌入式处理器及其外围电路，协调控制系统各个部分的工作，能够完成检测、驱动等功能；（2具有各种电压转换电路，为单片机和外设提供电源电压；（3）具有与外部设备的接口电路，可方便地完成对仿真座舱内设备的检测和控制；（4）通过通信电路与上位机进行通信，实现数据的输入输出；提供对测控板进行调试的接口，能够实现对测控板的各种调试。根据测控板的功能要求可以分为 6 个模块。由于测控板需要完成测控系统的检测、驱动、通信等功能，因此 CPU 需要具有强大的处理各种数据能力。另外，出于实际应用的考虑，我们希望在不重新设计测控板的情况下，针对其他应用项目，能够方便快速地搭建所需的应用系统。因此，CPU 的选择应该考虑到普遍适用性和功能的可扩展性。我们决定选用 ARM 体系结构的处理器作为测控板的中央处理器芯片（详见图1）。
2.2系统测试
使用?C/OS-II 的软件体系进行测试，主要包括了以下内容：应用程序软件及相关的代码、与处理器相关的代码和不相关的代码。应用程序软件是用户根据自己的需求来编写的程序，选取适合需求的内核服务功能，并实现对 ?C/OS-II 的裁剪；与处理器不相关的代码，即操作系统的内核，它提供了 ?C/OS-II 中所有的系统服务功能，它是一个操作系统的核心部分，这部分代码是完全公开的，内核为硬件和应用软件提供一套统一、简洁的接口，使程序设计更为简单（详见图2）。
结论
1）所有指示灯都能准确的进行燃亮、熄灭、闪烁驱动，满足模拟器对指示灯使用要求；2）所有数码管都能正确驱动，能够显示相应的数字或字母，满足模拟器对数码管的使用要求；3）所有電机表都能准确的控制转动方向、转动步数以及转动频率，满足模拟器对电机表的使用要求.
参考文献
[1]李合.直升机训练模拟器测控系统设计与实现[D]. 2017.
[2]谢国富.直升机飞行训练模拟器操纵负荷系统仿真[J].科技广场， 2017（11）：125-126.
[关键词]直升机；训练模拟器；控制系统；系统设计
中图分类号：G633.96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0245-01
模拟器按用途一般可分为工程模拟器、研究模拟器和训练模拟器。本课题研制的模拟器属于训练模拟器，主要是提供一个为飞行员及空中机械师进行日常训练和特情训练的平台。设计的测控系统应用于某型直升机训练模拟器，因此在进行测控系统设计前要清楚总体方案中对测控系统的功能要求。
1直升机训练模拟器功能及其构成
1.1系统功能
直升机训练模拟器（以下简称为模拟器）采用分布式体系结构进行设计。分布式体系结构设计灵活、可扩充性好、能够有效减少网络冗余数据。模拟器主要功能是为该型直升机飞行员和空中机械师的特情处置训练提供平台。它主要提供直升机基本操纵训练、故障判断训练和特情处置训练。模拟器可使训练人员熟悉座舱设备，熟悉直升机基本性能及基本操纵，掌握该型直升机故障排除方法和特情处置方法。故障排除和特情处置训练是本模拟器模拟训练的重点。
1.2模拟器系统构成
1.2.1座舱仿真系统
座舱仿真系统包括座舱舱体、座舱内油门杆、驾驶杆、总矩杆等操纵部件以及各种机载设备，主要为训练人员提供逼真的直升机驾驶舱内部环境。模拟器座舱舱体为全金属结构，座舱舱体、油门和驾驶杆等操纵部件以及机载设备均按实际 1：1 仿制，给训练人员提供逼真训练环境。仿真座舱内各种设备的外观、位置、功能等均与真实直升机一致。座舱内仪表、指示灯、综合显示器、操纵面板和手柄齐全，它们的控制、指示是通过主控系统进行逻辑仿真，其关系和状态与该型直升机相同。直升机正前方仪表和左右操纵台仪表采用虚拟仪表进行模拟，中央操纵台仪表用电机表进行模拟，模拟仪表的指示情况与真实仪表一致。
1.2.2视景仿真系统
视景仿真系统主要包括：视景数据库、成像子系统和显示子系统。视景仿真系统用来为训练人员提供逼真的座舱外模拟景象，产生和显示各种状态及其它所需要的视觉信息。
1.2.3教员控制台系统
教员控制台系统是模拟器的监控中心，在模拟座舱的外部，由工控计算机、显示器、音响开关、模拟座舱电源控制箱等部分组成。教员可以通过控制台对模拟器状态进行监控。控制台的主要功能有：设置相关的训练科目、设置训练的特情项目、控制系统运行与停止，并可以对训练过程进行记录、回放，还可以在紧急情况下关停模拟器以及检测模拟器各系统等。
1.2.4声音仿真系统
声音仿真系统为模拟训练提供逼真的音响效果。通过模拟直升机在地面及空中的各种声音，包括发动机声音、各种语音告警声以及外界环境声音等给训练人员提供一个更加逼真环境，使训练更加真实，更有利于对故障的判断和特情的处置。声音仿真系统由声音仿真计算机以及音箱、耳麦等部分组成。
1.2.5网络系统
模拟器的网络数据传输由一个小型局域网来完成，各计算机之间采用标准1000M以太网进行连接和数据传输。为提高网络系统的可靠性，拓扑结构采用星型连接。上下位机之间及主控和测控计算机之间采用 UDP 协议实现通信。
1.2.6主控系统
主控系统包括主控计算机和主控软件，主控软件是根据直升机各种设备的逻辑关系编写的控制程序，主控计算机是一般工控机。主控系统通过局域网与其他系统连接，进而达到控制模拟器的目的。
1.2.7测控系统
测控系统包括测控计算机、各个控制板及其相关软件。测控主要用于地面常规试验或机上地面试验中的数据采集、信号监测和数据分析等，是地面模拟器中不可或缺的部分。测控系统主要功能是对模拟器进行数据的采集和处理，通过局域网与主控系统通信，进而达到控制模拟器的目的。测控系统是本文研究的对象，在后面章节对其设计过程进行详细介绍。
1.2.8辅助系统
辅助系统包括电源系统、空调系统和接地系统，主要是保障模拟器能够正常、稳定运行，以及为训练人员提供适宜的训练环境。
2测试系统设计及功能测试
测控板主要实现模拟器仿真座舱内部设备的数据采集、处理功能，是模拟器的核心部分。测控板以具有高性能的单片机为核心平台，控制测控板的检测、驱动等工作，设计测控板对外的通信接口并提供测控板调试时的硬件接口，能够完成对仿真座舱开关量、模拟量的状态检测、对指示灯、数码管、仪表等的驱动，并具有与测控计算机进行信息交互功能。
2.1 嵌入式测控板的总体设计
测控板作为测控系统的主要部分，具有如下的主要功能：（1）配置高性能的嵌入式处理器及其外围电路，协调控制系统各个部分的工作，能够完成检测、驱动等功能；（2具有各种电压转换电路，为单片机和外设提供电源电压；（3）具有与外部设备的接口电路，可方便地完成对仿真座舱内设备的检测和控制；（4）通过通信电路与上位机进行通信，实现数据的输入输出；提供对测控板进行调试的接口，能够实现对测控板的各种调试。根据测控板的功能要求可以分为 6 个模块。由于测控板需要完成测控系统的检测、驱动、通信等功能，因此 CPU 需要具有强大的处理各种数据能力。另外，出于实际应用的考虑，我们希望在不重新设计测控板的情况下，针对其他应用项目，能够方便快速地搭建所需的应用系统。因此，CPU 的选择应该考虑到普遍适用性和功能的可扩展性。我们决定选用 ARM 体系结构的处理器作为测控板的中央处理器芯片（详见图1）。
2.2系统测试
使用?C/OS-II 的软件体系进行测试，主要包括了以下内容：应用程序软件及相关的代码、与处理器相关的代码和不相关的代码。应用程序软件是用户根据自己的需求来编写的程序，选取适合需求的内核服务功能，并实现对 ?C/OS-II 的裁剪；与处理器不相关的代码，即操作系统的内核，它提供了 ?C/OS-II 中所有的系统服务功能，它是一个操作系统的核心部分，这部分代码是完全公开的，内核为硬件和应用软件提供一套统一、简洁的接口，使程序设计更为简单（详见图2）。
结论
1）所有指示灯都能准确的进行燃亮、熄灭、闪烁驱动，满足模拟器对指示灯使用要求；2）所有数码管都能正确驱动，能够显示相应的数字或字母，满足模拟器对数码管的使用要求；3）所有電机表都能准确的控制转动方向、转动步数以及转动频率，满足模拟器对电机表的使用要求.
参考文献
[1]李合.直升机训练模拟器测控系统设计与实现[D]. 2017.
[2]谢国富.直升机飞行训练模拟器操纵负荷系统仿真[J].科技广场， 2017（11）：125-126.