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1、硕士论文 武装直升机仿真座舱系统设计与实现 目录 摘要I A b s t r a c t I I l 绪论。1 1 1 背景与意义1 1 2 技术现状与发展趋势1 1 3 作者主要工作3 1 4 论文内容安排。3 2 仿真座舱系统总体设计5 2 1 系统功能与性能要求5 2 1 1 系统功能要求：5 2 1 2 系统性能要求5 2 2 系统总体方案6 2 2 1 系统总体框架6 2 2 2 仿真座舱实物操纵装置8 2 2 3 仿真座舱虚拟仪表9 2 2 4 开发环境1 1 2 3 小结1 2 3 仿真座舱数据采集处理硬件设计与实现1 3 3 1 飞行操纵装置数据采集硬件设计13 3 1 1 模
2、拟量采集卡选型13 3 1 2 开关量采集卡选型1 4 3 2 观瞄手柄数据采集硬件设计1 4 3 2 1 微处理器电路设计。15 3 2 2 电源电路设计1 6 3 2 3 信号采集电路设计16 3 2 4 串口通讯电路设计1 7 3 3 小结1 8 4 仿真座舱数据采集处理软件设计与实现1 9 4 1 观瞄手柄数据采集单片机软件设计1 9 4 1 1 主程序设计19 4 1 2 采样处理子程序设计2 0 I 目录硕士论文 4 1 3 串口接收中断程序设计。2 l 4 2 主控计算机软件设计2 2 4 2 1 数据采集动态链接库设计。2 2 4 2 2 飞控模型程序分析与描述2 6 4 3d
3、 、l ；2 8 5 仿真座舱虚拟仪表动态链接库设计与实现2 9 5 1G LS t u d i o 仪表仿真技术2 9 5 2 机电式仪表设计与实现3 1 5 3 电子显示仪表设计与实现3 3 5 3 1 显示画面设计3 4 5 3 2 操作响应处理。3 7 5 3 3 驱动接口定义3 8 5 4 操作面板设计与实现3 9 5 5 小结3 9 6 仿真座舱虚拟仪表主仿真程序设计与实现4 0 6 1 虚拟仪表主仿真程序总体设计4 0 6 2 虚拟仪表主面板程序设计与实现4 1 6 2 1 虚拟仪表加载4 1 6 2 2 网络模块开发。4 2 6 3 多功能显示器叠加视频图像设计与实现4 5 6
4、 3 1v e g aP r i m e 工具简介4 5 6 3 2 视频图像显示配置4 7 6 3 3 视频图像驱动控制5 0 6 4 模拟攻击模块设计与实现5 2 6 5 小结5 4 7 系统调试与问题讨论5 5 7 1 系统调试。5 5 7 2 问题讨论6 0 8 总结与展望6 2 8 1 总结6 2 8 2 展望6 2 致谢6 4 参考文献6 5 I V 硕士论文武装直升机仿真座舱系统设计与实现 1 绪论 1 1 背景与意义 武装直升机可以进行空中打击、机降突击、空中信息攻防作战，可以高效率地破坏 敌指挥控制系统，削弱敌行动、支援和补给的能力。作为战场上的“多面手“ ，武装直 升机具有
5、广泛的战场适应性、战术灵活性，其大范围与高效的战术信息获取能力使之成 为陆军空中的“眼睛“ 。 随着航空电子技术的飞速发展，机载电子设备的功能越来越强大，座舱航空仪表和 控制开关越来越多，先进的座舱系统使得飞行员面对的信息量越来越大，严重影响了飞 行员的感知应对能力；在作战飞行时，飞行员除了需要不断接收各种仪表信息、空中或 地面的通报和指挥信息外，还要对各种危险警告以及异常信号迅速做出反应【l 】【2 0 】。在这 样的背景下，亟需对飞行员开展大量的仿真训练工作。 在飞行员训练中，使用飞行模拟器可以达到或者接近使用真实飞行器进行训练的效 果1 2 。但是，目前大部分飞行模拟器都从国外进口，成本
6、非常高，全任务飞行模拟器的 价格都在1 3 0 0 万美元以上，而且与模拟器配套的配件开支也非常大。 计算机辅助训练( C o m p u t e r - b a s e dT r a i n i n g ，简称C B T ) 是在世界航空业广泛应用的一 种训练方式，采用计算机仿真、图像显示、计算机控制等技术，实现融图形、图像、图 表、曲线、文字、声音为一体的多媒体仿真训练平台；并通过交互操作，使学员有身临 其境之感【l 】。具有节约经费、节省人力资源、灵活、安全可靠等特点。 武装直升机C B T 系统是现代化的仿真训练系统。采用虚拟仪表及半实物仿真，模 拟真实飞行和作战时产生的人的视觉、触觉
7、、听觉等感知。对飞行员进行飞行和攻击训 练，使飞行员在正式执行任务前已经熟练掌握基本技能。该系统是典型的人在回路仿真， 效果可以与飞行模拟器相媲美，而且通用性和可扩展性强、价格低廉。 武装直升机仿真座舱系统作为武装直升机C B T 系统的核心组成部分，为部队飞行 员掌握座舱设备操作技能、飞行技术以及进行恢复训练提供了逼真的设备操作与信息显 示环境；对于罕见的飞行特情，可以对特情预案进行论证、评估、优化设计，并进行应 急处理演练；还可用于新机型研制过程中的验证、考核和评估实验。 1 2 技术现状与发展趋势 在军事与航空航天工业领域，仿真训练一直是其中的重要课题。英国航空公司的 B m u g h
8、 分部，利用虚拟现实技术设计出高级战斗机座舱测试平台，研究用虚拟现实替代 传统模拟器的潜力。美国国防部高级研究计划局自8 0 年代起一直致力于虚拟战场系统 l 绪论 硕士论文 的研究，该系统可连接2 0 0 多台坦克仿真器，能够组织较大规模的虚拟战场演习。利用 美国M A K T e c h n o l o g i e s 公司开发的V R - L i n k 网络工具包，可以通过D I S 或H L A 协议连 接上千个仿真训练器，模拟多武器系统间的协同或对抗。 我国早期的航空训练器都是国外进口，随着我国科技水平的不断增强，在借鉴国外 先进技术和经验的基础上，也在不断提高自己的研发能力。通过
9、不断研究，我国建立了 一大批飞行仿真实验室。中航工所属的光电设备研究所开发了我国第四代战斗机的座舱 原型系统：北航、西工大、南航、哈工大等许多高校也在开展飞机座舱系统的仿真研究， 在仪表仿真、视景仿真、飞控建模等方面取得了重要成果【2 】【3 】【4 】【5 】。 航空仪表为飞行员提供了一个全程监控飞行器的平台，是飞行员操作与感知的重要 设备。随着计算机显示设备和图形化技术的迅速发展，具有交互功能的虚拟仪表逐渐成 为仪表仿真的主流。虚拟仪表可用在单项仪表训练器上，目前N A S A 用于航天的仪表训 练器和用于航空的C A E 仪表训练器均采用了这种方法；虚拟仪表用在飞行模拟器上， 同样具有很
10、好的应用价值。虚拟仪表和真实仪表特性对比如表1 1 所示【7 1 。 表I I 真实仪表、虚拟仪表特性对比 真实仪表虚拟仪表 功能由仪表厂家定义 功能由用户自定义 接口确定，与其他设备连接受限制面向应用，与其他设备通信方便 关键部分为硬件关键部分是软件 价格昂贵价格便宜，可再利用 功能固定基于P C 机，开放性好，功能灵活 技术更新慢技术更新快 开发维护费用高开发维护费用低 虚拟仪表的实现方法主要包括以下两种方式：直接编码方式。直接使用程序代码 实现各种仪表的仿真，不借助其它辅助二次工具；但是，在飞行器座舱中，仪表数量较 多，外形差别较大，程序的编写和修改非常复杂，不利于软件的测试和维护。所见
11、即 所得的控件生成方式。目前市场上有诸多仪表开发工具，如L a b V i e w 、G LS t u d i o 、V A P S 等，仪表仿真采用可配置、可编辑、可重用的方式，并由简单的贴图片方式，逐渐向三 维、交互式方向发展。 D i S T I 公司于1 9 9 8 年开始研发G LS t u d i o 仪表仿真工具，并于2 0 0 0 年5 月正式发布。 该软件主要用于军事仿真的V R 技术和网络技术等领域。G LS t u d i o 提供了一个三维的、 “所见即所得”的设计环境，其用户接口友好、建模方便，并能与H L A D I S 仿真应用 相连【1 6 1 。 航空C B
12、T 系统为了使飞行员在训练中有真实感和沉浸感，还需配合三维实时场景 的开发，主要涉及两方面的工作：建立虚拟环境模型；驱动虚拟场景。美国 M u l t i G e n - P a r a d i g m 公司提供的三维实体建模视景驱动工具C r e a t o r V e g aP r i m e 被公认为 2 硕士论文武装直升机仿真座舱系统设计与实现 当今最优秀的软件之一；其提出的O p e n F l i g h t 数据组织标准已成为实时动态交互视景工 业标准；软件底层基于S G I 公司的O p e n G L 图形接口标斛3 2 1 。 V C + + 是W i n d o w s
13、系统最流行的程序编译环境之一，开发的程序运行效率高，并且 可执行文件相对较小，恰好符合仿真训练系统实时性的要求；其强大的调试功能为大型 复杂软件的开发提供了非常有效的排错手段【l5 1 。V C + + 还提供了C l a s s W i z a r d 、A p p W i z a r d 等工具，使得对类的创建、维护更加简易。V C + + 充分利用了面向对象技术，面向对象 特性为仿真模型的修改、扩充提供了便利，大大提高了系统的模块化、可重用性和灵活 性【2 2 1 。 随着科学技术的发展，航空C B T 系统的发展趋势如下： 1 计算机成像技术、多自由度的运动控制技术、数字音响技术的发展
14、，可以非常 逼真地模拟操作现场的实际情况。 2 运用机理建模、系统辨识、模糊建模等仿真建模技术，可建立各种控制系统的 模型，其动态响应、精度等，能够很好地满足训练要求。 3 人工智能、神经网络、专家系统等智能技术的应用，使仿真建模、仿真计算及 训练评价方法有很大的提高。 1 3 作者主要工作 本文完成了武装直升机半实物仿真座舱系统开发，主要涉及数据采集处理和虚拟仪 表仿真两方面的内容。作者主要工作如下： 1 给出了系统总体设计方案； 2 完成了仿真座舱数据采集处理软、硬件设计，包括器件选型、数据采集电路设 计和软件程序设计； 3 完成了仿真座舱虚拟仪表动态链接库和虚拟仪表主仿真程序开发，实现了
15、虚拟 仪表显示、网络通讯、多功能显示器叠加视频图像、模拟攻击等功能； 4 对系统进行软、硬件调试，并对工程问题进行讨论研究。 1 4 论文内容安排 全文对武装直升机仿真座舱系统的开发进行了详细描述，分为8 个章节，安排如下： 第一章：全文绪论。介绍了课题的背景与意义，分析研究了技术现状与发展趋势， 对作者主要工作和论文内容安排作了概要说明。 第二章：系统总体设计。在分析系统功能与性能要求的基础上，给出了系统总体方 案。明确了系统总体框架、实物操纵装置、虚拟仪表布局和开发环境等。 第三章：数据采集处理硬件设计与实现。对飞行操纵装置数据采集卡进行选型；设 计了观瞄手柄数据采集板，介绍了微处理器电路
16、、电源电路、信号采集电路和串口通讯 3 l 绪论 硕士论文 电路的设计。 第四章：数据采集处理软件设计与实现。介绍了观瞄手柄数据采集单片机软件设计 和基于W m A P I 串口通信的上位机数据采集动态链接库设计；对飞控模型程序设计进行 了介绍。 第五章：虚拟仪表动态链接库设计与实现。利用G LS t u d i o 对座舱航空仪表进行仿 真开发。详细介绍了仪表指针、旋钮、指示灯、按键、开关、字符等的制作方法和仪表 的功能逻辑仿真。 第六章：虚拟仪表主仿真程序设计与实现。详细讨论了在主面板程序中加载虚拟仪 表和实现网络通讯；利用V e g aP r i m e 和G LS t u d i o
17、实现多功能显示器叠加视频图像；在 仪表板仿真程序中添加模拟攻击模块。 第七章：系统调试与问题讨论。 第八章：总结全文，并对后续研究工作提出建议。 4 硕士论文武装直升机仿真座舱系统设计与实现 2 仿真座舱系统总体设计 2 1 系统功能与性能要求 2 1 1 系统功能要求 武装直升机仿真座舱系统在直升机型号的概念设计、飞行训练、模拟对抗中具有较 好的应用价值，具有较高的安全性和经济性。系统应具备以下几个基本功能： 1 能感应驾驶杆、总距杆、脚蹬等的操作； 2 能通过飞行操纵装置操纵直升机飞行； 3 能逼真模拟直升机座舱内的航空仪表指示； 4 能响应观瞄手柄操作并实现模拟攻击； 5 能模拟飞行特情
18、，并响应特情处理操作。 2 1 2 系统性能要求 根据工程飞行仿真对座舱系统的要求，结合仿真座舱系统的功能要求，制定了系统 的性能要求： 1 逼真性。仪表板和中央操纵台上的航空仪表的形状、大小、位置应与真实座舱 相一致，仪表的操作与控制逻辑应与真实设备相同，能真实再现直升机的姿态、速度、 高度、航向等参数。 2 可靠性与实时性。反映了仿真座舱系统的整体性能水平，面对复杂的模型和大 量的数据，一方面要有协调的模型组合、友好的人机界面、灵活的仿真策略；另一方面 要有实时的仿真计算。 3 界面友好性。人机工程学的重要指标之一，可概括为易理解性、易交互性和易 操作性等要素。易理解性要求软件的提示文字、
19、语音、图标等简练、易于理解；易交互 性指系统对不同的输入可产生相应的反应，能顺利地实现人机对话；易操作性指用户为 操作所消耗的精力少。 4 模块化设计。划分的模块应具有独立性，模块间减少耦合。 5 系统效率特征。效率特征表征系统软件的性能水平与所占用资源量之间的关系 属性，可归结为可移植性、可扩展性和资源占用率3 个方面： 1 ) 可移植性指仿真座舱系统可以稳定运行于不同操作系统中； 2 ) 可扩展性指仿真座舱系统可以根据特定的训练要求进行修改、扩充； 3 ) 资源占用率表征仿真座舱系统对硬件的要求，系统的资源占用率越低，运行效 率越高。 5 2 仿真座舱系统总体设计 硕士论文 2 2 系统总
20、体方案 2 2 1 系统总体框架 武装直升机仿真座舱系统是武装直升机C B T 系统的重要组成部分，明确了武装直 升机C B T 系统的总体方案，也就确定了武装直升机仿真座舱系统的总体方案。 武装直升机C B T 系统为飞行员构建了一个虚拟的“真实“ 环境：座舱环境和外部 环境。座舱环境即航空仪表、操纵机构所构建的环境；外部环境主要指地理条件、自然 条件、敌我双方情况等所构建的环境。 综合考虑武装直升机C B T 系统的应用范围及功能，系统采用半实物仿真，由视景 分系统、虚拟仪表分系统、仿真实物操纵装置、主控机分系统、教员台分系统等组成， 各个分系统通过网络连接到一起。系统结构框图如图2 1
21、所示。 L I 一堡麴燮嶙曼j 图2 1 武装直升机C B T 系统结构框图 仿真实物操纵装置采用高级仿真设备，飞行员可通过实物操纵装置对直升机进行控 制，完成人工操纵飞行和模拟攻击。 主控机分系统主要完成直升机飞控模型解算。在给定的飞行状态下，通过操纵驾驶 杆、总距杆、脚蹬、油门手柄等为飞控模型提供控制输入信号，并解算得到操纵响应。 虚拟仪表分系统主要提供实时飞行仿真过程中的参数显示。通过气压高度表、陀螺 地平仪、空速表、多功能显示器等虚拟仪表，显示各种飞行参数和直升机工作状态信息。 视景分系统提供了仿真训练过 分系统还根据具体情景配置音响效 教员台分系统由教员进行操作 等，并可监控训练过程
22、。 6 硕士论文 武装直升机仿真座舱系统设计与实现 武装直升机C B T 系统是典型的人在回路仿真，飞行员参与控制回路，系统工作原 理如图2 2 所示。 信息感知 L - 图2 2 武装直升机C B T 系统工作原理图 本课题所研究的武装直升机仿真座舱系统是对座舱环境的仿真，它是武装直升机 C B T 系统的控制与信息中心，一方面，它实时地获取飞行员的各种操作和操纵信息；另 一方面，它实时地将有关飞行信息、控制指令信息、状态信息、故障信息及告警信息通 过航空仪表反映到飞行员面前。 直升机仿真座舱硬件平台如图2 - 3 所示。采用具有真实操纵感的飞行火控实物操纵 装置配合图形仪表操作显示的方法对
23、座舱环境进行仿真。 总距 图2 3 直升机仿真座舱硬件平台示意图 座舱机械结构在设计过程中采用符合人机工程学的设计原理，并且机械边角设计时 尽量避免出现锐角。硬件操作设备的尺寸、形状、位置、基本功能均参照真实座舱进行 设计。通过专用的数据采集卡和自主设计的数据采集电路板采集实物操纵装置中的传感 器数据。 在直升机座舱仪表板和中央操纵台位置放置多台具有触摸响应的液晶显示器，用于 开发虚拟仪表界面，具有价格低、更改方便等特点。触摸屏响应方式与鼠标相同，当手 7 2 仿真座舱系统总体设计硕士论文 指触摸开关、按键图像时，触敏层感受到手指位置信息，然后调用相应消息处理函数。 虚拟仪表板由l 台仿真主机
24、控制，并通过1 个3 分屏的分屏器显示在3 台触摸显示 器上；虚拟中央操纵台由另l 台仿真主机控制，并通过2 个3 分屏的分屏器显示在6 台 触摸显示器上。 1 仪表板3 台显示器的分辨率均为：1 2 8 0 x 1 0 2 4 。在设计仪表板仿真程序时，将程 序窗口的宽和高配置为：3 8 4 0 x 1 0 2 4 。 2 中央操纵台6 台显示器的分辨率均为：8 0 0 x 6 0 0 。在设计中央操纵台仿真程序时， 将程序窗口的宽和高配置为：4 8 0 0 x 6 0 0 。 在仿真座舱系统中，主控计算机主要完成3 个任务： 1 实时获取专用的数据采集卡和单片机电路板采集到的传感器数据；
25、2 对采集到的数据进行处理，解算直升机飞行参数和发动机参数等； 3 将操纵信号和解算后的参数发送给视景仿真计算机和仪表板仿真计算机。 2 2 2 仿真座舱实物操纵装置 2 2 2 1 飞行操纵装置 直升机的平衡及操纵，主要是通过保持或改变旋翼空气动力的大小和方向以及尾桨 空气动力的大小来实现的。直升机之所以能在空中完成各种复杂的运动，关键在于飞行 员可以利用飞行操纵装置来调节旋翼空气动力合力的大小和方向。 直升机座舱主要的飞行操纵装置包括驾驶杆、总距杆、脚蹬、油门手柄和旋翼刹车， 这些操纵装置与直升机的飞行控制直接相关，功能如下： 1 驾驶杆( 周期变距杆) 。位于驾驶员座椅前方，通过操纵自动
26、倾斜器来控制旋翼的 倾斜，实现升力方向的改变，从而实现不同方向飞行。 2 总距杆。位于驾驶员座椅的左方，由驾驶员左手操纵，通过改变旋翼所有桨叶 的迎角( 总距) 来改变升力大小，从而实现垂直升降。 3 脚蹬。位于座椅前下部，对单旋翼带尾桨的直升机来说，驾驶员通过蹬脚蹬改 变尾桨桨距，从而改变尾桨推( 拉) 力，实现直升机航向调整。 4 油门手柄。控制进油量进而控制发动机转速，达到调节直升机速度的目的。 5 旋翼刹车手柄。用于停车时旋翼制动。 仿真飞行操纵装置中的模拟量信号包括：驾驶杆横向操纵量、驾驶杆纵向操纵量、 总距杆操纵量、脚蹬操纵量、左油门操纵量、右油门操纵量、左旋翼刹车操纵量、右旋 翼
27、刹车操纵量，共8 路信号。这些模拟量信号为飞控模型提供操纵输入量，为了保证数 据采集的实时性和可靠性，采用专用的模拟量采集卡进行采集。 另外，在总距杆和驾驶杆的上端还安装有一些控制装置，主要用于照明系统、控制 增稳系统、武器系统的控制，约5 0 个开关量信号，采用专用的开关量采集卡进行采集。 硕士论文武装直升机仿真座舱系统设计与实现 2 2 2 2 观瞄手柄 武装直升机上安装的昼夜观瞄装置主要用于武装直升机机载武器系统，为导弹制导 和火控系统提供瞄准线参数，一般由副驾驶操纵观瞄手柄进行控制。为了节约成本和方 便系统升级，将通用仿真观瞄手柄设计成具有独立功能的模块，采用单片机电路板采集 操纵数据
28、，由通讯模块发送给主控计算机。通用仿真观瞄手柄示意图见图2 4 。 图2 4 通用仿真观瞄手柄示意图 注：1 游标( 拇指单杆) ；2 通信指示灯；3 电源指示灯；4 电源开关； 5 电源接口；6 通讯接口( 三线制串口) 仿真座舱系统上电后，打开仿真观瞄手柄上的电源开关，电源指示灯应燃亮。观瞄 手柄上的通信指示灯用于指示数据通讯状态，正常通讯时，通讯指示灯周期闪烁。 观瞄手柄的仿真功能包括开关量输入、模拟量输入( 游标) 和1 个开关量输出( 通信指 示灯) 。其中，视场切换开关选用小型三位双复位的纽子开关；游标处安装有上、下、 左、右4 个压力传感器。 2 2 3 仿真座舱虚拟仪表 直升机
29、座舱仪表主要分布在飞行员正前方的仪表板和正、副驾驶员内侧的中央操纵 台上，上面安装有大量的航空仪表。由计算机软件生成仪表的图像，按l ：l 比例显示 在显示器上。虚拟仪表仿真程序应具有：数据、图形动态显示功能；设备操纵位置 变化指示功能；设备状态指示功能。 2 2 3 1 虚拟仪表板 直升机座舱仪表板上安装有各种航空仪表，用来显示直升机飞行姿态、导航参数、 发动机工作状态和直升机各系统的工作状态等。飞行员运用这些信息对直升机的飞行状 态和飞机、发动机各系统的工作进行监控。 早期座舱显示仪表由机电式仪表组成。由于机电式仪表占用固定空间，属于空分制 显示的专用仪表口6 】。通常机电式仪表功能简单、
30、用途单一，每一个仪表顶多只能显示一、 二种设备的工作状态，显示信息的日益增加造成座舱仪表数量增多，仪表板拥挤，仪表 9 2 仿真座舱系统总体设计 硕士论文 利用率低，飞行员负荷过重，差错增加瞄】。 随着电子工业的发展，多功能显示器等时分制显示的电子式仪表逐渐取代了传统的 机电式仪表，成为现代军用和民用直升机座舱中重要的显示设备，安装在仪表板正、副 驾驶员的正面位置【2 5 1 。一些最基本的机电式仪表，作为应急仪表，安装在多功能显示器 的下方和两侧。 仪表板上最常见的航空仪表包括信号灯面板、气压高度表、地平仪、空速表、航向 指示器、多功能显示器等。仪表板主仿真程序按图2 5 进行布局设计，显示
31、在通用仿真 座舱正前方的3 台触摸显示屏上。 A C D 图2 5 仪表板触摸显示屏虚拟仪表示意图 注：腓号灯面板；毗电式仪表；c - 副驾驶多功能显示器；啡驾驶多功能显示器 在对仪表板进行仿真开发时，仪表板作为主程序创建，将各种机电式仪表和信号灯 面板等设计成动态链接库组件加载到主程序中。这样可以方便地对各组件进行修改和替 换而无需对主程序做任何改动，方便了系统的维护与扩展【2 。 为了实现在多功能显示器中叠加昼夜观瞄装置传输的视频图像，需要将三维地景画 面叠加显示到虚拟多功能显示器中，并根据观瞄手柄操作进行视场移动和大、中、小视 场切换。 2 2 3 2 虚拟中央操纵台 直升机座舱中央操纵
32、台上安装有很多包含开关、指示灯等交互设备的操作面板，常 见的操作面板有多功能键盘、燃油控制面板等。中央操纵台主仿真程序按图2 6 进行布 局设计，显示在通用仿真座舱内侧的6 台触摸显示屏上。 1 0 硕士论文武装直升机仿真座舱系统设计与实现 A I _ J旦剑誊 谚由 蓄菩誊 口口叩口口 日田B B E为为 田吕阳日 匝囵圆 o o 口口口 口口口 曼 曼 8暮 匝囵圆 匝囫n U 图2 6 中央操纵台触摸显不屏虚拟仪表不慈图 注：A - 多功能键盘；B - 燃油控制面板 2 2 4 开发环境 2 2 4 1 硬件环境 武装直升机仿真座舱系统的开发基于P C 机，系统硬件环境应考虑以下几个方面
33、： 1 C P U ：G LS t u d i o 仪表仿真工具要求C P U 至少是3 2 位。随着对高刷新率的需求， 对C P U 的速度要求也越来越高；另外，处理动态图形和三角函数的几何计算需要频繁 的浮点运算。 2 内存：本次设计使用2 台虚拟仪表仿真主机控制多台触摸显示屏，每台主机要 进行多个仪表的界面仿真和逻辑控制；主控计算机要进复杂的飞控模型解算。程序对计 算机内存有一定要求。 3 显卡：在图形加速环境中，C P U 对绘图命令和参数进行编码，通过总线传递到 显卡上，显卡进行解码并按照要求显示和刷新它的缓存，最终完成显示。同时，显卡和 配套图形软件的使用可以实现双缓冲，避免了图形
34、闪烁【引。 4 触摸屏显示器：在仪表板和中央操纵台位置安装有多台具有触摸响应的显示屏， 图形仪表保持与原型直升机座舱相同的布置格局，方便飞行员根据训练任务进行操作。 根据以上对系统硬件运行环境的分析，对P C 机硬件配置如下： 1 I n t e lC o r e T M 处理器； 1 1 2 仿真座舱系统总体设计 硕士论文 2 4G B 内存； 3 1 2 0G B 硬盘： 4 与O p e n G L 兼容的独立显卡； 5 触摸屏显示器9 台。 2 2 4 2 软件环境 借助专业仪表仿真工具，利用V C + + 对虚拟仪表程序进行编译和调试。在虚拟仪表 前期制作过程中，需要使用图形处理软件
35、对纹理图片进行美化处理，提高其逼真度。多 功能显示器显示视频图像的实现需要借助专业的视景驱动软件。 根据以上对系统软件开发环境的分析，得出具体软件配置如下： 1 操作系统：M i c r o s o RW i n d o w sX PP r o f e s s i o n a l ； 2 编程环境：I A Rf o rM S P 4 3 03 4 1 ，M i c r o s o f tS t u d i o N E T2 0 0 3 ( 包含V C + + 7 1 ) ； 3 仪表仿真软件：G LS t u d i o3 2 ； 4 视景驱动软件：V e g aP r i m e2 2 ；
36、5 图形处理软件：P h o t o s h o pC S 29 0 。 2 3 小结 本章对武装直升机仿真座舱系统进行了总体设计。首先介绍了仿真座舱系统的功能 要求和性能要求。接着，给出了仿真座舱系统的总体方案，详细讨论了系统总体框架、 实物操纵装置、虚拟仪表和开发环境。通过本章的讨论，明确了系统设计要求和设计方 案，为具体的研究开发指明了方向。 1 2 硕士论文武装直升机仿真座舱系统设计与实现 3 仿真座舱数据采集处理硬件设计与实现 3 1 飞行操纵装置数据采集硬件设计 目前，数据采集和传输所用的板卡已基本标准化，不但性能可靠，而且价格适中， 广泛被工程界所接受；同时，它还提供了配套的驱动
37、程序( 以动态链接库提供) ，通过库 中的功能函数可以直接对板卡编程，使用方便、快捷、可靠【6 】。基于P C I 总线的数据采 集卡是数据采集系统的主流，运行速度快，可实现实时采集处理。采用P C I 专用数据采 集卡采集飞行操纵装置中的传感器数据。 3 1 1 模拟量采集卡选型 飞行操纵装置中的模拟量采集采用A D L I N K 公司的P C I 9 1 l l D G 数据采集卡。采集 的模拟量包括：驾驶杆横向周期变距、驾驶杆纵向周期变距、总距、脚蹬操纵量、左油 门、右油门、左旋翼刹车、右旋翼刹车。P C I 9 1 l l D G 具有以下特性【9 】： 1 1 6 通道单端模拟量输
38、入； 2 3 2 位P C I 总线，即插即用； 3 模拟量输入转换时间：8 t s ： 4 最大输入过载电压：士3 5 V ： 5 输入阻抗：l O M Q ； 6 1 2 位模拟量输入分辨率； 7 采样频率可达11 0 K H z ： 8 通道自动扫描功能选择； 9 卡上带有F I F O 缓冲区，大小为1 0 2 4 个数据； 1 0 可编程增益1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 ： 1 1 双极性模拟量输入范围，士1 0 V ，a - 5 V ，4 - 2 5 V ，4 - 1 2 5 V ，4 - 0 6 2 5 V ； 1 2 三种触发模式：软件触发、可编程定时器触发与外部触发； 1
39、3 一个1 2 位D A 转换器； 1 4 1 6 通道开关量输入与1 6 通道开关量输出； 1 5 4 个扩展D I O 通道，用于通过外部多路选择器选择通道； ：1 6 紧凑型D B 3 7 连接器； 1 7 卡上带有信号调理滤波器。 模拟量的供电电源为1 2 直流电源，采用精密导电塑料电位器作为角位移( 模拟量) 传感器，阻值I I C Q ，线性误差士O 5 ，将飞行操纵装置中的模拟量信号连接到P C I 9 1 1 1 D G 模拟量输入通道所对应的接线端子上。 3 仿真座舱数据采集处理硬件设计与实现硕士论文 3 1 2 开关量采集卡选型 飞行操纵装置中的开关量采集采用A D L I
40、 N K 公司的P C I 7 4 3 3 数据采集卡。采集的 开关量信号包括着陆灯控制信号、通道配平控制信号、导弹发射信号等。P C I 7 4 3 3 具有 以下特性1 0 l ： 1 6 4 通道隔离开关量输入； 2 输入电压：0 - 2 4 V ，H ：5 - - - 2 4 V ，L ：0 1 5 V ； 3 输入阻抗：2 4 l ； 4 隔离电压：2 5 0 0 V r m s ； 5 采样频率：1 0 l 洫； 6 中断源：开关量输入通道O 和通道1 ； 7 功耗：+ 5 V ，5 0 0 m A ； 8 1 0 0 针S C S I I I 连接器。 开关量的供电电源为1 2
41、V 直流电压，将飞行操纵装置中的开关量信号连接到 P C I 7 4 3 3 开关量输入通道所对应的接线端子上。 3 2 观瞄手柄数据采集硬件设计 观瞄手柄是武装直升机重要的火控设备，将观瞄手柄设计成独立的模块，内置基于 嵌入式微处理器的数据采集电路板。考虑到观瞄手柄与主控计算机之间的距离较短，且 串口通讯开发方便，数据采集电路板通过R S 2 3 2 串口与主控计算机进行通信。电路板结 构框图如图3 1 所示。 1 4 电 源 接 口 滤波N 多路选N 调理 处理M 择开关M 电路 霎簧酬光耦去抖r 卅“” 微处理器 复位电路 R S 2 3 2 接口 电路 通信 指示灯 J 1 r A G
42、 接 口 图3 1 仿真观瞄手柄数据采集电路板结构框图 模拟量输入接口工开关量输入接口 硕士论文武装直升机仿真座舱系统设计与实现 3 2 1 微处理器电路设计 微处理器选用T I 公司M S P 4 3 0 系列单片机中的M S P 4 3 0 F 1 4 9 ，该芯片主要由以下几 部分组成1 1 1 1 ： 1 2 K 字节R A M 数据存储器，该2 K B 的R A M 在芯片内部，易于实现高速存取； 2 6 0 K 字节F l a s hR O M 程序存储器，存储一般的程序都非常宽余； 3 P l P 6 ：6 个八位双向多功能口，引脚复用，每个端口都可以设置成口方式或者 模块方式。其中，P 1 ，P 2 的全部引脚具有外中断功能，可响应1 6 个中断源； 4 2 个具有捕获功能的1 6 位定时器T i m e rA 、T i m e rB 和一个看门狗定时器： 5 1 个具有8 通道的1 2 位高性能模数转换器A D C l 2 (