模拟训练平台数据控制系统设计

张鹏

摘 要： 模拟训练平台是用模拟训练设备代替实际设备，实现演示教学和操作训练，使学生学会设备的物理连接、参数配置、连通检测等操作，形成系统综合运用能力的系统。本文从模拟训练平台的设计思路、数据控制设计和数据模拟通道设计三个方面，阐述了模拟训练平台数据控制系统的设计思想，为下一步项目研制打下理论基础。

关键词： 训练平台；数据交互；数据模拟通道

模拟训练平台是以硬件模拟与软件控制相结合的方式对实际设备进行模拟，通过研究构建通用的数据交换和训练管理系统，集模拟操作、效果分析、考核评估及故障排除于一体，适用于不同种类、型号设备的模拟训练系统。训练平台包括软硬两个分系统，涉及大量的数据交互，因此，对数据的控制是非常重要的。下面从三个方面，探讨模拟训练平台数据控制系统的设计方法。

一、模拟训练平台设计思路

根据实际设备的功能和操作特点，运用单片机编程的方式进行操作流程模拟，在模拟训练设备中安装AVR单片机控制模块，通过单片机现有的外部通信接口同管理主机连接，在管理主机中运行训练管理软件，管理主机与单片机系统相结合控制，使模拟设备的设置操作和线缆连接等操作与实际使用一致，实现单台设备操作功能的模拟。采用TCP/IP技术组网，将各模拟训练设备、管理主机通过以太网交换机组建成内部局域网络，采用自主研制的GCP通信协议，进行模拟训练设备操作信息的采集和管理控制信息的传输，从而实现模拟设备组网训练功能。采用数据库技术和单片机控制管理技术，构建设备模拟训练系统通用基础平台，设计训练管理程序对模拟训练设备上的操作进行评判，根据评判结果控制各模拟训练设备间的通断情况，实现软硬件数据协调通信训练管理等功能。

二、模拟训练平台数据交互设计

（一）平台数据交互接口设计

在模拟训练设备同管理主机之间的数据交互接口采用以太网通信模块，提高传输速率，易于系统管理与扩展。模拟控制单片机系统通过其自带的SPI接口连接到ENC28J60以太网控制器中，通过该控制器实现模拟控制单片机系统同管理主机间的以太网连接，可以很好的解决系统各部分间控制数据的传输速率问题，传输速率可以达到2Mbps，延长模拟训练设备控制信号的传输距离，提高训练设备同管理主机之间数据交互的带宽；同时大大的增加了系统的容量，理论上可以容纳的节点数目为一个完整的IP地址空间，根据教学训练的实际需求，设计最多可以同时连接200台模拟训练设备。

（二）数据传输控制方式设计

模拟训练平台的信息传输需要流经的设备数目多、型号复杂，在训练过程中，管理主机需要与各种模拟训练设备进行数据采集、传输，对模拟训练过程进行监视、控制和管理，因此数据传输实时性、可靠性要求较高。虽然使用以太网接口数据传输速度快，解决了传输速率的问题，但由于管理主机需要同时判断多台模拟训练设备的操作动作，才能对语音、数据信息传输进行正确控制，多个模拟训练设备同时访问管理主机，需要传输的数据量比较大，设备间的访问冲突势必会造成丢包现象的产生。

针对这种问题，如果仍然采用TCP协议面向连接的数据传输控制方式，虽然可以保障数据传输的可靠性，但是管理主机与每一个模拟训练设备的每次数据传输都需要都建立和拆除專门的链路，各模拟训练设备单片机硬件编程非常繁琐，对研制人员的技术要求更高，而且系统延时比较大，随着节点数目增多，通信效率将明显下降，极可能导致整个系统无法容忍寻找等待，从而导致系统无法工作，很难适应教学训练实际需求。

通过试验和综合比较分析，项目组决定模拟训练系统数据传输控制采用面向无连接的UDP协议。为了避免数据包丢失，在通信管理方面采用时间片轮询技术。在管理主机给每个需要访问的模拟训练设备分配一个固定时间片，例5ms，由管理主机进行统一控制，各个模拟训练设备只有在自己所属的时间片里才能发送数据，通过此方法解决多点接入而引起的访问冲突问题。由于时间片的间隔非常小，操作人员基本感觉不到模拟训练设备的延时反应，可以实现实时模拟训练的软硬件同步响应。

本设计的优点是：模拟训练系统的数据传输速率高，保障模拟训练设备操作的实时性；数据传输可靠性高，多点接入的访问冲突得到有效控制，在功能实现上和后续系统开发兼容性上比较合理可行。

存在的难度主要是：在管理主机上需要专门设置数据采集与交换模块，对模拟训练设备与管理主机的数据交互进行通信管理。但这个技术难题本项目组成员可以尝试研究解决。

三、数据模拟通道设计

（一）数据模拟通道硬件结构设计

实际设备可以为终端和服务器提供数据传送通道，本项目考虑通过IP技术模拟该数据传输通道，采用基于TELNET服务的网络交换控制技术，自主研制“数据交换控制”模块，通过TCP协议中TELNET服务，向连接各级终端的交换机端口发送断开和连接的指令，控制交换机端口断开和连接，从而实现为终端和服务器提供数据传送通道。

（二）数据模拟通道控制设计

在模拟训练设备上进行数据通信参数设置，发送开始建立相应的数据通道请求。训练管理主机通过以太网对模拟训练设备上的操作信号进行采集、监控和评判，如果进行数据通信的双方（组网时可以使多方）操作都正确，管理主机通过TELNET程序登陆到交换机的IOS上，将对应终端所在的交换机上接入端口打开，从而建立各数据终端间的模拟数据通道。在数据通信过程中，如有任何一方的操作改变了或错误配置了参数，训练管理主机将监控到该操作信号并判断，如在实际设备中该参数设置更改会引起数据通信的中断，训练管理主机将通过TELNET程序向交换机的IOS发出关闭相应终端所在接入端口的指令，从而断开各终端和服务器之间的模拟数据通道。endprint