仿真方案设计（精选12篇）
仿真方案设计 篇1
摘要：本文研究飞机航电仿真器技术是针对飞机空气管理系统、风挡加热系统、旅客氧气系统等与航电系统存在输入输出交联关系以及通过航电网络传输信号相关方面仿真器技术的设计方案。飞机航电系统仿真器主要通过试验网络、仿真系统、输入/输出系统、数据监控/记录系统、虚拟面板和虚拟航电显示系统几个方面的技术来实现的。该仿真器可以仿真航电系统与空气管理系统、风挡加热系统和氧气系统之间的交联信号、数据信息以及逻辑关系, 为空气管理系统、风挡加热控制器以及氧气系统提供正常工作所需的输入激励, 并能够对上述系统的工作参数进行采集、传输、处理, 完成系统的状态显示及控制。
关键词：航电网络,试验网络,仿真系统,环控系统,航电系统
1 项目背景
空气管理系统、风挡加热系统、旅客氧气系统等都与航电系统存在输入输出交联关系。空气管理系统控制器、风挡加热控制器需要接收通过航电网络发送来的信号作为系统运行的输入条件, 同时, 各系统需要通过航电网络向CAS、OMS、FDR或其它相关系统发送信号。在试验室进行试验时, 航电网络及相关系统的功能需要通过航电仿真器来实现。航电仿真器可以仿真飞机上其它系统与空气管理系统、风挡加热系统和氧气系统之间的交联信号、数据信息以及逻辑关系, 为空气管理系统、风挡加热控制器以及氧气系统提供正常工作所必需的输入激励, 并能够对上述系统的工作参数进行采集、传输、处理, 完成系统的状态显示及控制。航电仿真器试验件的接口特性和飞机上其它系统与空气管理系统、风挡加热系统、氧气系统之间的交联信号的电气特性与数据格式 (ARINC429总线、CAN总线、离散量、模拟量等) 保持一致, 具体交联架构图如图1所示。
2 航电仿真器信号需求
2.1 空气管理系统相关需求
1) 空气管理系统与其他系统通过航电网络交联的信号。空气管理系统控制器通过航电网络转发给其他系统的信号, 包括空气管理系统发送给发动机系统、APU系统、燃油惰化系统、客舱核心系统、舱门系统、主飞控系统、飞管系统、电源系统、水废水系统等。IASC接收的信号:其他系统通过航电网络传输给空气管理系统控制器的所有信号, 包括发动机、APU、防火系统、起落架系统、大气数据系统、结冰探测系统、客舱核心系统、舱门系统、控制面板、飞管系统、电源系统、显示系统等。2) 通风系统相关信号。空气管理系统中的通风系统的风扇、活门和冷却效果传感器与空气管理系统综合控制器IASC之间通过航电网络交换数据, 控制信号通过ARINC429总线将IASC发出的信号传送到航电系统的RDIU, RDIU进行转换后, 输出控制信号到风扇、活门;风扇、活门和冷却效果传感器的反馈信号先接入RDIU, 在RDIU中转换为ARINC429总线信号后再传送到IASC中。3) 空气管理系统与其他系统直接交联的信号。空气管理系统与其他系统直接交联的信号有起落架轮载信号、电源系统信号以及控制板信号。
3 航电仿真器设计方案
航电仿真器主要包括试验网络、仿真系统、输入 / 输出系统、数据监控 /记录系统、虚拟面板和虚拟航电显示系统几个方面。
3.1 试验网络
试验网络主要可被划分为控制网络和数据网络两部分。控制网络用于试验总控设备与各个试验设备间的控制指令和状态汇报的传输, 而数据网络则主要用于试验过程中各设备间的试验数据传输, 需满足实时性和带宽的要求。控制网络和数据网络分别采用CORBA和DDS两种中间件技术实现, 以保证试验系统的可靠性和可扩展性。另外, 还需要设计时钟同步网络, 使各类试验资源工作在同一时间轴上。
试验网络设计主要包括网络架构和硬件选型等方面。
3.2 仿真系统
主仿真系统中运行航电仿真模型和部分系统仿真模型, 所有的仿真模型均实时运行于主仿真系统中。航电系统仿真模型对航电系统的部分功能进行仿真模拟, 并通过试验网络将飞行参数共享给激励系统和视景系统等。仿真模型之间通过数据网络进行数据的共享和传递。仿真模型也可以通过数据网络与输入 / 输出接口资源进行双向数据收发, 以实现对环控系统真件的激励。
仿真系统设计主要包括仿真系统架构、系统组成、仿真模型等几个部分。
3.3 输入 / 输出系统
输入 /输出接口系统主要用于为航电分系统的仿真模型提供硬件接口资源, 实现与环控系统真件的互联。同时, 输入输出接口系统还兼具了数据静态收发测试功能, 能够从环控系统真件上采集接口数据, 或向环控系统真件发送激励数据。输入 / 输出接口通过商用货架产品实现, 采用工控机和接口板卡的形式, 并在实时操作系统上运行嵌入式的输入/ 输出资源管理软件, 完成数据收发, CAN、模拟量和离散量信号以及ARINC429信号的发送均采用这种形式。
上位机软件通过数据网络实现激励数据的发送或采集数据的监控。
输入 / 输出系统设计主要包括系统架构、系统组成、IO资源管理和操作、数据监控 /记录系统等几个部分。
3.4 虚拟面板和虚拟航电显示系统
虚拟面板和虚拟航电显示系统运行于PC平台, 采用图形化的模型对面板和航电显示等组件进行模拟, 替代真实控制面板和航电显示器, 以便开展其他分系统的试验工作。
虚拟面板和虚拟航电显示通过数据网络与仿真系统互联, 与航电系统的模型实现联合仿真, 通过航电画面显示飞行数据, 或将虚拟面板指令发送给相关设备模型。
航电仿真器需要仿真环控系统的控制面板和虚拟的航电显示界面, 这些虚拟面板和虚拟现实界面能够与航电仿真模型实现联合仿真。试验人员通过虚拟虚拟面板对环控系统和航电仿真器进行控制, 完成各类仿真试验。
虚拟面板和虚拟航电显示系统设计主要包括VAPS仿真平台、Lab VIEW仿真平台、控制面板仿真、虚拟航电显示系统等几个部分。
4 结束语
本文设计了一个具备航电网络及相关系统功能的航电仿真器, 该仿真器可以用于环控系统与航电系统交联试验。该仿真器的设计方案包括试验网络、仿真系统、输入 / 输出系统、数据监控 / 记录系统、虚拟面板和虚拟航电显示系统几个方面。
参考文献
[1]SAE AR P 4754A民用飞机与系统研制指南.
[2]DO-16G航空设备环境条件及测试规程.
仿真方案设计 篇2
目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。
在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。它在导体贴片和接地板之间激励起电磁场，并通过贴片与接地板的缝隙向外辐射。
天线分析的基础问题是求解天线周围空间建立的电磁场，进而得出方向图增益和输入阻抗等特性指标。如下图1，图2所示。
图1 矩形微带天线开路段电场结构
图2 场分布侧面图 天线基础
天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。
2.1 天线的极化方式
所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。根据极化方向可分为垂直极化波和水平极化波。
(1)水平极化波：当电场强度方向平行于地面形成的波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减。
(2)垂直极化波：当电场强度方向垂直于地面形成的波。垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。
2.2 天线的增益
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。
2.3 天线的阻抗
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗。
驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。
回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。
2.4 天线的波瓣宽度
波瓣宽度是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。
(1)垂直波瓣宽度：一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质 量的目的。
(2)水平波瓣宽度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。
3矩形贴片的设计
矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个矩形贴片，其工作频率在2.45GHz，并分析其远区场辐射特性以及S曲线，3.1 设计目的
(1)学习设计微带天线的设计方法；
(2)掌握矩形贴片的设计方法及其远区辐射场的特性以及S曲线；(3)掌握HFSS10仿真软件的使用。
3.2 矩形微带贴片天线的辐射原理
如图3所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基 片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最
简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
图3 矩形贴片天线示意图
3.3 矩形贴片天线的仿真设计
1．建立新的工程 2．设置求解类型 3.设置模型单位
4．创建微带天线模型
(1)创建地板GroundPlane。尺寸为90mm*90mm，并设置理想金属边界。
(2)建立介质基片。尺寸为45mm*45mm*5mm。将材料设置为Rogers R04003。(3)建立贴片Patch。尺寸为：32mm*32mm，并设置理想金属边界。
(4)创建切角。首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通过旋转180度创建另一个切角。(5)用Patch将切角减去。(6)创建探针Pin。圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料设置为pec。
(7)创建端口面Port。圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0，半径为：dX：0，dY：1.5，dZ：0。
(8)用GroundPlane 将Port减去。
5.创建辐射边界
创建Air，尺寸为：160mm*160mm*70mm。辐射边界命名为Rad1。
6．设置端口激励
端口命名为p1。在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回车键，点击Next按钮直至结束。
7．求解设置
为该问题设置求解频率及扫频范围
(1)设置求解频率。设置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。
(2)设置扫频。扫频窗口中做以下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将Save Field复选框选中。8.设置无限大球面
在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。
9.确认设计 10.保存并求解工程 11 后处理操作
(1)S参数（反射系数）。
绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是s11。点击菜单栏HFSS>Result>Create Report。选择：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后点击Add Trace按钮。点击Done按钮完成 操作，绘制出反射系数曲线。
(2)2D辐射远场方向图。
在菜单栏点击HFSS>Result >Create Report。选择：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。点击Mag标签，选择：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,点击Add Trace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。结果分析
4.1 对探针位置的探讨
地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。
介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：32，dY：32，dZ：0。
4.1.1探针在Y轴
探针中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图4所示：
图4 矩形贴片天线3D模型(探针在Y轴)
(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图5所示。
图5 反射系数图（Y轴）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图6所示。
图6 2D辐射远场方向图（Y轴）分析： 当探针在Y轴上时，回波损耗在13.8dB左右，工作频带在2.35GHz-2.47 GHz。
由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要进行优化。
4.1.2 探针位置在X轴上
探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图7所示：
图7 矩形贴片天线3D模型(探针在X轴)
(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图8所示。
图8 反射系数图（X轴）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图9所示。
图9 2D辐射远场方向图（X轴）
分析：当探针在X轴上时，回波损耗也在13.8dB左右，工作频带在2.37GHz-2.48 GHz。
由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.说明此位置仍不是最佳位置。
4.1.3 探针在对角线位置上 探针中心点的坐标：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图10所示：
图10 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图11所示。
图11 反射系数图（对角线）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图12所示。
图12 2D辐射远场方向图（对角线上）
分析：当探针在对角线上时，回波损耗为-29dB，频点恰好在2.45GHz，工作频带在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作频带很窄。由远场图可知，此位置仍有一个小的背瓣。
因此，探针在这个工作特性很好，但工作带宽有点窄。探针中心点的坐标：X：8，Y：8，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图13所示：
图13 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)
(1)反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图14所示。
图14 反射系数图（对角线）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图15所示。
图15 2D辐射远场方向图（对角线上）
分析： 当将探针设置在此位置时，回波损耗在-14.3dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.49GHz,频点正好在2.45GHz。
由远场方向图可知，在此位置有一个小的背瓣。
探针在这个位置工作特性很好，工作频带也较宽。此外还可知在对角线上越靠近中心，天线性能越好。
4.2 改变贴片尺寸
地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。
介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。
探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图16所示。
图16 矩形贴片天线3D模型(贴片尺寸改变)(1)反射系数曲线
仍在上述所设求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图17所示。
图17 反射系数曲线（贴片尺寸改变）
(2)2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图18所示。
图18 2D辐射远场方向图（贴片尺寸改变）
分析： 当其他条件不变，改变贴片尺寸（由32mm*32mm改为31.7mm*31.7mm）时，回波损耗在-12.5dB左右，频带宽度在2.39 GHz-2.50GHz,频点正好在2.45GHz。
由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。探针在这个位置（X轴）工作特性不错，工作频带也较宽。
4.3 改变探针半径
在4.2的基础上，将探针半径改为0.4mm，其他条件不变，则所形成的反射系数图和2D辐射远场方向图如图19，图20所示。
图 19 反射系数图曲线（探针半径0.4mm）
图20 2D辐射远场方向图(探针半径0.4mm)分析：① 在上一步的基础上，改变探针半径（由0.5mm改为0.4mm）时，回波损耗在-14.1dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.52GHz,频点正好在2.46GHz。
② 由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。
③ 此时，探针不在工作频点，可知探针半径太小，但由上研究可知，半 径在稍微改大一点应该可以使探针工作在2.45 GHz（这个问题由于时间问题没研究）。
总结：
① 当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点（如2.45GHz）。
② 对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。
③ 当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通过调整可以使贴片工作在频点。设计体会
微波课设在短短的几天时间里完成了。首先非常感谢老师以及各位学长的帮助和指导。
由于老师已经在指导书上列出了很详细的操作步骤，设计思路都体现在里面，因此这次课设上手还是很快的。这使我们能够很快的把握住设计思路，进一步学会如何利用HFSS10这款软件设计微带天，并通过所形成的远区辐射场图和S曲线分析矩形微带天线的特性。学习将基础的理论知识应用到微带天线的实际设计中。做完之后再回头想一下，按照公式计算出来的矩形天线的参数运用到实际时，并不能使天线达到理想的辐射状态。这可能是由于一些共识的近似表示以及实际天线所处环境等因素造成。由此可知，在具体设计微带天线时要根据实际的情况对天线进行优化处理，使其达到理想辐射特点。当然在做实验时并不是特别顺利，所幸的是，在老师和几位学长的帮助指导下解决了，并从中学到很多东西。
此外，在这次课设中同学间的配合也是相当重要的。每个学生对老师课堂所讲的内容的接收程度不同。只有同学间的相互配合，提出问题，然后讨论最后解决，才能使课设结果达到更好的效果。参考文献
光电跟踪仪目标仿真系统设计 篇3
关键词： 动态目标； 目标仿真； 模拟场景
中图分类号： TN 2文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.013
Design of target simulator for optoeletronical tracking system
LUO Jingling， DU Juan
（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics， China Shipbuilding Industry Group
No.717 Research Institute， Wuhan 430020， China）
Abstract： Optoelectronical tracking system works day and night. It has the advantages of lots of information， high resolution and it is an intelligent system on the ships. In this paper， we design a target simulator for ships and aerial target. It presents the system composition and the function blocks of simulation software. By analysis of the system for static and dynamic target tracking， we calculate tracking accuracy for optoelectronical tracking system.
Keywords： dynamic target； target simulation； simulative scene
引言舰载光电跟踪仪是舰炮武器系统中跟踪海空目标的跟踪设备，采用光电成像方式，将自然景物的光信息转变为视频图像。它是舰载近程反导武器系统中最适合的跟踪设备，目标的跟踪能力是光电跟踪仪的重要性能指标之一[1]。因此在光电跟踪仪的跟踪能力测试中，目标的选取至关重要。光电跟踪仪对目标进行可靠提取并跟踪通常要同时满足3个条件：目标表面光或热辐射能量经大气传输达到接收光学系统最小接收范围；目标经光学系统在靶面上成像的尺寸应满足跟踪提取目标的要求；目标和背景在探测器像面对比度应大于信号检测所需要的最小对比度要求[23]。目前，在光电跟踪仪试验和测试过程中，目标的选取主要还是依赖于实体目标。本文介绍了一种舰载光电跟踪仪的目标仿真系统，通过软件对目标进行仿真，可对海上和空中两种目标进行仿真，从而达到对舰载光电跟踪仪跟踪能力的全面测试。1系统组成及基本原理光电跟踪仪目标仿真系统的原理是通过计算机模拟真实场景的变换，通过视频叠加技术，在海天背景上叠加海上和空中目标，配合光电跟踪仪进行工作，达到了真实仪器和虚拟现实系统的实时同步，从而完成对光电跟踪仪跟踪能力的测试[45]。光电跟踪仪目标仿真系统主要由工控计算机和控制机箱组成。控制机箱包含操控模块、低压电源、距离模拟电路板、检测控制板和角度转换板五个部分。工控计算机中包含高速视频叠加卡、显卡。高速视频叠加卡用于目标的叠加和产生，距离模拟电路板和角度转换板用于目标三维航路的生成，检测控制板用于激光主、回波信号的模拟和时统信号的对准。其原理图如图1所示。
图1光电跟踪仪目标仿真系统原理图
Fig.1Schematic diagram of target simulator for optoelectronical tracking system
光学仪器第37卷
第2期罗静玲，等：光电跟踪仪目标仿真系统设计
工作原理通过光电跟踪仪目标仿真系统的计算机软件界面设置模拟目标参数，计算机根据目标的距离、航向、航速、航路捷径和光电跟踪仪传送过来的测角模拟量，由计算机解算出目标叠加在视频图像上的位置；通过视频叠加卡生成模拟目标视频信号及相关背景，并依据模拟目标的距离确定激光主、回波信号，将叠加了模拟目标的视频和模拟的激光主、回波信号回送给光电跟踪仪；通过控制机箱的操控模块对光电跟踪仪进行操控，完成模拟目标捕获、提取、跟踪和测距，光电跟踪仪目标仿真系统根据光电跟踪仪发送回来的目标跟踪误差来评定其跟踪性能[6]。2目标仿真软件设计光电跟踪仪目标仿真系统采用Windows XP操作系统，其软件设计采用VC6.0、OpenGL。功能模块可分为人机交互、目标航路计算、目标仿真图像绘制、仿真图像视频叠加、数据与图像处理发送、数据处理评估、系统自检等模块。
2.1目标航路计算根据设定的目标类型、目标速度、航向等信息，实现目标航路的计算，实时计算出目标在当前时刻的三维坐标参数。
2.2目标仿真图像绘制模块实现目标模型的绘制、场景图像的绘制、依据目标距离和视场匹配目标大小、目标姿态调整。目标仿真图像绘制子功能模块组成如图2所示。
2.3仿真图像视频叠加模块依据目标运行轨迹，实现目标与背景场景的准确叠加。包括目标三维数据折算成像素点坐标、目标模型在像素点坐标的贴图。其组成如图3所示。
图2目标仿真图像绘制子功能模块图
nlc202309040206
Fig.2Function block for images plotting of
the target simulator图3仿真图像视频叠加子功能模块图
Fig.3Function block for image superposition of
the target simulator
2.4数据与图像处理模块实现测角方位、高低数据的采样、激光状态采样、仿真图像数据发送、目指数据发送等。其组成如图4所示。
2.5数据处理评估实现光电跟踪的误差统计。光电设备对模拟目标进行跟踪时，统计光电跟踪的方位和高低误差量，计算出方位和高低方向跟踪误差的均方差，与设备要求的跟踪精度进行比较，并判断跟踪性能是否合格。
2.6操控组件检测实现操纵杆、触摸屏、摸球等操控组件的检测。如图5所示。
图4数据与图像处理子模块图
Fig.4Function block for data and image processing图5操控组件检测子模块组成图
Fig.5Function block for component testing
3系统测试光电跟踪仪目标仿真系统操作界面如图6所示。在人机界面上可以选择目标类型“海上目标”或是“空中目标”，然后对目标的运动方向、距离、速度、图6光电跟踪仪目标仿真系统界面
Fig.6Interface of the target simulator system加速度等参数进行设置，还可以预设几个固定的目标轨迹，以便随时调用。当目标参数设置完毕后，即可开始仿真，系统会按照相应的目标参数模拟出目标的实时视频。该仿真视频输入光电跟踪仪，操作手操作光电跟踪仪对目标进行捕获跟踪，系统则会统计出方位与高低方向的跟踪误差，并判断光电跟踪仪的跟踪性能是否满足要求。测试数据如表1所示，可见该仿真系统可正确地进行目标仿真，并能有效地测试光电跟踪仪的跟踪精度。
表1测试数据表
Tab.1Test data
序号目标距离/m运动速度/（m·s-1）运动方向/（°）目标类型航路捷径/m跟踪精度/mrad110 0001290海上目标1 0000.08212 00020030空中目标5000.2037 00018045空中目标4000.18
4结论该目标仿真系统采用视频叠加技术生成仿真目标的视频，供光电跟踪仪进行目标跟踪。经实际应用表明该系统可稳定正常地产生仿真目标视频，并自动计算光电跟踪仪的跟踪精度，有效地检验了光电跟踪仪的跟踪性能。参考文献：
[1]蒋鸿旺.舰用光电跟踪仪的发展特点和趋势[J].应用光学，1995，16（42）：16.
[2]赵建川，姜润强，王伟国.光电跟踪仪作用距离分析[J].光电技术应用，2009，24（3）：1516.
[3]孙希东.光电观察系统对海作用距离测试与评价方法[J].光学与光电技术，2010，8（5）：2829.
[4]陈纬真，张春华，王学伟，等.空间观测序列图像目标运动成像仿真[J].激光与红外，2008，8（3）：1419.
[5]何永强，唐德帅，胡文刚，等.一种红外场景仿真系统工作状态寻优方法[J].光学仪器，2013，35（6）：4347.
[6]韩意，孙华燕，李迎春，等.基于OpenGL的空间目标图像生成方法[J].计算机仿真，2010，27（6）：267270.
（编辑：张磊）
空速表仿真设计 篇4
空速是飞机相对于空气运动的速度, 飞行中主要是利用空速表测量空速, 空速表是根据空气的不可压缩性和相对气流的动压随空速变化的规律来测定空速的。空速是非常重要的飞行参数, 在飞行中实时掌握空速对完成各项飞行任务、保障飞行安全具有重要作用。在航空各类仿真中, 对空速表的仿真是全系统仿真的重要工作, 开发可重用的空速表仿真组件对实际工作具有重要意义。通用空速表仿真组件包括虚拟仪表、仿真仪表误差和密度误差的计算模型, 提供与应用程序数据交换的多种方法。
2 误差修正仿真
2.1 仪表误差
仪表误差 (△V表) 是由于空速表制造不精确, 或使用中某些部件磨损变形等纯机械性造成的。每个空速表的仪表误差都不一样, 由机务人员定期检验时测定, 并绘成空速误差表。根据空速表的指示可以从误差表中查出相应的仪表误差, 根据仪表显示的数据, 修正完仪表误差之后, 得到修正表速 (V修)。
2.1.1空速误差表采样离散化与插值
在实际工作中, 主要是根据空速误差表查取仪表误差, 为了仿真仪表误差, 需要对空速误差表进行采样, 按照一定的空速间隔, 依次查取其空速误差值, 形成离散的空速误差数据,如图1所示, 查找100米空速的仪表误差值为3.0米, 其他空速如200米, 300米, ……, 700米, 800米等空速的误差都从误差表得到, 存储在数据文件中。
2.1.2 误差文件格式
如图 2 所示。
2.1.3 误差插值
需要某空速的误差值时, 需要在以上离散误差的基础上进行插值, 插值算法可采用拉格朗日 (Lagrange)、多项式、样条插值等算法, 参见有关资料。
2.2 密度误差仿真
空速表的刻度是根据标准大气条件下动压同空速的关系刻制而成的。只有在飞行高度上的空气密度 (pH) 等于海平面标准空气密度 (p标=0.125公斤·秒 2/米 4) 时, 修正表速才等于真速。但飞行高度上的实际空气密度同标准大气条件的往往不一致, 因此, 修正表速常常不等于真速。由此而引起的误差叫空气密度误差, 简称密度误差 (△V密)。
根据参考文献 [3],, 即可计算出真空速。
3 虚拟仪表建模驱动
空速表主要利用目前流行的GL Studio虚拟仪表仿真软件实现, GL Studio是一个独立平台的快速原型工具, 用来创建实时的、三维的、照片级的互动图形界面。通过GL Studio编辑界面和二次开发、编程实现每个信息画面的具体功能。利用GL Studio进行空速虚拟仪表建模 , 按照二维逼真仪表纹理准备、对象开发、代码开发3步进行。
3.1 二维逼真仪表纹理准备
二维逼真仪表纹理准备有两种方法:(1) 在真实仪表照片的基础上, 如图3 (a) 所示, 利用类似PhotoShop专业图像处理软件将需要“活动”单元部分逐个提取出来, 如指针、按钮等, 并进行光照、角度等方面的处理;(2) 利用专业的绘图工具如CorelDraw等以仪表真实照片的色彩、比例、样式等为基础, 逐个绘制各个活动单元。有时还需要将两种方法结合起来, 如数码显示在真实照片上提取不到, 需要利用专业绘图工具结合照片绘制。空速表中活动单元主要包括表盘、指针、数码显示, 通过以上两种方法最后形成如图3 (b) 所示的纹理图片。仪表外观与真实仪表相似程度完全依靠纹理处理技巧。
3.2 对象开发
将上面生成的纹理按真实仪表布局要求, 利用GL Studio开发工具, 将各个单元布局在相应位置, 外观上和真实的仪表已经完全一致。如空速表, 分别建立表盘、指针的对象为GLPolygon, 数码显示建立对象为GlsOdometer, 其百位、十位和个位都为GLPolygon, 大小按比例缩放, 纹理分别采用其透明图像, 位置按实际布局利用GL Studio进行编辑, 如图4所示。
3.3 代码开发
对象开发完成后, 还不能实现空速表测量空速的功能, 需要代码开发才能实现。代码开发主要按内在行为开发、测试行为、集成和数据连接等步骤进行。 空速表内在行为开发主要是实现测量空速等空速表功能。计算空速步骤为: 修正气温误差, 求出表速; 修正密度误差, 求出真空速。
4 数据交换
基于GL Studio开发的仿真组件在实际应用中主要有两种方法: 一种是嵌入式运行方法, 通过插件嵌入到如视景等第三方平台中运行; 第二个方法是独立运行方式, 即作为单独的应用程序独立运行。不管是哪种方法使用, 都需要与空速表仿真组件通信, 交换数据。
4.1 嵌入式运行方式
基于GL Studio开发的仿真组件以嵌入式的方式与第三方平台实现无缝运行, 是实现空速表仿真组件与用户仿真软件结合的简单方法。这里以GLS Vega Prime为例说明使用方法, 利用LynX Prime和GLS Vega Prime插件很容易地将GL Studio生成可重用组件嵌入到Vega Prime三维场景中。将GL Studio开发的仿真组件与Vega Prime交互的数据定义成GL Studio属性,在Vega Prime中利用setAttrib () 和getAttrib () 可将数据传输到GL Studio仿真组件中或得到其数据。如“飞机绝对空速”参数, 在GL Studio定义属性“float velocity”, 在Vega Prime中传输数据用setAttrib (“velocity” ,true_velocity) 方法, 得到数据用getAttrib (“velocity”) 方法, 参照文献3。
4.2 独立运行方式
4.2.1 共享内存原理与结构
空速表仿真组件以独立运行进程运行时, 其他进程如数据更新进程与之进行数据交换时, 实质上是进行进程间通信。进程间通信有管道、共享内存和Socket等多种方法, 其中共享内存方法是速度较快的一种方法。共享内存是被多个进程共享的一部分物理内存, 一个进程向共享内存区域写入了数据, 共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容, 如图5所示。
空速表仿真组件与数据更新程序之间交换的数据主要包括: 机场场压、飞机绝对空速、测试递减率、机场温度和空速等, 结构定义如图6所示。
4.2.2 数据交换过程
空速表仿真组件与数据更新进程之间利用共享内存进行数据交换主要包括共享内存的初始化、向共享内存写入数据、从共享内存读取数据等。
(1) 共享内存初始化与关闭
在使用共享内存之前, 首先必须进行初始化, 主要是产生文件映射对象。通信双方都需要对共享内存进行初始化, 所以, 在产生文件映射对象之后, 要判断文件映射对象句柄是否已经存在, 如果没有已经存在则打开即可, 如果不存在则产生即可, 如图7所示。
在退出之前需要调用CloseHandle (h_Mapping) 内存映象对象。
(2) 写、读共享内存数据
空速表仿真组件与数据更新程序进程之间写、读共享内存数据之前首先都需要将共享内存映射到进程自己的地址空间中, 如果向内存写数据, 则将当前地址空间的数据拷贝至映射地址空间中; 如果从共享内存读数据, 则将映射地址空间的数据拷贝至当前地址空间的数据, 这样就实现了当前进程与共享内存之间的数据交换, 之后需要取消地址空间映射。通过数据交换之后, 就可调用m_Share_Memory的结构成员的数据, 如机场场压m_Share_Memory.airport_pressure, 如图8所示。
5 结语
空地对抗战术训练仿真系统设计 篇5
空地对抗战术训练仿真系统设计
为满足空地对抗作战指挥训练、战法研究和院校教学训练的需求,向指挥员提供对地攻击和对空拦截作战训练的`辅助决策支持,设计与实现了基于DIS(Distributed Interactive Simulation)的空地对抗战术训练仿真系统,并就功能划分、硬件组成以及软件实现等几个方面对系统作以简要介绍.
作 者：郭张龙 贾运红 李为民 金凤杰 GUO Zhang-long JIA Yun-hong LI Wei-min JIN Feng-jie 作者单位：空军工程大学导弹学院,陕西,三原,713800刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：14(2)分类号：V271.4 TJ76关键词：DIS 空地对抗 仿真系统
单片机的“在线仿真调试”方案 篇6
【关键词】单片机；仿真调试
在应用单片机开发设计电子产品的时候，绝大多数的设计人员都要使用仿真器。设计者在编制调试程序的时候，可以通过仿真器跟踪单片机内部程序的运行流程，检查程序的每一步执行的情况都否满足设计者的初衷。同时，设计者可以直观全面地得到单片机内部程序运行中的各项参数和数据，进而判断所设计软件程序的正确性和有效性，大大提高了程序设计的效率。可以说，仿真器是设计人员调试程序最有力的助手。
仿真器固然有很多的优点，笔者这里却另辟蹊径，在程序设计调试过程中抛开仿真器，单独谈一谈单片机的“在线仿真调试”方案，仅供单片机爱好者参考。
所谓的单片机的“在线仿真调试”方案，实际上就是我们把测试程序烧入单片机芯片中，让单片机脱离仿真器独立运行。在运行过程中，设计者可以通过合理有效的手段获取单片机实际运行过程中外围器件的一些状态和必要数据，检查单片机运行的程序是否符合设计要求，即所谓的“在线仿真调试”。
这种“在线仿真调试”的手段虽然得到的数据信息有限，但是也能得到一些必要的和关键的信息，对于熟练的设计人员也是可行的。获取信息的手段包括检查单片机外部连接发光二极管的状态、数码管或者液晶的显示内容、串行通讯的必要数据等。设计者可以根据所得到的状态或数据来验证程序运行的正确性。如果程序设计有疏漏，设计者需要重新调整编辑软件程序，烧入单片机后再次测试，直到圆满完成开发任务。
要想做到“在线仿真调试”，必须满足如下两个条件：（1）单片机内部的程序存储器具有FLASH功能，可以多次地把程序烧入单片机；（2）设计人员必须对所使用单片机的内部资源及周边功能都比较熟悉，能够迅速地编制出必要的测试程序。
从加快设计周期上讲，有些新开发的产品与原有产品硬件相近，软件功能差别也不大，开发任务时间又偏紧，设计人员也可以采用“在线仿真调试”的方式，即不必重画仿真目标板，直接设计生产用的线路板，只是通过改动原有的软件程序来适应新的产品要求。
从安全性上讲，有些情况下直接连接仿真器运行很危险，如目标板上有强电接入，使得强电与仿真器之间没有电气隔离，容易损坏仿真器的硬件，即使把强电用隔离变压器处理也不能保证绝对安全；有些场合程序运行时不允许中断，例如，在动态测试传动设备时，如果程序在断点停止运行后会损坏相关设备，进而造成巨大的损失。这样就必须用“在线仿真调试”来达到目的。
还有些无奈的情况，有些产品具有停电低功耗运行功能，这种低功耗工作方式仿真器无法实现仿真运行，只有脱机运行才能完成低功耗运行功能的测试工作；有些单片机厂家的单片机内部资源丰富，但是相应的仿真器很昂贵，动辄数万元人民币，租用和购买都不合适。如果研发项目需要几个人共同开发，那么在研发初期无法实现人手一台仿真器，就只有使用“在线仿真调试”的方式来节省研发设备的资金投入，并且可以不受场地限制，只需一台计算机和一个目标板，再外加一个串行TTL/RS232接口通讯模块就可以了。
“在线仿真调试”的方法给我们提供数据信息的方式有两种：一种是应用于数据量较少的系统，直接借助目标板上的显示器件（数码管或者液晶）就可以获取一些必要的信息，更有甚者，通过发光二极管也可以表达很多的状态；另一种是应用于数据量较大的系统，设计者在程序中先把数据组织好，然后借助于单片机上的异步通讯接口，通过串行TTL/RS232接口通讯模块把数据传送给计算机，在计算机上分析所得到的数据。这就像使用仿真器调试程序一样，通讯时就相当于使用仿真器运行程序至所设断点处，所得数据就相当于仿真器所得到的相应寄存器及变量的数值，唯一的区别就是这里介绍的断点是软断点，程序在执行断点后还可以继续运行。当然，设计者可以连续观察多组数据，更好地分析程序运行的流程。
我们在利用通讯接口“在线仿真调试”的时候，应把数据组织得有一定的规律，这样就可以迅速直观地检查运行结果，进而调整相应的程序段，为下一次的“在线仿真调试”做准备。这样的“在线仿真调试”虽然每次都得把程序写进单片机中，过程略显繁琐，但是所设置的软断点并不影响程序的连续执行，我们可以把多组数据放在一起比对查看，最大程度发挥“在线仿真调试”的优势。
“在线仿真调试”，实质上就是设计者编制并运行测试程序，单片机在程序的运行过程中有效地给设计者反馈出必要的数据信息，然后通过有效地调整单片机的程序来达到最理想的结果。这就要求设计者的产品设计经验丰富，处理问题时头脑灵活，对程序运行过程中发生的异常情况心中有数，并在最短的时间调整程序来完成进一步的“在线仿真调试”。
以上仅是一家之言，仅供参考。总之设计人员在进行程序设计的时候，一定要灵活地选取最安全最方便最有效的方案，不必过于教条，最主要的是要不断地积累经验，在满足产品设计要求的同时提升自己的价值。
【参考文献】
[1]单片机原理系统设计与开发应用.中国科学技术大学出版社，1995.
[2]何立民.单片机高级教程.北京航空航天出版社，2000.
[3]单片机与嵌入式系统应用.北京航空航天大学出版社，2006.9.
仿真方案设计 篇7
1.1 时钟发生电路
时钟发生电路一般可由石英晶体振荡电路和555定时器构成的多谐振荡器来构成, 本文采用石英晶体振荡电路, 该电路产生的时钟频率比较准确常用做数字电路的时钟信号。
1.2 分频器
本文采用10分频电路来实现, 用3个74LS90串联产生1/1 000分频, 获得需要的1 Hz秒脉冲信号。下面通过十分频电路为例说明分频电路的仿真, 首先创建十分频电路如图1所示。该电路有3个十进制计数器构成, 当U1计数到10时。QD产生输出脉冲, 其频率和输入信号频率相差10倍, 再通过输入到U2, U2的QD端输出脉冲频率比输出又减少10倍, 连到U3再降低10倍, 因此该电路最终可实现1/1 000分频。
1.3 计数器
整个计数器电路由秒计数器, 分计数器, 和时计数器串联而成。秒计数器和分计数器各由一个十进制计数器和一个六计数器串接组成, 形成2个六十进制计数器, 时计数器是由两个是进制计数器串接并通过反馈接成的24进制计数器。秒脉冲经过6级计数器, 分别得到“秒”个位, “秒”十位, “分”个位, “分”十位以及“时”个位, “时”十位的计时。由于上述计数器设计过程比较复杂, 受到条件限制, 为了使用方便, 直接利用Multisin7仿真软件直接构建一个60进制计数器和20进制计数器, 如图2、图3所示。
1.4 译码器
译码器是在数字组合逻辑电路设计中广泛使用的元件, 把一组二进制代码翻译成特定的信号。译码器分为数码 (通用) 译码器和显示译码器两种, 除了完成译码器功能外, 译码器还常常具有锁存, 三态选通等功能。数码译码器有3线—8线译码器, BCD码—十进制码译码器, 4线—16线译码器, BCD—锁存/7段译码/驱动器CC4511等等。本文的“时”显示由24进制计数器, 译码器和显示器构成;“分”、“秒”显示分别由60进制计数器, 译码器和显示器构成。通过译码器显示出时间。
2 Multis im7系列软件简介
Multisim7仿真软件的前身是EWB (ElectronicsWorkbench) , 创建电路选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上元件库和仪器库中直接选取。电子电路的分析, 设计与仿真工作都可通过点击鼠标实现。Multisim7的元件库不仅提供了数千种电路元件供选用, 而且还提供了各种元器件的理想值。
Multisim7基本界面主要由菜单栏, 标准工具栏, 绘图工具栏, 使用中元件表、仿真开关、元件工具栏, 虚拟元件工具栏, 仪器工具栏、状态栏、电路工作区等项组成。
Multisim7系统软件基本仿真分析方法有4种, 分别是直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析。
3 基于Multis im7系统软件进行秒信号发生电路的仿真
3.1 秒信号发生电路具体介绍
数字钟一般都由振荡器, 分频器。译码器, 显示器等几部分组成。其中振荡器和分频器组成标准秒信号发生器, 秒信号送入计数器进行技术, 把累计的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。
由第一章介绍时钟发生电路和分频器得知, 把时钟发生电路和分频器合在一起就能产生1 Hz的时钟脉冲信号, 如图4所示 (秒信号发生电路) 其中分频器生成了层次块电路, 采用逻辑分析仪来观察输出脉冲。因为1 Hz的时钟脉冲信号周期很长。激活电路后得到输出时钟信号, 测量其频率大约为1 Hz左右。
3.2 利用Multis im7仿真软件仿真出秒信号发生电路
图4所示是秒信号发生电路, 由于电路结构复杂化, 因此, 直接将时钟发生电路和分频器合在一起产生脉冲信号。
3.3 利用Multis im7仿真出时间校正电路
由于受条件限制, 该设计只是采用仿真平台, 假设当接通电源或计时出现误差时需要对数字钟进行校正。对“时”和“分”计时电路进行校正, 创建电路如图5所示, 左边是由RS触发器和开关组成的脉冲产生电路, 该电路能够消除机械开关的抖动, 右边通过两个开关J3和J4对“时”或“分”计数器进行校正。在不进行校正时, 开关设置如图5所示, 输出均为高电平, 当需要校正时, “时”计数器时, 把开关J3打开, 把开关J1来回抖动得到两路输出校正信号。
4 基于Multis im7数字钟的完整结构仿真图
数字钟是用数字集成电路构成并用数显示的一种现代计时器, 把各个部分电路连接起来, 并从指示元件库里把数码管与计数器相连, 就得到如图6所示总电路, 该电路中没有使用计时钟源, 由于仿真需要很长时间, 只是用一个函数发生器代替, 为观察进位情况可把时钟频率调高一些。
仿真步骤如下:启动仿真电路, 可观察到数字钟的秒位开始计时, 计数到60后复位为0, 并进位到分位将函数发生器输出接到图中X2的时钟输入端I01脚, 以观察分位进位是否正确。重新启动仿真, 同样可观察到分位显示数码管计数到60时进位到时位并复位为0将函数发生器输出接到图中X3的时钟输入端I01脚, 以观察时位进位是否正确, 启动仿真, 观察到时位显示数码管计数到24后复位为0。
由于受条件限制, 本章只是仿真出数字钟电路图, 以上三步只是说明该电路的计时和进位能符合设计, 从中证明设计正确性。
摘要：通过本次设计, 使我对模拟环境有了详细的了解, 它是通过方便, 直观形象的过程构建系统, 并提供了丰富的元器件资源, 强大的分析功能和可视化的体系结构是一个非常优秀, 强有力的EWB软件。
关键词：数字钟,Multisim7,仿真系统,秒脉冲
参考文献
[1]任为民.电子技术基础课程设计[M].中央广播电视大学出版社, 1997
采油仿真培训系统设计 篇8
关键词：仿真培训系统,注采模拟,动态管理模拟
0 前 言
伴随着计算机技术、系统工程与科学的迅速发展,仿真技术已经渗透到各行各业,并发挥着重要作用。因此,仿真培训是一种现代化的、高效率的培训手段,是提高操作工技能的一种有效途径[1,2,3]。
我国石油化工行业对生产和技术人员的技能培训一直十分重视,从上世纪80年代初开始着手开展仿真培训系统的应用,1987年研制开发出国内第一套基于微机的仿真培训系统,近十几年来,约有近200套仿真培训系统应用于各石化企业学校,为企业和社会创造了很大的经济效益和社会效益。但我国对采油仿真培训系统的研究却很少。目前,采油仿真培训系统所面临的现状包括:实训设备或体积庞大或造价昂贵,难以进课堂;注、采与集输过程或在井下或密封,不直观;实训内容与实训手段难以满足培训现代化的需要等。
为了能够改变上述现状,本研究设计了采油仿真培训系统。
1 采油仿真培训系统总体结构设计
根据采油工程学科体系结构,结合克拉玛依油田的特点,设计出采油仿真培训系统总体结构,如图1所示。
采油仿真培训系统由采油工程仿真培训系统与采油过程自动化仿真培训系统两大部分组成。采油工程仿真培训系统包括:注采模拟培训系统、油田生产动态管理模拟培训系统和监控与管理系统。采油过程自动化仿真培训系统包括:用于教学的采油过程自动化教程与培训软件、SCADA系统的SCADA控制室培训软件和采油自动化仪表实训在线控制系统。
2 采油工程仿真培训系统
2.1 注采模拟培训系统
该系统主要是对一些采油机理进行模拟,使学员对油、气、水在地下的流动、油气的自喷、抽油泵的工况等一目了然。该系统由6个部分组成:油藏类型培训软件、注水方式培训软件、自喷井培训软件、抽油机井培训软件、注水井培训软件和稠油井培训软件。每个培训软件又可划分若干个知识、技能点。
该软件的图形用户界面是在VB编程环境下开发的,通过调用应知内容理论课件来实现采油机理的模拟。应知内容理论课件包括:单元基本理论知识、单元工艺及设备和单元素材库。应知内容理论课件的表现形式包括文字、图片、配音、录像、动画演示等。单元素材库的素材开发以3D和FLASH两种格式为主素材,并组成了素材资源库,内容丰富,以动态形式逼真地展现注采过程、装备、管道与阀门等相关设备的内部构造、工作原理以及相关注采工艺流程的动态演示等。单元素材库可以配合投影仪直接作课堂演示之用,也可以链接到校园网上运行,便于二次开发和再利用。
2.2 油田生产动态管理模拟培训系统
该系统主要用于对高级工、技师、高级技师的培训,主要功能是对油层、自喷井井筒、抽油机井筒、井口参数变化、抽油机工况变化进行动态仿真分析,并对抽油机、井口、管线出现的生产故障进行处理。该系统软件为交互式二维和三维模拟软件,可设置参数,可模拟参数变化后的立体或平面效果,是集教师教学、学生自学为一体的多媒体网络版模拟培训软件。该软件由6个部分组成:正常生产工况模拟培训软件、地层非均质性影响工况模拟培训软件、油水井工作制度不合理工况模拟培训软件、故障井工况模拟软件和机械设备故障模拟培训软件。每个模拟培训软件又可划分若干个知识、技能点。例如,油水井工作制度不合理工况模拟培训软件按注水井、自喷油井、抽油井分类,可包括21种工况。
该软件的图形用户界面也是在VB编程环境下开发的,通过方便地调用交互式动画控件,实现能实时交互操作的图形化界面,即操作者只需在界面上用鼠标按动按钮或对话框等图符,就能对所控制的变量进行修改、设定等操作。这些交互式动画控件主要采用FLASH作为主要的交互式动画设计工具,是将音乐、声效、动画以及富有新意的界面融合在一起,针对具体生产工况及故障处理而开发的。每个动画控件均具备多个属性,属性值通过该控件的数据交互接口获取实时数据库的相关参数信息,既能模拟装置实际运行状态也能根据用户操作实时更新表现形式。
2.3 监控与管理系统
作为采油工程仿真培训平台的上层管理软件,管理系统的主要功能是完成对受训人员的信息管理、模型运行设置和对受训人员的技能鉴定、培训考核。
2.3.1 学员信息管理模块
学员信息管理模块的主要功能是有效管理学员的个人信息、培训信息和考核信息。①个人信息包括学员的姓名、年龄、编号、登录账号和密码等;②培训信息包括培训时间、培训内容、培训次数、培训计划等;③考核信息包括考核时间、考核内容、考核评价报告等。学员信息管理模块是通过设计学员信息数据库来实现的,采用SQL编程设计语言。
2.3.2 模型运行设置模块
模型运行设置模块包括初始参数设置和模型运行故障设置两个方面。①初始参数设置包括设置模型在每种工况下运行所需要的参数。②模型运行故障设置主要包括对抽油机、井口、管线可能出现的生产故障进行设置,以培养学员在操作时的应变能力。
2.3.3 技能鉴定、培训考核模块
采油工程仿真培训的目的是提高受训人员的操作熟练程度以及应对故障的处理能力,所以采油工程仿真培训系统需要一个客观准确的技能鉴定、培训考核系统。技能鉴定、培训考核系统的功能主要是对受训人员的操作特征数据进行统计,然后建立评估模型,根据一定的评价标准给出评价结果,其目的在于找出受训人员与训练标准的差距,尽快提高水平。通过技能鉴定、培训考核系统,教员可以设置选择题、判断题、填空题和实际操作题以及这些题的答案,从而形成一个题库。教员可以从题库中任意抽取题目,对学员进行考核。系统对选择题、判断题和填空题的评分主要是逐个将学员做的结果与标准答案对比,按照做对题目的数量进行评分。系统对实际操作题的评分过程主要是:记录学员的操作顺序,然后与标准操作顺序对比,如果一样即为满分,反之零分。
3 采油过程自动化仿真培训系统
采油自动化监控与数据采集系统是根据当前的采油自动化管理需求,采用当代先进的工业自动化测控技术和网络技术,集采油生产监测、控制、分析和管理于一体的综合系统。其中,已经在克拉玛依陆梁、石西油田投入使用的SCADA监控与数据采集系统,是结合新疆地区油气田生产工艺的特点而研制开发的,为克拉玛依油气田地面建设自动化工程提供了独特而开放的平台。本研究设计的采油过程自动化仿真培训系统主要由两部分组成:用于教学的采油过程自动化教程与培训软件、用于仿真克拉玛依某油田某站正在使用的SCADA系统的SCADA控制室培训软件。
3.1 采油过程自动化教程与培训软件
从事采油生产的工程技术人员,不但要全面掌握工艺、专业方面的知识与技术,还必须系统地了解有关仪表及自动化方面的知识和技术,才能保证采油工艺生产的正常与高产。根据克拉玛依采油自动化现场生产的需要,采油过程自动化教程的内容应包括自动化检测控制执行基本装置的介绍、自动化控制系统的介绍以及典型生产流程自动化方案的介绍。该教材的重点内容是自动化控制系统网络通讯的介绍、自动化计算机控制系统人机界面监控软件的介绍和采油自动化SCADA仿真系统的介绍。跟采油过程自动化教程配套的是一些供培训使用的过程自动化软件。采油过程自动化教程与培训软件不但为采油工程平台仿真培训系统提供教材支撑,还能满足克拉玛依油田工人学习现代采油过程信息自动化知识的需要。
3.2 SCADA控制室仿真培训软件
该软件是SCADA中央控制仿真实训室最重要的软件,其作用是为采油工程技术与管理人员提供一个可供学习的、仿真的SCADA控制系统[4]。该软件是在IFIX平台下开发的,以新疆克拉玛依某油田正在运行的采油监测、控制的历史数据为数据源,模拟一段时间内整个油田所发生的典型生产行为过程。该软件的人机界面的背景图案还可以模拟油田的外景,使学员犹如身历其境,从而了解油田野外自然环境。通过学习该软件,学员能够对:中央控制室的工作环境,SCADA控制系统的操作过程与使用,历史记录的分析、处理,以及SCADA控制系统的结构、功能[5]、技术特点等有较清晰的认识。
4 采油仿真培训软件系统设计
4.1 采油仿真培训软件系统的设计思想
采油仿真培训软件系统基于C/S架构,采用面向对象的设计方法,对系统内的各个部分实行模块化管理,提供直观、友好且功能强大的图形界面GUI。各个程序和模块的运行是基于该系统的核心软件——位于服务器的实时数据库。实时数据库的数据源是来自于工艺模拟软件或SCADA控制系统的历史/实时数据。教师机通过局域网与学员操作站相联系,采用TCP/IP协议进行通信。受培训者在操作站上按规定进行相关内容的学习和操作,其操作参数上传到服务器上的实时数据库,通过工艺模拟运算更新实时数据库的相关数据后返回,最后结果反映在操作站界面上,从而模拟实际的生产过程或工艺装置来达到培训的目的。在开发时将工艺模拟软件和实时数据库合二为一,省去了两者进行通信时的时间开销,可以加快整个系统的运行速度。
4.2 采油工程仿真培训软件系统
采油工程仿真培训软件系统由学员机、教师机、服务器组成,采用C/S架构,其客户端软件采用通用的VB软件,通过在VB软件中调用能够模拟采油工程的二维或三维动画来实现采油工程仿真。客户端与服务器的数据交互采用OPC通信技术。服务器端配置有工艺模拟软件,可动态响应教师机和学员机的操作指令,产生仿真数据。采油工程仿真培训软件包括注采模拟培训软件、油田动态管理模拟培训软件和监控管理软件。其结构图,如图2所示。
4.3 采油过程自动化仿真培训软件系统
该软件系统主要包括在IFIX平台下开发的、用来仿真克拉玛依某油田某站正在使用的SCADA系统的SCADA控制系统仿真培训软件。SCADA控制系统仿真培训软件为采油工程技术与管理人员提供了一个可供学习的SCADA控制仿真系统,该系统以新疆克拉玛依某油田正在运行的采油监测、控制的历史数据为数据源,能够模拟一周的典型工况、整个油田所发生的典型生产行为过程。该软件既可以单机使用,也可以联网使用,系统体系结构优化、合理、灵活,性价比高[6]。
采油过程自动化仿真培训软件系统由学员机、教师机和服务器组成,采用C/S架构,其结构图,如图3所示。
客户端与服务器的数据交互采用OPC通信技术。客户端软件采用SCADA控制系统仿真培训软件。服务器端配置有OPC服务器,以SQL接口访问某油田的历史数据并作为客户端的数据源。服务器端配置有工艺模拟软件,可动态响应教师机和学员机的操作指令,产生仿真数据。客户端设置了教师和学员两种工作模式。学员机的操作界面完全模拟油田实际SCADA控制系统操作界面。教师机配置有SCADA控制系统监控软件,能手动设置数据或工况,培训学员在各种工况下的操作和处理能力。
5 结束语
本研究设计的采油仿真培训系统可用于各类专业技术人员(特别是高技能工程技术人员、管理干部)的培训,满足油田生产与发展对采油工技能培训与鉴定的需要,达到提升学校办学水平与地位、为油田培养更多的高技能型人才、面向行业推动职业技能培训工作的现代化改革的目的。该系统基本上囊括了采油工程学科所涉及的各个领域,反映了油田当前采用的先进技术,对油田的生产与发展有着巨大的推动作用。
参考文献
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仿真方案设计 篇9
随着中国民用航空交通流量的持续快速增长, 空中交通管制和空中交通流量管理技术对未来空中交通态势的感知能力要求越来越高。通过仿真来模拟未来飞行态势是验证和评估当前决策的有效方法, 赵嶷飞等探讨了基于计算机网络的空中交通流量仿真技术方案[1], 杨振鹏等通过分析空中交通管制的各种要素, 建立了仿真环境框架和仿真环境模型[2], 李云冲等提出了基于静态的飞行计划数据雷达仿真系统设计方案[3]。
但目前的这些飞行态势仿真技术多以静态的飞行计划数据和模拟数据为基础, 没有考虑仿真过程中的各种实际变化因素 (如实时雷达信号、飞行计划变更情况、气象条件、军事活动影响、空管设备运行状况等等) 。例如对未来2～4h的飞行态势进行仿真时有一架飞机已经起飞, 则可以利用当前起飞报得到飞机的实际起飞时间, 利用当前雷达信号得到飞机实际位置信息和飞行状态信息, 还可以利用已有的气象预报信息和在仿真期间接收到的气象实况报文信息计算预测轨迹所受到的影响, 同时结合当前已有空域状态信息和仿真阶段新接收到的军事活动信息和航行情报可以比较准确地把握仿真阶段的空域态势[4,5,6]。否则, 仅仅只考虑静态数据和模拟数据虽然可以对一些特定情况下空中交通态势进行仿真模拟, 但对于战术阶段或预战术阶段的仿真如果忽略那些已经可以预测或即将得到的预测信息将导致仿真结果较为理想化, 缺乏合理性和准确性, 与实际运行状况偏差较大。
本文设计的空中交通动态仿真系统在仿真过程中引入飞行情报、雷达信号、天气预报、导航设备运行状况等实时数据, 对仿真飞行态势进行实时修正, 同时提供工具对仿真过程进行实时的人工动态调整, 以此来弥补静态仿真的单一性。
1 系统架构方案
1.1 系统物理结构
借鉴近地空域环境仿真模型的框架设计思路[7]系统包括了前端数据处理、数据库、服务器仿真数据计算、仿真显示以及模拟终端共5大模块, 其系统结构如图1。
1.1.1 前端数据处理
对所有接入仿真系统的实时动态数据进行预处理, 判断数据的有效性, 完成军民航飞行情报转换、气象情报解析、设备运行状况监视信息分析等等, 并将规范化数据存入数据库。
1.1.2 数据库
提供空域、航路、航线的基本结构信息和航空器的基本性能参数, 保存仿真计算需要的所有数据和仿真结果。
1.1.3 服务器
完成仿真运行所需的所有数据运算, 是系统核心, 主要功能有两个部分:
(1) 飞行轨迹动态预测与修正:
根据不同的飞机机型建立相应的飞行模型, 从飞行计划中得到其飞行路线和指定巡航速度, 结合经验飞行时间预测出飞越每个航路点的时间、速度。在飞机起飞前, 根据飞行计划动态电报实时修正预测结果 (如根据起飞报可以准确的得到飞机实际起飞时刻) , 在飞机起飞后, 用实时雷达数据对已有的预测做出修正, 使得预测数据不断趋近于真实数据。在全程飞行过程中, 考虑气象条件 (如高空风) 对飞行的影响, 进一步提高预测精度。
(2) 空域运行状况预测:
根据军航场内、场外飞行训练计划和炮射计划提取禁区、限制区和危险区的使用信息 (如激活时间、高度限制、影响范围等) ;根据未来天气预报提取仿真空域范围内的气象信息;然后结合空管设备运行状况信息预测空域的实际运行状况;默认的空域运行状况为理想状态, 只考虑空域固定的航路、航线结构, 不考虑任何动态因素。
1.1.4 仿真显示
融合服务器计算的飞行目标轨迹、空域态势信息以及地理信息, 完成空域飞行态势仿真显示。
1.1.5 模拟终端
根据仿真需要产生各种模拟信号 (如雷达数据、飞行情报、气象情报和设备监控信息) , 同时提供空域结构编辑并生成GIS图层的功能。
1.2 系统逻辑结构
系统采用Windows操作系统, 在ATC系统基础平台上构建各功能模块, 所用信息均直接从ATC系统中引接:雷达信号采用经过多雷达融合处理后输出的系统综合航迹、飞行情报信息采用AFTN电报处理系统和FDP系统处理后的相关数据、气象情报以及航行情报等数据也都是经过ATC系统接收、解析处理后的输出数据。其系统逻辑结构如图2所示。
1.3 系统软件结构
系统的核心功能模块主要有:轨迹预测与动态修正、静态空域态势分析与动态修正、飞行态势显示与人工动态调整。各功能模块划分及结构如图3所示。
2 关键技术实施方式
2.1 轨迹预测的动态修正技术
在已有轨迹预测方法基础之上, 系统增加了动态修正技术:利用仿真期间接收到的实时气象信息、AFTN电报信息和雷达信息对仿真开始前预测到的4D信息进行修正, 其程序流程如图4所示, 其中气象信息对预测轨迹的影响主要通过实时提取重要天气报告SIGMET、日常航空天气报告METAR、特殊天气报告SPECI、航站天气预报电报FT、航路天气预报电报ROFOR和航空区域天气预报ARFOR中高空风的风速、风向、高度和作用范围等具体数据项, 然后通过将风的速度矢量投影到目标轨迹的速度矢量上来计算高空风对预测轨迹的影响。
2.2 空域态势分析的动态修正技术
另外, 系统在默认空域态势分析的基础上也增加了动态修正的技术:实时接收气象服务部门发来的天气预报信息 (主要提取影响航班正常飞行的恶劣天气信息, 如雷暴的作用范围、运动方向和速度等) 仿真未来空域气象条件, 根据航行情报和军用飞行计划中的场内、场外飞行训练计划TPI、TPO以及炮射计划报STG提取军事活动空域状况的详细信息, 根据导航设备监控信息提取各类空管设备运行状况, 然后将各种影响空域态势的动态因素叠加在基于GIS信息的、静态的默认空域态势信息上, 实现对未来空域态势的比较准确的仿真。其程序流程图如图5。
2.3 人工动态调整
利用模拟终端可以根据仿真需要人工调整航路、航线结构[8], 可以人工模拟军事、气象以及空管设备运行状况等信息, 以此来模拟仿真不同的空域结构和运行条件。同时在仿真过程中, 可以人工手动调整飞行航迹的未来航向、航速和飞行高度, 灵活地对各种情况进行仿真。
对于系统中的人工动态调整功能, 其主要实施方式体现在如下3个方面。
2.3.1 空域结构调整
根据仿真需要, 对读入航路、航线、空中走廊、导航台、扇区等各级空域单元结构数据进行、添加或修改等编辑工作, 然后另存为临时数据, 同时生成新的GIS图层发往仿真显示端更新显示;
2.3.2 空域运行环境调整
通过模拟终端产生军事活动信息、特定气象条件和空管设备运行状况等信息发往服务器和显示端, 模拟特定的空域运行环境;同时在仿真过程中可以人工动态修改各种模拟信号, 以此来实现空域运行环境的动态调整。
2.3.3 飞行轨迹调整
通过模拟终端产生模拟的雷达信号和飞行情报数据, 利用雷达数据和飞行计划配对后的相关信息人工调整计划航迹的未来航段, 然后自动调整模拟雷达目标的速度大小、方向和飞行高度, 从而实现飞行轨迹的动态调整。
3 总结
本系统方案综合考虑了各种影响军民航飞行安全和效率的主要动态因素, 将部分实时信号引接到仿真过程中, 与传统静态仿真方法相比能够更加灵活、准确地仿真空中交通飞行态势。同时, 通过模拟终端根据仿真需要生成各种模拟数据来仿真不同的空域结构和运行态势, 可为空域管理与规划、空域容量评估、空中交通管制和流量管理等领域提供更加合理有效的决策支持。
参考文献
[1]赵嶷飞.空中交通流量管理仿真系统方案研究.中国民航学院学报, 2003;3:27—29
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[7]王曙钊, 刘兴堂.近地空域环境仿真模型的框架研究.系统仿真学报, 2005;17 (8) :1793—1797
仿真方案设计 篇10
许多无源微波器件和系统的电磁仿真软件已相继问世,但各软件的侧重点不同,分析方法也不一样。其中,Ansoft公司的“HFSS V9”高频结构仿真器就是其中一种。
HFSS V9[1]在强大、直观的环境下为研制微波、射频,高速数字部件及系统,提供了无可匹敌的精确度。在HFSS的桌面上,你能找到HFSS的全套功能,这是一个可以完全支持基于三维电磁场设计的界面。除了直观的视窗特性外,图形项目树提供了广为熟知的HFSS设计流程的传统风格。利用Ansoftlinks接口,设计师可将HFSS和现有的EDA和MCAD设计流结合起来。利用与Cadence、Mentor Graphics,Synopsys以及Zuken的接口,还可链接到外部的设计流,从而支持Hspice、Pspice及Maxwell SPICE实现精确的宽带电路仿真。全参数化的电路模型还可支持在Ansoft Disigner和其他电路与系统设计工具中进行精确的高频电路设计。
HFSS能进行全面的全参数化设计,从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软件强大的参数化三维建模能力和高性能的图形能力,大大节省了工程师的设计时间。直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师所希望的设计结果。利用Optimetrics可自动实现最优化和参数化扫描设计,且很容易在桌面上同一项目树中直接访问进入。在优化设计分析技术中增强了敏感性分析和统计分析功能,其利用HFSS参数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能变化。
HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。视窗、对话框、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配置缺省来支持个性化参数定义。使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令。另外,通过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。脚本也能支持强大的宏记录,可以用来定义参数化几何结构,执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个设计流程。
本文主要对HFSS软件中所应用的电磁场三维有限元法和其它基本原理进行简要介绍,并对一三端口器件对称Y分支(H面并联分支)进行仿真分析,观察了该器件的S参数和动、静态场的分布情况,并对该器件进行了优化设计。
2 三端口元件的基本原理
无耗三端口网络的基本性质
a、无耗互易三端口网络不可能完全匹配,[2]三个端口不可能同时都匹配。
b、无耗三端口网络若完全匹配,即必定是非互易的,且为一个环行器。
c、对于无耗互易三端口网络,如果在任意端口接以短路活塞,则总可以找到活塞的一个位置,使其他两端口之间没有能量传输。
d、如果无耗互易三端口网络对于接有短路活塞的端口波导是对称的,则总可以找到活塞的一个位置,使能量在其他两端口之间无反射的完全传输。
矩阵波导对称Y分支结构及其等效电路图1如所示,分为E面分支和H面分支两种。前者为串联分支,后者为并联分支[3]。
这种对称Y分支,各个端口都具有对称性,由等效电路1中各个端口电压的方向可以看出,S11=S12=S33 ;其次,若以相同功率分别输入到端口p1(p2,p3),则在端口p2(p3,p1)的输出功率相等,于是有S21=S32=S13,同理有S31=S12=S23。因此,得到E面和H面对称Y分支的矩阵S相同[4],即:
由性质a可知,对称Y分支不可能完全匹配,则有:
0<|S11| (2)
显然,最佳状态是|S11|为最小,而|S12|为最大,根据幺正性得
|S11|2+2|S12|2=1 (3)
|S12|2+S11S*12+S12S*11=0 (4)
即 |S12|2+2|S11||S12|cosθ=0 (5)
式中θ=argS11-argS12 (6)
从式中解出
所以
从而有
3 HFSS对三端口元件的仿真设计及其实验结果实验步骤
第一步:画出三端口元器件对称Y分支(H面并联分支)的几何模型。
第二步:定义X坐标轴上的端口为输入口,并定义各端口长度为可变变量。
第三步:输入器件的原始数据,包括:
求解的起始频率 8GHz
求解的终止频率 10GHz
求解频率间隔 0.05 GHz
自适应分析的频率 10 GHz
自适应分析的次数 3
自适应分析时S参数的精度 0.02
第四步:分析。分别设定变量offset=0,offset=2,然后由HFSS自动分析该三端口器件的S参数。如下图:
蓝色、深绿色、黑色线段表示当offset=0时,在各端口处的S参数值;红色、粉红色、绿色线段表示当offset=2时,在各端口处的S参数值。
第五步:取offset=0, 创建该三端口器件的静态场图。
第六步:激活场图。通过激活该三端口器件的场图,可以动态的观察电磁场的分布情况。如下图所示:
1. 当frame=2,phase=20deg时,场图如下:
2. 当frame=5,phase=80deg时,场图如下
3.当frame=9,phase=160deg时,场图如下:
第七步:对该三端口器件进行自动优化设计。
当端口长度变化时,其S参数与变量值之间的对比关系图如下:
当端口长度变化时,其功率分配与变量值之间的对比关系图如下:
第八步:变量不同时,该三端口器件的损耗值图标如下:
4 结束语
高频结构仿真器不仅可以对微波器件进行仿真分析,而且可以利用它进行全新的微波器件设计。HFSS V9在提高设计性能和减少制造成本的同时,还大大缩短了研制时间。HFSS V9新增的强大功能将有助于射频/微波和高速数字部件的工程师增强其设计能力,除了HFSS长期以来所特有的精确特征外,V9在设计流程效率方面新的强大优势更是设计者在以前难以获得的。
摘要：本文讨论了用Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)进行微波器件仿真设计和电磁场计算的方法。本文利用高频结构仿真器(HFSS)对一三端口器件对称Y分支(H面并联分支)进行仿真分析,观察了该器件的S参数和动、静态场的分布情况,并对该器件进行了优化设计。
关键词：高频结构仿真器,S参数,场分布
参考文献
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仿真方案设计 篇11
摘 要：生物模拟仿真实验课件由于其成本低、危险性小、可反复操作等特点，现已成为生物实验教学的一种有效的教学工具。本文就笔者亲身参与生物模拟仿真实验课件设计开发过程中，对于设计开发的关键技术环节进行了总结，以期为今后相关实验的设计开发提供参考和借鉴。
关键词：生物仿真实验；课件设计；课件开发
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2009）04-0059-04
一、引言
生物学是建立在科学实验基础上的自然科学，科学实验不仅是推动生物科学发展的重要力量，也是生物学教学不可缺少的组成部分。通过科学实验培养学生的实验基本技能和能力是培养学生生物科学素养的要求，也是生物学教学的重要任务。[1] 但是在传统的生物实验教学过程中，由于实验空间的限制，大部分学生无法全方位观察到实验的过程，对于一些操作细节和难点更是难以重复演示，每次实验都会造成实验材料的重复浪费，这些都给生物实验带来许多困难，难以达到使学生掌握学习实验基本技能和能力的培养目标。[2]
模拟仿真技术的出现给生物实验带来了新的生机，它组合图像、动画、视频、声音等多种信息，提供形象逼真的实验器材和材料，生动逼真的模拟实验操作过程，成为实验教学的一种有效的教学工具。模拟仿真实验还具有成本低、危险性小、可反复操作等优势，受到广大实验教学人员和学生的欢迎。鉴于此，西北师范大学教育技术与传播学院杨改学教授决定开发一套生物动植物模拟仿真实验课件。笔者有幸参与了此次设计开发的全过程，对于设计开发中的一些关键环节进行了总结，希望能够为今后类似实验的开发提供参考和借鉴。
二、生物模拟仿真实验课件的系统设计
生物模拟仿真实验课件的设计开发是一个系统工程，需要多学科教学人员共同参与，各个环节认真准备，因此，设计开发的准备工作就显得尤为重要。
1.模拟仿真实验课件内容的选择
由于该模拟仿真实验课件定位是中学、中职和高校生物动植物实验的自学及辅助教学使用的课件。因此，我们选择的实验内容必须是中学、中职和高校生物实验中都有的实验内容；选择的实验内容都能涵盖生物试验中植物和动物标本制作实验中的多个类别，还具有一定的代表性。通过实际的调查和需要，我们选择了植物方面的木槿标本制作、淀粉粒的观察、洋葱磷叶表皮细胞和金色狗尾草标本等10个实验内容，选择了动物方面的蝴蝶标本、家鸽标本、家兔标本等5个实验内容。
2.模拟仿真实验体系结构的设计
为了加快实验课件的开发进度，我们采取模块化的开发思想，将所有实验内容按照动物和植物分为两类，分别制作成DVD光盘。教学系统设计中，我们按照生物实验的要求，将实验分解为实验准备、实验步骤、实验视频和模拟实验四个基本的过程，这样模块化的分解有利于开发工作的同步进行。其整个模拟仿真实验体系结构如图1所示。
生物模拟仿真实验的体系结构都是通过Authorware 7.02软件设计制作的，目录下面包括具体的每一个模拟仿真实验，是一个完整的体系。实验准备、实验步骤部分以文本的形式分别呈现实验材料、实验器材、进行实验操作的详细步骤以及实验过程中需要注意的事项，主要是帮助学习者了解实验的具体情况，做好实验前的准备工作。
实验视频是通过对一个完整的教师实际操作过程的全方位拍摄，运用Premiere pro7.0视频编辑软件制作而成。视频不仅清晰，而且伴有详细解说，让学习者全面了解整个实验过程，学习者可以通过暂停、回放等功能，仔细学习每一个实验操作技能。
模拟实验是整个课件的核心部分，学习者进入模拟仿真学习时，可以操作工具区的工具和实验材料，通过拖动、点击等操作进行交互，按照实验步骤进行，操作错误都有相关的提示，引导学习者正确操作。在实验模拟操作完成后，系统会自动询问“实验操作完成，是否重新操作该实验？”如果点击“是”按钮，系统就自动跳转到实验开始，学习者进行再次实验操作练习。如果选择点击“否”按钮，系统就自动返回目录，学习者可以选择学习其它实验内容。另外，我们在课件的设计中还加入音乐，让学习者在轻松的气氛中学习实验的基本技能和能力，学习者也可以选择关闭音乐。
3.设计、开发人员的组成
生物模拟仿真实验课件的开发是一项系统工程，需要生物学科、教育技术学科等多学科人员的共同参与。在设计开发过程中，为了保证开发工作的效率和质量，我们成立了专门的开发团队，有生物学科专家、生物学实验教师、生物学学生、信息技术教师，软件设计、教学设计、计算机教师、播音以及美工人员等。为了便于管理，我们将所有的人员分为平台搭建组、界面设计开发组、技术攻关组及素材处理组，各个小组同时进行设计开发，保证了开发的效率。
三、生物模拟仿真实验课件的系统开发
此次生物模拟仿真实验课件的系统开发是严格按照软件开发的流程，包括教学设计、系统设计、脚本编写、素材加工、程序实现、试用修改和产品出版等各个环节。[3]下面主要就本课件核心部分的设计与实现过程进行介绍。
1.设计开发工具的选择
工欲善其事，必先利其器。选取优秀的开发工具是课件开发成功的基础和保障。此次课件开发的思想是选取的开发工具技术难度低、跨平台性好、交互性好、界面美观。
通过调查发现Visual Basic、3D MAX、Macromedia Flash等软件都具有开发课件功能，但是通过比较和实际经验，我们选择了Macromedia Flash 8作为我们模拟实验模块开发的主工具。该软件是矢量图形编辑和动画创作专业软件，本身具有强大的动画创作功能，还自带了面向对象编程的ActionScript 内置脚本语言，这极大地增加了课件设计及创作的自由度，开发者在不必编写大量程序的情况下就能够轻松开发出交互性极强的仿真实验。
Authorware 7.02软件是一种基于图标和流线的多媒体开发工具，该软件最大的特点在于能够将各种文字、图片、声音、视频等素材进行组合，而且其交互性非常好，因此，选择其作为课件平台搭建的工具软件。在开发过程中，我们还使用了其它一些工具软件，Adobe Photoshop CS用于处理图像，Cool Edit音频编辑软件处理声音信息，Premiere pro7.0视频编辑软件用于编辑实验视频，这些软件都辅助生物模拟仿真实验课件的开发。
2.平台的搭建与实现
生物模拟仿真实验课件的平台是运用Authorware 7.02软件搭建的，分为动物实验课件平台和植物实验平台两部分，其平台的体系结构是相同的，都有三层。第一层结构如图2所示，主要是首页、按钮、课件标题文本和各个实验。第二层结构如图3所示，主要是背景、音乐开关、菜单以及实验的四个部分。第三层是实验的具体每一步骤的实现，包括文本、视频和模拟实验的嵌入。
视频的嵌入方法：双击【实验视频】群组图标，进入第三层，拖动【数字电影】图标到主流程线上，右击【属性】菜单，单击【导入】按钮，导入实验视频，进行属性设置后即可。嵌入模拟仿真实验方法：双击【模拟实验】群组图标，进入第三层，单击【插入】【媒体】【Flash Movie】菜单，弹出【Flash Asset Properties】对话框，单击【Browse...】按钮，然后选择自己的模拟实验，最后单击【OK】按钮即可将Flash 文件导入Authorware 7.02流程图中，完成模拟实验在平台中的嵌入。
3.界面的设计与实现
模拟仿真实验的界面是学习者和计算机进行交互的平台，学习者在操作过程中获得反馈信息以便继续下一步的操作。因此，交互界面的设计对于我们的模拟实验至关重要。在此次生物模拟仿真实验的设计中，我们的界面设计如图4所示。
我们将实验的操作平台分为实验工具材料区和实验操作区，如此划分的目的在于，使学习者明白实验所用到的材料和实验仪器工具，明白实验的操作顺序。在实验工具材料区，我们将仪器和工具都做成按钮元件，不仅便于控制和操作，而且当学习者将鼠标移到其上时，自动变大，这样可以防止错误的操作。在实验过程中，我们对于下一步的操作用红色闪烁箭头标示，学习者可以很方便地找到需要的仪器继续实验。
在软件的测试过程中我们发现，其实很多学生对于实验过程并不熟悉，操作过程中存在交互问题，因此我们设计了实验注意和实验提示区（如图4所示），集中在操作区的左上角，对实验的下一步操作进行提示，以免造成学生的误操作。实验注意事项则主要是对实验中的重点和需要注意的问题，给学生以提示，确保学生在操作过程中熟记每一步的操作技巧和要领。
4.微观技术的实现
生物学科由于其实验对象的特殊性，许多实验都是需要进行微观操作的，比如本课件中的木槿标本、洋葱磷叶表皮细胞、淀粉粒的观察以及蝴蝶标本等都需要微观操作，如图5所示。
对于模拟实验中的微观技术我们采用了Flash中的“遮罩层”，如图6所示。它是Flash中一个非常特殊的功能，利用它可以实现特殊形式的动画。如果将某一层设为遮罩层时，其下一层就是被遮罩层，遮罩层的图形可以是任意图形，如图5中就是一个圆形，这就是“视窗”。Flash播放时，被遮罩的对象就是通过“视窗”显示出来，而视窗之外的东西就被遮罩住了。[4]
如图6所示，遮罩效果的实现方法具体如下：首先，在原图层上新建图层并命名为“大标本”，然后将原图放大到适中后插入到该图层，并移动使其与原图的位置基本吻合。其次，在“大标本”层上新建层并命名为“遮罩层”，在遮罩层上新建层命名为“遮罩框”，然后用工具区的圆形工具绘制圆形，并调整大小和透明度，将其移动到适合的位置。将圆形的内部作为遮罩部分，留在遮罩层，将圆形的边框剪切后粘贴到“遮罩框”层。最后选中遮罩层右击，将该层设置为【遮罩层】命令，图层自动锁定，这样就形成了如图5的放大镜效果，形象逼真。这样的显示效果有利于学生理解实验操作的技巧。
四、结束语
通过后续的课件调试、评价以及封装等工作，整套课件现已开发完成，该生物模拟仿真实验课件拟于2009年在高等教育出版社出版。虽然设计开发的工作告一段落，但是整个设计开发过程中出现的一些问题还是需要我们注意，视频素材的处理技术，Flash的高级脚本语言的编写，以及开发人员的有效组织和协调的问题，还有在具体实验教学中如何更好的运用该课件的问题，这些都需要我们持续地关注和研究。
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数控系统仿真软件设计 篇12
采用移植复用现有数控系统软件的思路,仿真软件的总体结构如图1所示。
(1)μC/OS_WIN
原有数控系统软件是运行于μC/OS-II的,因此首先在Windows上模拟μC/OS-II操作系统,换言之是将其移植到Windows应用程序的一个线程中,数控系统软件所有任务均运行在这个线程中。
(2)Virtual Diver
虚拟驱动,在Windows平台实现与原接口一致的驱动程序,包括文件系统、键盘驱动、显示Frame Buffer、外设接口等。
(3)CNC Kernel
移植原数控系统应用软件,包括GUI、加工程序预处理、PLC控制、运动控制等。与上述(1)、(2)所实现的虚拟操作系统及虚拟驱动组合,运行在Windows平台之上。
(4)Windows Framework
Windows界面程序,主要实现以下功能:
以Windows窗口模拟键盘和显示屏,实现键盘输入和界面显示;
进行机床运动和工件切削三维仿真显示;
主轴、刀架、卡盘、机床面板等I/O设备的输入/输出信号逻辑模拟,根据虚拟驱动的I/O模块的输出信号进行动作,并根据真实的信号逻辑时序设置输入信号。
2 Virtual CNC
下面将简要描述前1节软件结构图中所定义的Virtual CNC三个部分的设计。
2.1μC/OS_WIN(μC/OS-II模拟)
将μC/OS-II进行基于Windows线程的移植[1,2],需要实现时钟TICK的获得,模拟时钟中断以及任务切换。仿真软件本身是运行在Windows上,不需要强实时性,因此采用Windows的软件定时器,通过使用定时精度为毫秒级的time Set Event()函数来产生模拟时钟TICK。其函数原型:MMRESULT time Set Event(UINT u Delay,UINTu Resolution,LPTIMECALLBACK lp Time Proc,WORD dw User,UINT fu Event),将需要周期性执行的任务定义在lp Time Proc回调函数中,从而完成所需处理的事件。调用这个函数后会增加一个线程,时间一到则在这个线程中调用回调函数。
time Set Event()函数调用定时回调函数是和主线程同时被Windows操作系统调度的,并没有起到中断的作用。所以在调用定时回调函数lpTime Proc的时候必须停止主线程的运行,退出回调函数则恢复主线程的运行,这些事情都放在定时回调函数,也就是μC/OS-II的时钟中断处理函数中完成。
如图2,这里的任务上下文和μC/OS-II在x86上移植的上下文很相近,不同点只是段寄存器不用保存,因为在Windows下的μC/OS-II任务其实只是在同一个线程中切换,而且在保护模式下段寄存器,其值在同一个线程中是不会变的。
2.2 Virtual Driver(虚拟驱动)
Virtual Drive虚拟驱动层为CNC Kernel提供必需的与硬件交互的接口,包括文件系统、键盘驱动、显示Frame Buffer、外设接口等。
(1)文件系统。在数控系统中使用的文件系统与Windows文件系统不同,在虚拟驱动层中使用Windows文件系统接口函数,按照原数控系统软件的文件系统接口进行封装。
(2)键盘驱动。键盘驱动包括按键输入和指示灯输出。数控系统软件通过键盘驱动获取键盘按键状态,输出指示灯状态。
(3)显示Frame Buffer。为数控系统软件提供屏幕输出的显存空间,由仿真软件Windows界面应用程序读取后还原为位图进行模拟LCD的输出。
(4)外设接口。包括模拟电压输出,伺服轴移动增量输出,PLC的输入输出端口,编码器反馈输入等。
(5)额外的接口。如电源开关,实际上是进行相关的准备工作后,创建或退出模拟μC/OS-II的Windows线程。
2.3 CNC Kernel(数控系统软件)
在实现了虚拟的操作系统和驱动层后,系统软件的移植非常简单。模拟的数控系统软件运行在以Windows线程虚拟的μC/OS-II系统之上,数控系统软件的所有任务均运行在一个线程中,且只模拟了时钟TICK中断。仿真软件无实时性要求,所以可将为轴运动数据处理在优先级最高的任务中进行,周期性的调用中断服务函数。图3为轴运动数据处理任务的流程。
3模块化设计
为适应多种类型数控系统及机床的可选择配置功能,以及软件的可维护性,将仿真软件分为以下模块。
Virtual CNC——提供访问各种数控系统信息的接口库。
CNC Panel——数控系统操作面板库,根据Virtual CNC提供的接口,仿真数控系统显示及键盘。
Logic Simulation/3D View——机床/工件三维视图,机床逻辑部件仿真,碰撞检测,剪切运算等。
Application/Main Frame——应用程序/主框架,子窗口容器,消息路由,命令处理。
Resource——应用程序资源,工具栏/菜单/字符串等。
Misc Setting/Calculate——刀具设置、毛坯设置、工件测量。
从软件模块划分,数控系统仿真包含(1)Virtual CNC和(2)CNC Panel两部分,机床仿真包含(3)Logic Simulation/3D View和(6)Misc Setting/Calculate。每种数控系统对应(1)、(2)两个动态库,每种机床对应(3)、(6)两个动态库。
仿真软件提供选择数控系统和机床配置的用户界面,用户从多种类型的数控系统中选择出一种,然后再从匹配这种系统的机床中选择一台机床,将数控系统和机床装配成数控机床进行仿真,即根据选择分别装载对应的动态库到应用程序进程中。
4结束语
作为数控系统产品及机床加工仿真的软件工具,仿真软件应尽量真实的模拟现实,才能为应用培训及产品推广起到良好的效果。移植嵌入式系统软件到Windows平台,使用可配置、模块化的软件框架进行数控系统仿真软件的开发,实现了对多个数控系统系列产品的仿真,并经过用户使用验证,仿真软件与真实数控系统的人机交互几乎一致,达到了预期的仿真效果。
依据上述的思路,理论上还可以在Windows平台进行数控系统应用软件开发,根据运动控制的输出进行3D图形仿真直观的零件加工理论测试[3,4],可以很方便地提取相关的数据作为测试依据,少去许多设计阶段在开发板上调试的繁琐、费时的工作。在Windows环境下进行理论测试,分析问题时可以排除其它如硬件或驱动器等外部因素,通过测试后只需很少的工作将数控系统应用软件移植到目标嵌入式系统之上,再进行产品测试,这样也能节省大量的功能测试的时间。
参考文献
[1]Jean J.Labrosse.嵌入式实时操作系统μC/OS-II[M].北京:北京航空航天出版社,2006.
[2]百度文库.VC环境下μC/OS-II移植[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/63258bafdd3383c4bb4cd24c.html.
[3]周静,陆宝春.数控仿真系统三维建模技术研究[J].机床与液压,2007(4):68-70.