仿真系统通信设备

仿真系统通信设备（共12篇）

仿真系统通信设备 篇1

“五大”体系建设新模式实现顺利导入后, 对人才素质提出了更高要求, 尤其是在科技含量、技术水平要求高的电力通信信息专业, 更需要高素质、复合型的通信专业人才, 这类人才, 不仅需要具有丰富的电力通信信息专业知识, 更需要能够横跨通信、信息两大专业, 具有丰富的电力通信、信息设备运行维护经验, 才能更好的适应“五大”体系建设后通信人才的需要, 为“五大”体系提供坚强的通信支撑。基于这种需要, 信息通信公司综合自身人员、设备情况, 统筹安排, 按照通信模拟仿真系统建设方案, 落实人员、地点、设备, 建立健全仿真系统日常管理制度, 建立了全省首家通信信息模拟仿真系统, 开创了我局“五大”体系建设后通信人才培训新局面。

1 建立仿真系统的必要性

1.1 通信信息网络现状

齐齐哈尔电业局通信光传输网络SDH现有中兴设备60多台, 设备类型包括ZXMP S320/ZXMP S330/ZXMP S360/ZXMP S380/ZXMP S385五种型号。以2.5G和622M两个光纤环网为核心。2.5G光纤环网由5台设备组成, 附挂1个155M子环网。622M光纤环网由13台设备组成, 附挂3个155M子环网。主要传送调度数据网、继电保护、图像、综合网管监控通道等2M复用信息。复接设备PCM有120多台, 设备类型主要有深圳泰科3630、沈阳仕得蓝马可尼XMP1、北京西科德萨基姆FMX12、北京讯风BX10等。主要传送调度电话、远动信号、电量信号、集控信号、电源监控等64K业务。齐齐哈尔电业局信息网络在去年年末刚刚从思科交换机全部更换为H3C网路交换机, 新厂家的设备需要人员又新学习适应新技术。我局信息内外网共有76台设备, 1个中心机房和37个基层网络机房, 设备类型包括S9512、S7510、S5500和S3600, 网络防火墙2个。随着三集五大体系的建立, 我局各单位办公地点调整变化较大, 很多办公电脑需要变更信息网络的接入点, 甚至需要调整网络结构。

1.2 通信信息网络存在问题

1.2.1 信息网络稳定运行指标已列入我局安全生产指标之一。

生产环境交换机的配置变化时需要在测试环境中试运行后再放入生产环境, 以保证配置的正确性, 所以迫切需要一个模似环境来调试和测试交换机, 提高人员技能水平, 提高生产环境网络运行的稳定性。1.2.2随着通信光传输、复接设备的更替, 新鲜血液的融入, 人员的技术水平也要随即提升, 利用替换下来的设备、已有的资源和自筹部分新设备, 组建一个模拟现场的仿真系统环境, 利用空余时间和定期时间进行真实现场工作环境的模拟, 可以提高现有工作中疑难问题的解决, 和给新员工进行实物性培训, 快速使新员工进入工作状态。专业技术人员可以通过模拟现场故障, 进行快速定位解决故障。也解决了闲置设备的利用率问题, 一举多得。

1.3 背景的提出

1.3.1 全省电力培训中心无针对通信信息网络设备组网培训的基地。

1.3.2 到厂家培训名额少, 达不到全员培训目的。

1.3.3新员工和微波专业技术水平有待提升, 使其快速进入工作状态。1.3.4通信信息设备更替升级快, 专业技术人员现有业务水平有待进一步提高。

2 建设仿真系统达到的效果

2.1 此仿真系统的建立, 主要用于模拟现场实际工作环境方面的培训工作, 使得全员达到培训效果。

2.2 巩固了专业知识, 并把理论知识和实践知识有效结合起来。

2.3 融合通信和信息两大专业业务水平, 提高了团队合作精神。

2.4 提高了解决问题的能力。

模拟故障现象, 锻炼了员工队伍。两大专业共同组建仿真系统, 人员跨专业锻炼, 最终达到培养复合型人才的目的。下一步将规划完善搭建信通公司所有专业的模拟仿真环境, 专业间相互了解学习, 解决人员结构性缺员问题。能够独立完成工作中较复杂工作任务的同时, 处理工作中的疑难问题。

3 建设方案

3.1 按照建设仿真系统目标, 制定符合我局通信信息现状的实施方案。

首先成立通信信息模拟仿真系统建设领导小组。组长由信息通信公司经理担任, 副组长由信息通信公司副经理担任, 专业负责由专责工程师担任, 组员由传输一、二班人员组成。经过多次技术组会议讨论论证通信信息模拟仿真系统建设的可行性方案, 一致认为方案可行, 可操作性强。首先仿真系统选址, 一为原微波楼, 二为通调楼十九楼微波机房。因十九楼微波机房设备安装方便, 仿真系统需求空间大;其次从组建规模上考虑后期建设, 确定设备布放位置。最终确定一期建设光传输设备SDH四台, 复接设备PCM三套 (6台) , 信息网络设备五台。预留两面屏位。

3.2 深入细致, 周密安排, 全面实施仿真系统建设。

3.2.1未雨绸缪, 整合现有设备资源, 购买新传输设备。首先将三号院拆除的整套通信设备包含光传输SDH、泰科PCM、电源系统作为仿真系统基础雏形, 另整合一套中兴S330设备、三套PCM复接设备和购买中兴S330、S320光传输SDH各一台, 组建成传输网络。信息网络的组建是利用去年更换交换机后替下来的旧H3C设备搭建。3.2.2周密安排, 通信信息专业人员密切配合, 按施工方案逐项有序进行。光传输设备模拟现场设备硬件安装、线缆的布放、线缆的绑扎、设备的加电、开局、设备 (单机、组网) 调试、2M (155M) 业务的开通等一系列现场实际工作环境。PCM复接设备模拟现场设备硬件安装、线缆的布放、线缆的绑扎、色谱识别、设备 (单机、组网) 调试、64K业务的开通等一系列现场实际工作环境。信息网络的建立是用3台三层交换机和2台二层交换机按实际工作中需要的拓扑结构, 随时变化互连方式, 组成需要培训和测试用的网络结构。大大锻炼了人员的网络业务技能。

3.3 加强管理, 真正发挥仿真系统作用。

为了完善仿真系统日常管理, 制定了仿真系统使用规章制度。3.3.1仿真系统设备仪器仪表设专人负责保管维护、登记建帐。存放应做到整洁有序, 便于检查使用。3.3.2仿真系统设备仪器仪表、工具一般不得外借, 特殊情况必须经领导批准。3.3.3要爱护仿真设备仪器仪表, 节约使用材料, 遵守操作规程, 认真记录操作步骤。室内应保持整洁, 操作时丢弃的废物要按指定地点倾倒。3.3.4仿真系统必须重视安全工作, 加强防火、防盗、防尘的管理。3.3.5仿真系统的操作人员, 要加强岗位责任制, 经常检查维修设备仪器仪表, 使其处于正常完好状态。3.3.6仿真系统应建立安全制度。每次操作完毕或下班前, 要做好整理工作, 关闭电源和门窗。要有明确的责任人。

结束语

通过以上措施, 信息通信公司初步建立了通信信息模拟仿真系统, 搭建了通信信息模拟仿真系统, 经过近几个月运行检验, 极大的提高了通信信息运行维护人员的专业技术水平, 使我局通信信息故障处理更加快速, 通信人员能够更好的适应“五大”体系建设后对专业人员的要求, 在全省首家建立通信信息模拟仿真系统, 为我局培养电力通信复合型人才找到了一种新方式, 也为在全省率先探索电力通信信息专业培训新方式、新手段走出了一条创新之路。

参考文献

[1]中兴通讯股份有限公司ZXMP S380S330技术手册.[1]中兴通讯股份有限公司ZXMP S380S330技术手册.

[2]沈阳仕得蓝科技有限公司XMP1SOX操作手册.[2]沈阳仕得蓝科技有限公司XMP1SOX操作手册.

[3]北京西科德科技有限公司SAGEM FMX12数字交叉连接复用设备技术手册.[3]北京西科德科技有限公司SAGEM FMX12数字交叉连接复用设备技术手册.

[4]北京讯风光通信技术开发有限责任公司BX10用户手册.[4]北京讯风光通信技术开发有限责任公司BX10用户手册.

仿真系统通信设备 篇2

基于SPW的PSK数字通信系统仿真与分析

在现代通信系统设计中,计算机仿真设计可以快速构建系统模型,降低开发成本和周期,实现性能评估、系统优化的.目的.讨论了数字信号处理和通信系统仿真设计软件SPW的功能、应用,依据PSK通信系统原理,设计出了基于SPW的BPSK系统模型.调试、仿真获得了系统关键信号的时域波形、眼图及功率谱,结果表明仿真设计满足系统性能要求.

作 者：周长林 朱卫东 杨洪涛 ZHOU Chang-lin ZHU Wei-dong YANG Hong-tao 作者单位：信息工程大学理学院,郑州,450001刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：14(2)分类号：V243.1关键词：数字通信系统 SPW(Signal Processing Worksystem) BPSK 计算机仿真设计

仿真系统通信设备 篇3

摘 要：为提高航海模拟器的训练质量, 提出基于因特网技术的新型船用VHF通信仿真系统.该系统以各本船将各自设定的频道状态信息由VHF终端经客户机通过网络上传给服务器的方式建立系统总体构架,通过语音终端的硬件设计、语音终端的嵌入式控制软件设计完成系统集成. 在互联网公共网络平台上的实践表明, 构建在互联网上的船用VHF通信仿真系统,对扩大训练范围、提高航海教学效果、增强学习互动性提供有效手段.

关键词：VHF通信； 模拟器； 集成； 因特网

中图分类号：U675.75；TP391.9文献标志码：A

Ships VHF simulator system integrated by multiple simulators

YU Lili, SHI Chaojian, HUANG Zhenmin, HU Qinyou

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to improve the navigation simulators training quality, a new-style ships VHF simulator system is proposed based on Internet. In this system, the system overall framework is set by channel status messages which are set by each ship and are sent to the upper server through the network by VHF terminals. The hardware design of voice terminals, the embedded control software design of voice terminals are composed to the system integration. The practice by the public Internet platform indicates that the ships VHF simulator system built on Internet provides an effective method to extend the scope of training, improve the navigation teaching effect and enhance the interactive learning.

Key words： VHF communication;simulators; integration; Internet

0 引 言

船用VHF通信仿真系统是航海模拟器的子系统，是现代航海教学的组成部分.船员通过VHF通信仿真系统的训练，可熟悉船上VHF设备的通信方式.船用VHF通信仿真系统不但具有各种VHF通信设备的操作方法，而且因其不发射射频无线电波，无须通过无线电管理委员会就可无限制使用［1］.目前，船用VHF通信仿真系统一般有2类：

（1）在航海模拟器上安装真正的无线通信系统，完全按照实战要求进行训练.这种方式由于和实际情况完全吻合，船员受训的仿真度高，实现训练本身内在的意义.但是，如果发射功率控制不好，有可能对岸上的频道产生干扰.

（2）采用有线模拟训练系统.如上海海事大学自行研制并通过鉴定的SMU-IV型航海模拟器安装的VHF训练系统.［2］该系统的VHF单元分为主控台部分和本船部分，其中主控台部分用于与各本船的通信及监听各本船间的通信联系，同时承担代表物标船的回话和呼叫等通信任务；本船部分主要用于与主控台及其他本船间的通信.由于这种系统采用有线系统，故其优点在于能避免周边无线电波的射频干扰,同时，由于在操作使用和功能上模拟实船的VHF话机，故可有效模拟真实场景.但其受训距离有限，仅在以主控台为中心的若干本船模拟器的区域模拟真正的VHF系统；另外，由于其采用有线模拟语音信号的传输通信，所以抗干扰能力及稳定性不如数字化通信.［3-4］.

本文提供新型的船用语音通信仿真系统.其研制来源于上海海事大学主持承担的国际合作研究项目——“基于因特网的多模拟器集成（Internet Based Integration of Multiple Ship Handling Simulators）”项目中“VHF模拟通信”子系统，采用数字语音通信技术替代传统的船用语音通信仿真系统中模拟语音信号的传输，有效提高语音通信质量；还可将船用语音通信仿真功能建立在因特网的构架上，不仅形成单个航海模拟器中各本船间的实时语音通信，而且可通过因特网与其他航海模拟器中的船只互连通信，有效扩大训练范围，增强训练的灵活性、互动性和国际性.［5］

1 系统总体构架

系统结构见图1.

（1）各本船将各自设定的频道状态信息由VHF终端经客户机通过网络上传给服务器，服务器对各频道进行统一管理，确定收发对象，同时，各本船设定的频道状态也显示在VHF终端的数码管上.

（2）呼叫方船只的VHF终端将处理后的数字语音信号经客户机通过网络上传给服务器.

（3）服务器将接收到的数字语音信号通过网络下传给对应频道同一模拟器的其他本船或其他模拟器相应本船的VHF终端.

系统不仅可实现同一航海模拟器中各本船间的实时语音通信，还可通过因特网与其他航海模拟器中的船只互连通信.［6-7］

2 语音终端的硬件电路设计

语音终端硬件系统由语音数据采集、回放单元，语音压缩解压单元，数据处理、传送及接收单元，时钟同步电路单元，键盘、显示单元以及串口电平转换单元构成，见图2.

（1）本船的语音信号经话筒声电转换后，由数据采集单元的A/D转换部分对其进行采样并转换为PCM数字量，然后由语音压缩单元压缩编码，最后数据处理单元将压缩编码后的数据由串口传送给PC机，由PC机将从串口接收的数据转换成IP语音包，通过网络服务器传送给对应寻址的其他本船.

（2）PC机将从网络接收到的语音IP包转换成语音压缩数据,然后通过串口下传给本船语音终端系统的数据处理单元，由语音解压单元将从数据处理单元接收的数据进行解压缩，由数据回放单元的D/A转换部分将解压后的语音PCM数据转换成模拟量，经放大电路放大后驱动扬声器输出.

（3）语音终端系统一方面可设定本船状态，如本船频道，并显示在终端系统的数码管上；另一方面可将本船设定状态由数据处理单元通过串口传送给PC机，再由PC机上传至网络服务器，由网络服务器建立数据库统一管理各本船频道，以利于网络传输.

由于涉及语音信号在网络上的数字化通信，而数字通信中语音信号直接数字化所需的编码速率太高,为提高传输和存储的效率,充分利用信道容量,必须对数字语音信号进行压缩编码.通过降低编码速率，可使同样的信道容量传输更多路的语音信号，在传输比特率限制十分严格的场合，低速率语音编码具有特别重要的意义.

在硬件电路板的开发中，采用DVSI公司的基于全双工声码器芯片AMBE-1000，其核心是内嵌有MBE多带激励语音压缩编码算法的数字信号处理器.MBE多带激励语音压缩编码算法是既满足低速率传输要求，又具有高通话质量的语音压缩算法，该芯片还具有用户可选择纠错码率、话音激活及噪声嵌入、双音多频(DTMF)信号检测及合成和回声抵消等功能，编码速率为2.4～9.6 Kb/s，在低速率和较强背景噪声下具有较好的语音质量，因此，在车、船载移动卫星语音通信系统中广泛应用，国际海事卫星组织（Inmarsat）已把MBE多带激励语音压缩编码算法应用于其各代卫星语音通信系统中.因此，基于MBE算法的特点，在系统的硬件电路设计中选取AMBE-1000芯片完成核心功能，即语音压缩和解压单元的设计.［8］

3 控制系统的软件实现

3.1 语音终端的嵌入式控制软件设计

嵌入式控制软件主要包括主控程序、按键译码处理子程序、上传语音处理子程序以及下载语音处理子程序4个部分(见图3)，其中涉及微控制器的外中断触发响应、串口中断触发响应、软件延时消抖及防程序跑飞等多项技术的编程.

微控制器初始化时要进行串口波特率的设置，为保证RS-232串口通信过程中的数据完整性，设定下位机（MCU）与上位机（PC）之间串口通信的波特率为19 200 b/s.此外，对上传语音的判别实质上是通过查询外中断响应程序中的标志位状态来实现的；而是否下传语音的判别，实质上是通过查询串口接收中断响应程序中的标志位状态来实现的.在具体处理语音传送的过程中，实际由微控制器通过与AMBE-1000芯片的数据线及相应的读写控制线,采用并行帧格式的交互完成,而语音本身的压缩和解压完全由AMBE-1000芯片自行完成.

3.2 PC机控制软件的设计

PC机的控制软件主要实现2个功能：(1)通过串口接收VHF语音终端上传的语音压缩数据以及本船的状态信息，然后通过网络将此信息发送给服务器；(2)通过网络从服务器接收语音压缩数据，然后通过串口将语音压缩数据下传给指定的VHF语音终端.

因此， PC机的控制软件的设计主要涵盖2个部分:(1)同语音终端的RS-232串口的通信，采用Microsoft的通信控件MSComm来实现；(2)同服务器的网络通信，采用Winsock控件来实现，并编写基于TCP协议的网络传输程序.

上位PC机网络程序的具体模块包括各按钮的触发事件、定时器的轮询、串口通信、网络互连、启动初始化以及退出应用程序等若干模块.

4 结束语

基于因特网技术的新型船用VHF通信仿真系统采用数字语音通信技术替代传统的模拟语音信号传输，实践证明，在抗干扰及稳定性方面均优于传统的信号传输，有效地抑制自激振荡引起的噪声.该系统不仅继承传统船用语音通信仿真系统的优点和功能，而且还将船用语音通信仿真系统扩展建立在上位PC机及因特网的构架上，从而形成航海模拟器中各本船之间实时语音通信以及通过互联网与其他航海模拟器中的船只互连通信，有效地扩大训练范围，增强训练的灵活性、互动性和国际性.［9］在语音终端设计中采用内嵌多带激励语音压缩编码算法的商业化数字信号处理芯片AMBE-1000，有效降低语音信号在网络上传输的延迟时间，保证通信质量，一方面加强现代化的航海教学手段，另一方面必将有效提升大型航海模拟器自身的科技含量，为电子海图及雷达图像的网际互连通信在今后航海训练中的进一步应用打下坚实基础.［10］

参考文献：

［1］施朝健, 陈锦标, 胡勤友. 船舶操纵模拟器开发和应用的全球协作［J］. 上海海事大学学报, 2007, 28(1): 1-6.

［2］施朝健， 胡甚平， 陈锦标. 船舶操纵模拟器技术性能标准研究［J］. 上海海事大学学报, 2005, 26(2): 4-8.

［3］SHI Chaojian. Application and functional requirements of simulator in harbor and waterway design［J］. J Korean Navigation and Port Research, 2002, 26(1): 35-42.

［4］施朝健, 蔡存强. SMU-Ⅳ型综合船舶操纵模拟器的研制［J］. 上海海运学院学报, 1998, 19(4): 1-5.

［5］施朝健. 船舶操纵模拟器建设的几点建议［J］. 上海海运学院学报, 1997, 18(3): 59-63.

［6］方泉根, 施朝健, 石永辉. 大型航海仿真教学训练系统的研制与应用［J］. 中国航海, 2002(3): 1-4.

［7］胡勤友, 施朝健, 陈海山, 等. 基于Jess规则的数据库通知服务［J］. 上海海事大学学报, 2006, 27(1): 44-48.

［8］王都生. 多带混合激励低速率语音编码的研究［D］. 西安: 西安电子科技大学, 1998.

［9］余立立, 施朝健, 黄震民, 等. 基于网络技术的船用语音通信仿真系统: 中国, ZL200520048175.6［P］. 2007-2-21.

［10］SHI Chaojian, HU Qinyou. Internet-based integration of multiple shiphandling simulators:an interim report［C］ // Proc Int Association of Maritime Universities 6th Annual General Assembly and Conference. Malmo, Sweden: WIT Press, 2005: 55-64.

保密传真通信系统的仿真实现 篇4

1 保密传真通信系统的工作原理

保密传真通信系统的工作原理如图1所示[2]。传真文件经过光电变换器件转变为相应的电信号, 电信号经过消噪、放大、采样、量化等信号处理过程变为数字信号。由于数字化的文件信息存在较大冗余度, 采用编码的方法进行压缩以提高数据传输速率。将编码后的数据进行加密处理, 数字信号并不适应电话网中的模拟信道, 利用调制器将传真数字信号变换为适合在模拟电话信道上传输的模拟信号后, 把信号送往专线、卫星、电话网等信道。在接收端, 执行解调、解密、解码和图像处理等与发送端相对应的逆过程, 得到传真文件的内容。

实现传真通信系统的关键技术主要有传真编码技术、传真加解密技术和传真调制解调技术。传真通信采用的编码方案主要有3种: (1) 哈夫曼编码, 这是标准编码; (2) 改进的相对地址编码 (MREAD或MR) , 这是可供选用的二维编码; (3) ITU-T于1990年通过改进MR方案, 即MMR编码。传真机的加密方式按加密实现方式可分为硬件加密、软件加密, 硬件加密多用FPGA实现, 成本较高;软件加密采用单片机系统完成, 成本较低, 可满足大部分较低速传真信号加密的需要[3]。传真通信系统调制解调器的标准, 分别在CCITT建议T.4和T.30中做出了明确规定。在建议T.4中指出, 凡传真机采用V.27ter规定的调制、扰频、均衡和定时信号, 在普通电话交换网中的传输速率为4 800 bit/s和2 400 bit/s, 采用调制方式为八相差分编码调制和四相差分编码调制;凡传真机采用V.29规定的调制、扰频、均衡和定时信号的传输速率为9 600 bit/s和7 200 bit/s, 采用调制解调方式为调幅调相混合调制。建议T.30中指出, 凡传真机采用V.2l规定的联络和控制信号者, 其传输速率为300 bit/s, 采用四相差分编码调制;若以7 200 bit/s和9 600 bit/s速率传输时, 普遍采用八相差分编码调制;以300 bit/s的速率传送时, 联络和控制信号常采用数字调频制。

2 保密传真通信系统的仿真

保密传真通信仿真的实现全部在Matlab环境下完成, 仿真用户界面用Matlab的Guide完成, 通过采用Matlab语言编程实现保密传真通信关键技术模块的M函数达到仿真的目的[4]。仿真系统主要包括3个关键技术仿真模块:Huffman编解码模块、Arnold加解密模块和QPSK调制解调模块。

2.1 Huffman编解码仿真

Huffman编码是一种常用的压缩编码方法, 也称为最佳理想编码, 是哈夫曼 (Huffman) 于1952年为压缩文本文件发明的一种构造最优码的程序, 采用该方法进行编码可以使输出码字的平均长度最短, 编码效率最高。

仿真以“house.gif”为例, 文件经过哈夫曼编码前后的大小比较如图2所示。

由图2可知, 图像压缩前的矩阵大小为256×256, 即有65 536 bit, 经过Huffman压缩后, 大小压缩为47 016 bit。

2.2 Arnold加解密仿真

Arnold图像置乱算法属于对称密钥算法。Arnold变换是俄国数学家Vladimir I.Arnold提出的一种变换, 一幅N×N的数字图像的二维Arnold变换定义为

$\left(\begin{array}{l}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 2\end{array}\right)\left(\begin{array}{l}x\\ y\end{array}\right)(\text{m}\text{o}\text{d}n)$

(1)

其中, x, y∈ (0, 1, …, N-1) 为变换前像素的位置;x′和y′为变换之后的像素位置, 为模运算。

以“lena.gif”为例, 置乱次数分别设为2和12时的加解密图形比较, 如图3所示。

由图3可知, 置乱次数设得越大, 图像对应的矩阵置乱运算次数越多, 加密图像越显得杂乱无章, 相比原始图像越模糊, 越不容易辨识出原图像。

2.3 QPSK调制解调仿真

四相相移键控 (QPSK) 是一种多进制数字相位调制方式。由输入数据分别产生I, Q调制支路信号, 对I, Q调制支路进行不同的正弦与余弦变换, 再到形成QPSK波形;然后对QPSK信号添加随机噪声, 再对I和Q支路进行信号滤波, 最后还要进行判决输出。

设调制信号为20个随机信号, 载波频率为5 kHz, QPSK的仿真波形如图4所示。

从图4可知, 解调出来的I, Q信号与原I, Q信号有微小的误差, 采用QPSK调制方式能够保证信号传输的效率和误码性能。由于误差积累导致判决后的误码率增大, 在QPSK解调电路中需要对载波误差进行补偿, 减少非相干载波解调带来的影响。

3 结束语

文中在分析了保密传真通信系统的工作原理之后, 对保密传真通信系统的信源编码模块、加解密模块和调制解调模块进行了Matlab仿真实现, 仿真结果正确, 达到了预期的目标。

摘要：实际的保密传真通信系统是一个功能结构复杂的系统。在建立新系统前, 通常需要对系统进行建模和仿真以消除系统中潜在的瓶颈, 提高系统成功的概率。文中在分析了保密传真通信系统的工作原理之后, 对保密传真通信系统的信源编码模块、加解密模块和调制解调模块进行了Matlab仿真实现, 仿真结果达到了预期目标。

关键词：保密仿真,传真通信,Matlab仿真

参考文献

[1]周晓兰, 张杰.Matlab在通信系统仿真中的应用[J].计算机技术与发展, 2006, 16 (9) :166-168.

[2]刘德祖, 郑海虹, 刘涛.传真机工作原理[J].工科物理, 1997 (2) :24-29.

[3]刘责喜, 谢仕聘, 扬万海.信息加密与外军保密传真技术[J].电子计算机与外部设备, 1997, 21 (6) :32-35.

通信原理仿真 篇5

1.任意产生一个调制信号，画出其波形及其频谱；

2.产生一个余弦载波信号，画出其波形及其频谱；

3.分别采用AM（幅度），DSB（双边），SSB（单边）的方式对调

制信号进行调制，画出已调信号的波形及频谱；

4.采用适当的方式，分别对3中得到的已调信号进行解调，画

出解调信号的波形；

5.产生一个高斯白噪声，叠加在已调信号上，然后进行解调，画出解调信号的波形；

6.比较4和5中的结果；

7.编写A律13折线PCM编码的程序，能够对任意输入信号输

出其PCM编码；

仿真系统通信设备 篇6

(1.上海海事大学物流工程学院，上海 201306;2.上海海洋大学工程学院，上海 201306)

0 引言

设备单行布局是指n台设备以给定的方向沿一条给定的线排列［1］，其形式简单、安全性高，且其数学模型的构建及求解都相对简单，是制造业常用的布局形式，但很少有文献对它进行单独研究.文献［2］把设备单行布局归结为多行布局问题的特例，其研究针对直线型的布局形式，没有考虑U形［3］、半圆形［4］等设备布局方式;文献［5］提出基于总运距最小的单行布局模型，该模型基于很多理想考虑且优化目标过于单一;文献［6］构建设备单行布局的多目标优化模型并采用QUEST仿真，没有考虑仿真软件的不稳定性对仿真结果的影响，并且忽略不确定性物流对设备布局的影响及部分检验设备间到达关系对物流距离的影响;文献［7］和［8］构建直线形设备间作必要访问次数的物流费用模型并用遗传算法进行求解，但遗传算法在求解U形和半圆形设备布局时显得力不从心，更多应用于设备多行布局模型求解中.基于上述研究现状，本文构建设备在不确定环境下多产品生产的多目标单行布局优化模型，并考虑产品部分检验设备间到达关系对物流距离的影响，以模糊物流成本模型替代传统物流成本模型并用eM－Plant仿真.仿真结果的预期性和稳定性表明本文模型更加贴合实际生产，不仅可为相关研究提供参考，也可用作中小型生产企业的设备布局指导.

1 问题描述和模型假设

1.1 问题描述

可以将设备单行布局问题描述为:n台设备，可以采用直线形、U形和半圆形等3种常用的单行布局形式，在已知产品k加工工位Ski(k=1，2，…，m;i=1，2，…，n)的尺寸、加工时间、物流量和最小间距等条件下，确定设备的最优布局形式，使产品的物流成本、加工时间和车间面积利用率等目标达到最优.

1.2 模型假设

模型基于如下基本假设:(1)所有设备和车间形状均为矩形;(2)同一工位上的几台设备并联后作为一台设备处理;(3)设备按同一方位布置，直线形布局中心点位于一条直线上，U形布局中心点位于U形线上，半圆形布局中心点位于同一圆周上;(4)产品加工顺序与工位编号顺序一致;(5)产品尺寸较小，忽略原材料、半成品和产成品在车间占用的面积.

2 设备单行布局模型构建

2.1 模糊物流成本数学模型

2.2 模糊加工时间数学模型

2.3 面积利用率数学模型

由于产品尺寸较小，忽略其原材料、半成品和产成品在车间占用的面积.因此，面积利用率是指车间的所有设备面积之和占包络所有设备最小矩形面积的比例.所有设备的面积之和不变，包络所有设备的矩形面积越小，面积利用率越大;布局越紧凑，车间剩余的面积越大，即可再利用的面积越大.因此，设备布局追求面积利用率最大化.

式(3)～(6)中:η为车间面积利用率;si为设备i的面积;S为包络车间全部设备的最小矩形面积;xi和yi为设备i的中心点分别到x轴和y轴的距离;li和hi为设备 i的长和高;(xa，ya)，(xb，yb)为包络矩形的左下角a点和右上角b点的坐标.

将物流成本、加工时间和面积利用率多目标函数转化为单目标优化函数:

因为布局形式的不同，需要有针对性地额外设定一些约束:

(2)设备呈U形布局时，所有设备坐标满足xi≠xj，yi=yj或 xj=xp，yj≠yp，因此要满足约束

保证设备在x和y轴方向上不重叠;U形布局两行之间最小间距必须满足约束

(3)设备呈半圆形布局时，要满足约束

保证设备在x和y轴方向上不重叠;i，j，p=1，2，…，n.

车间和设备尺寸见图1.图1中H为车间的长和高;h为U形布局两行之间的最小间距.

图1 车间布局及设备几何尺寸

3 基于部分检验和不等概率到达关系的物流成本模型

第2.1节的成本模型假设每个工位只有1台设备且产品必须全部接受检验.实际上，生产线上的每个工位根据生产能力需求可能有多台设备，其加工能力和尺寸也不尽相同，并且在多数情况下，部分产品无须检验而被直接传送到后续加工工位.这样，工位间设备的到达关系和检验概率对物流距离有很大影响，因此需修正第2.1节物流成本模型.

设加工工位S有nS台设备(S=1，2，…，M)，不需要送检的产品比例为X%，需要送到检测设备E的产品比例为Y%，需要送到检测设备F的产品比例为 Z%，满足 X＞0，Y＞0，Z ＞ 0，并 且X+Y+Z=100(见图2).

工位间无须送检产品的平均物流距离［9］:

图2 前后工位间的加工流程

工位间需检验的部分产品从前一道工位到检测设备的平均物流距离

与式(6)相对应，产品从检测设备到后续工位设备的平均物流距离

综合式(8)～(10)，前后工位部分检验产品的平均物流距离

于是，考虑前后工位设备间不等概率到达关系 和产品部分检验的物流成本

4 设备单行布局问题eM－Plant仿真

4.1 案例说明

以某日化企业面膜生产车间设备布局为例进行验证.车间长12 m，宽12 m，负责生产两种面膜产品P1和P2，原来生产1万件产品需要花费的物流成本为242.7元/h，消耗的产品加工时间为4 512 s，车间面积利用率为28.3%.

利用三角函数处理模糊加工时间和物流频率，在 eM－Plant中三角分布函数为 z_triangle(s，a，b，c).其中:s表示生成三角分布使用的随机数流序号;a，b，c分别表示三角分布的3个参数，其中a为最小值，b为最可能值，c为最大值.表1和2是按照(a，b，c)的格式给出加工时间和物流频率三角分布参数值的.以灌装工位为例，加工时间三角函数中(a，b，c)分别对应工位时间的(0.267，0.315，0.412).

由于每个工位的所有设备加工能力基本一致，所以设备间到达关系为等概率到达.设需要经过检验的产品占总产品比例的10%，每个检验工位只有一项检验内容.灌装工位有4台灌装设备，每台设备的尺寸为1.5 m×1 m，根据模型假设(2)，灌装工位的尺寸为1.5 m×4 m，其他工位同理.因此，各个工位设备尺寸和单位产品的工位加工时间(均服从三角分布)见表1.

表1 车间不同工位尺寸及加工时间

只有工位 S1与 S2，S5与 S6，S9与 S10在坐标系中x轴和y轴方向均需要保持1 m的最小间距，其余各工位没有距离要求.因此，对于P1只需计算S1与S2，S5与S6，S9与S10间的当量物流量和物流频率即可;对于P2，由于其不需要S7加工，在P1的基础上还要计算S6与S8之间的当量物流量和物流频率，见表2.

表2 P1/P2当量物流量和物流频率

设所有工位间的物流费用为2×10－3元/m，U形布局两行之间的最小间距为1.5 m.采用专家评分法确定优化目标的权重因数ui={0.39，0.35，0.26}.

4.2 仿真模型构建及稳态分析

车间设备直线形、半圆形和U形的eM－Plant系统仿真物理模型见图3.

4.2.1 稳态仿真次数设置

两次仿真，得出物流费用和加工时间的结果见表3.

两次仿真设置的所有参数一致，但却得出不同的结果.为此，对直线形布局物流费用重新进行20次仿真，结果比较见图4.

图3 车间设备直线形、半圆形和U形的eM－Plant系统仿真模型

表3 第1次仿真结果

从图4可见，除第4次仿真结果异常外，其余仿真结果差距不大，分布较匀称.在运行仿真模型时，输入数据的随机性会带来输出结果的随机性，如果运行一次或几次仿真，仿真结果的有效性、精确性和一般性是无法保证的.因此，为了使仿真结果更加稳定、真实，需要重复进行N次仿真并取其平均值作为最终结果，这需要借助Experiment对象完成.

图4 直线形布局物流费用20次仿真结果

图5 仿真次数对置信区间的影响

同样以直线形布局物流费用为例，N分别取 10，50，100，200，300和500，置信度取90%，仿真结果见图5.

由此可见，当N=50时置信区间相对较短，因此取仿真次数N为50.

4.2.2 稳态仿真产品数量设置

分别进行1万件和2万件产品的仿真，仿真参数设置相同，仿真结果差异很大:当仿真产品数量为1万件和2万件时，物流费用分别为154.2元和168.9元.因为在仿真运行的最初阶段模型中没有产品，处于空闲状态，为此本文提出两种解决方案:一是寻找比空闲初态更好的初始状态，0时刻在模型中便放置一些产品，然后开始仿真;二是让模型先运行一段时间“预热”，初态的偏差会被后面出现的数据平衡，即初始状态影响被消除，然后清空统计数据重新开始.前者需要确定在哪些对象预先放置多少产品，而后者需要确定预热时间，即本文的产品数量设置为多少，相对而言，后者容易实现.确定预热产品数量的方法是画关键变量随时间变化的趋势图(取多次仿真平均值)，进而查看稳定状况，见图6.

由图6可以看出，在模型运行到6 000时，模型中产品的数量趋于稳定，因此设产品的预热数量为6 000，当运行到6 000后开始进行数据的收集统计.

图6 模型中产品数量

4.3 优化结果与分析

同样生产1万件产品，通过计算和eM－Plant系统仿真，得出多产品生产直线形、半圆形和U形布局在不同优化目标下优化结果的对比情况，见表4.

由表4可知，针对面膜生产车间，在没有空间约束的情况下:要实现物流成本最小，应选择直线形布局;要实现加工时间最低，应选择半圆形布局;要实现面积利用率最大化，应选择U形布局;要实现三方面的综合最优，应选择直线形布局.由于实际车间空间有限，直线形布局超出车间范围，方案无法实现，因此选择次优方案U形布局.面膜生产车间设备布局改进前后的对比情况见表5.

表4 车间多产品生产不同优化目标下最优布局

表5 改进后车间布局与原来设备布局状况比较

由表5计算可知，面膜生产车间设备布局改进后物流成本降低1.46%，加工时间缩短3.41%，面积利用率提高53.60%.

5 结束语

对加工产品尺寸较小、设备和车间形状工整、生产环境不确定、多产品混合生产的生产车间布局进行研究:(1)构建不确定性环境下多产品生产的物流成本、加工时间和面积利用率的多目标组合优化模糊数学模型;(2)考虑到产品部分检验和设备间到达关系对物流距离的影响，修改物流成本计算公式;(3)构建eM－Plant仿真模型，对常用的直线形、U形和半圆形设备单行布局进行仿真与选优，为了增加仿真结果的精确性和可靠性，讨论仿真次数设置和仿真产品数量设置问题.实例应用证明，基于设备单行布局理论的仿真，可为决策者从众多的单行布局类型中选择出合适的布局方案应用于生产实践提供理论依据.

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变电设备检修仿真系统的应用分析 篇7

关键词：变电检修,变电设备,仿真,培训

1. 变电设备检修仿真系统的主要功能及模块

1.1. 主要功能

构建变电设备虚拟场景需要运用到数字化建模 (即建立设备的正常、异常、故障和缺陷等三维实体模型) 技术, 模型建立质量和数量直接关系到整个系统的优劣, 本系统中对变电站的所有一次设备如变压器、断路器、隔离开关、互感器、电抗器、电容器等建立了模型, 由此形成了设备建模库, 设备库还可对各设备正常和非正常 (缺陷) 状态的具体细节进行描述。仿真系统要求能在计算机上动态模拟变电设备安装和检修过程, 并实现人机交互装配, 直观和准确地表达其内部结构、各零部件空间关系, 零部件浏览和分析、变电设备缺陷仿真、检修人员技能综合测试以及自动评分等等。系统的主要功能如图1所示。

变电设备检修仿真系统采用多媒体、三维图像仿真, 集图片、图像、图形、视频、文字等为一体, 整个变压器动态装配过程均以3D形式投影在大屏幕上, 逼真地再现变电站现场设备的动作过程和设备运行状态。

本检修仿真系统基于DirectX9.0c来构建3D图形引擎, 开发虚拟现实仿真系统, 通过MFC处理系统用户界面, 视景平台、动态装配仿真、零部件数字化建模、零部件缺陷仿真、检修技能测试等核心内容都是用C++来实现。

1.2. 功能模块

变电检修仿真中心通过VR平台, 按照仿真数据仓库中检修仿真算法, 分设备类型、生产厂家、型号建立变电设备样本模型库;模拟各类设备的常见故障和解决方案;分常规检修和故障检修两种方式模拟变电设备的检修过程。仿真中心通过算法接口和输入输出接口接收用户控制命令和返回结果数据。

检修训练中心提供人机交互环境, 用户使用各类终端设备 (鼠标键盘等) , 通过输入输出接口在虚拟现实的界面发出各类检修操作命令, 并通过算法接口与检修仿真中心进行数据交互, 完成各类训练动作的执行。为检修人员的培训提供演示和交互操作两种培训方式。

管理监控中心完成各类设备部件划分、部件逻辑关系及其拆装顺序定义和维护;故障知识库中故障现象、故障原因、检修推荐方案的定义和维护;依照《作业指导书》以及《现场作业工序工艺标准卡》等技术标准对检修流程进行设定或变更重组;并完成培训档案建立、培训题库建立、培训过程监视控制、培训过程回放、培训考核评估以及培训各类绩效指标的统计分析。它通过各类算法接口在VR平台上完成对变电检修仿真中心各类仿真模型的管理以及与变电检修控制中心培训管理人员的命令、指令、数据交互。

2. 故障分析功能

2.1. 故障信息

系统通过在线监测系统以及状态检修系统的联机分析, 对故障的信息提供从故障的设备及其故障部件、部位的外部现象、到故障的变化过程、再到故障相关各类数据的全方位支持, 为故障的分析和诊断提供从表面到数据的支持。

如变压器过热性故障, 系统除了从设备模型给出温度计的读数外, 还可以提供一个连续时间段温度的变化情况, 并且通过在线监测系统提供各时刻对应油中C2H6、C2H4、H2、C2H2, CO、CO2等气体含量数据。

2.1. 故障诊断及检修方法

系统根据故障信息, 结合状态检修系统、生产管理系统、在线监测系统的综合分析情况, 给出故障的可能原因以及对应的检修对策指导。如变压器过热性故障, 当存在C2H6、C2H4增长较快, 可能有H2和C2H2, CO和CO2增长不明显的现象, 导致该故障的原因可能就是变压器铁心短路, 在系统图形界面上就会输出铁心短路的外部状况。用户可以点击相应的检修策略指导, 系统会采用动画及互动的方式提供处理铁心短路情况的典型检修方法。

3. 变电设备仿真检修系统的特征模型

在变电设备仿真检修系统总体设计初步完成后, 即可进行特征模型设计。根据已经确定的方案和主要数据, 按技术任务要求进行。变电设备的内部结构复杂, 零部件多为不规则几何体, 要实现虚拟的装配过程必须先对基本的零件建立三维数字模型。装配之前要进行总体规划, 确定各级子装配和各零件的合理安装顺序。还要结合变电站的实际安装程序来安排虚拟场景中各零件或子装配的装配顺序。

以变压器为例说明, 本仿真系统将变压器整体结构划分为六部分:总装、油箱、绝缘、引线、铁心、线圈, 各部分通过相应的构件连接起来, 其主体结构划分如图2所示。

变压器型号用于描述实体的几何形状, 是造型中最主要的信息之一。主要参数包含变压器的额定电压, 额定容量, 连接组别, 窗体的长、宽、高等信息。部件间的装配特征用于表达变压器结构的装配关系以及在装配过程中所需信息。构件间关系具有油箱、绝缘、引线、铁心、线圈等结构间的安装定位关系等。

4. 基于虚拟现实的动态仿真流程

为了便于清楚地观察装配体结构及装配顺序, 需要增加与虚拟世界的交互功能。而动画给了人们一个巨大的空间。用户在进入装配场景后, 在任意位置点击鼠标, 动态装配过程即呈现在窗口中。基于虚拟现实技术实现动画的流程如图3。

5. 系统实现技术方案

5.1.系统拓扑结构

本系统采用B/S的体系结构, 系统的核心包含一个业务主机 (包括应用服务器和WEB服务器的功能) 和一个数据库服务器, 包含若干客户机、网络设备等等。

客户机中包括教员机和学员机, 教员机通过与业务主机的交互完成对学员机下达各类控制命令, 学员机接收并完成这些任务, 同时操作过程同样通过与业务主机的交互进行数据和逻辑的通信。

5.2. 平台软件

操作系统:根据实际选用的虚拟现实技术平台选用对应的操作系统。

数据库系统:本项目数据库系统有IBM DB2、Oarcle和MS SQL Server2005三种选择, 建议本系统采用Oarcle 9i数据库。用于提供高效、海量的数据存储, 建立数据仓库为虚拟现实技术的实现和数据分析提供基础。

中间件软件:采用JBoss中间件, 用于提供web服务。

商业智能平台:报表工具采用eclipse birt;OLAP工

具采用mondrian, 提供数据统计、分析和报表图标展现功能。

ETL工具:采用oracle ODI。用于完成与其他电力信息系统的数据同步。

5.3. 虚拟现实技术

虚拟现实技术 (Virtual Reality) , 又称灵境技术, 是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起, 为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于, 计算机产生一种人为虚拟的环境, 这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间, 或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的"虚拟环境", 从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用, 改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式, 尤其在需要对大量抽象数据进行处理时;同时, 它在许多不同领域的应用, 可以带来巨大的经济效益。

虚拟现实系统主要由以下模块构成

(1) 检测模块:检测用户的操作命令, 并通过传感器模块作用于虚拟环境。 (2) 反馈模块:接受来自传感器模块信息, 为用户提供实时反馈。 (3) 传感器模块:一方面接受来自用户的操作命令, 并将其作用于虚拟环境;另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。 (4) 控制模块:对传感器进行控制, 使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 (5) 建模模块:获取现实世界组成部分的三维表示, 并由此构成对应的虚拟环境。

虚拟现实系统开发平台的核心是引擎, 它具有四个方面的接口, 分别是算法接口、模型贴图输入接口、硬件辅助设备接口和硬件主设备接口。虚拟现实系统开发平台通过这些底层接口向所有上层软件提供强大的功能支持。

6. 数据存储及整合技术

6.1. 数据存储

建立物理数据仓库的存储;提供集中的数据仓库管理界面来控制、监测和管理数据仓库的操作;为主题分析和决策支持应用提供快速、准确的数据服务。

6.2. 数据整合

ETL:包括数据采集、清洗、转换、汇总、加载, 数据加载到数据仓库中;建立数据仓库元数据中心存储;Webservice:通过XML交换数据, 使系统之间即可靠的交换数据, 又降低了系统之间的耦合程度。

6.3. 数据仓库管理

包括元数据管理、ETL管理、数据复制与备份管理、数据安全管理等等

7. 数据分析技术

7.1. 数学建模、数据挖掘

采用三比值法、TD图法、电研法、神经网络算法等有效的诊断算法进行故障诊断;利用时间序列神经网络模型的非线性映射能力和学习能力来预测设备的检修状态;

7.2. 商务智能平台

提供包括面向主题的数据集市、即席查询、多维分析、企业日常报表、Dashboard等各种商务智能分析工具;提供一个面向主题的可扩展的应用分析环境;高效、灵活的查询、报告、联机分析处理以及预测功能。

7.3. 业务优化平台

通过商业智能平台的多维分析应用、预测分析和OLAP应用来支持检修流程优化等生产管理应用。

8. 结束语

变电设备检修仿真系统的应用, 不但可提高变电检修人员的技能水平、工作效率, 同时缩短检修时间和快速恢复设备送电提供了有力保障。

参考文献

仿真系统通信设备 篇8

1 WAMS仿真子站

WAMS仿真子站是在Windows平台下基于VC++6.0开发的仿真软件系统,用于模拟安装在重要发电厂和变电站的PMU装置或由多个PMU构成的子站系统,其具有6大功能。

a.可灵活配置子站的PMU及PMU包含的通道。通道包括相量通道、模拟量通道、频率通道、频率变化通道、开关量通道;配置的项目包括通道的名称、数值、转换因子、通道幅值和相角变化的规律等。

b.可生成各个通道的实时动态数据,存储动态数据,模拟PMU装置对现场数据的实时采集功能;模拟子站生成子站配置文件、离线数据文件等。

c.基于套接字(socket)的网络通信模式,仿真子站通过以太网接入实际主站,由数据管道实现实时动态数据的传输、命令管道实现命令帧的交互、配置帧的传输;离线数据管道实现离线数据文件的传输。

d.通过对现场WAMS子站或PMU装置的模拟,实现对现场子站的仿真。可接入WAMS主站系统,完成对主站的功能测试、处理能力测试。

e.按电力系统实时动态监测系统技术规范[11,12,13],实现对WAMS主站的通信规约测试、通信功能测试、数据误码率等通信性能测试。

f.可解析COMTRADE格式的故障录波数据,实现COMTRADE波形回放,上送低频振荡数据或扰动数据,测试主站对低频振荡或扰动现象的识别能力。

WAMS仿真子站能够模拟现场的PMU装置对电网参数中的相量数据、模拟量数据、频率、频率变化率以及开关量数据的实时采集和存储功能,并按照规约格式组织数据帧通过以太网上传至WAMS主站系统,可以实现对WAMS主站的功能测试、规约测试、性能和处理能力测试。图1是WAMS仿真子站的实现框图。

2 实时数据通信

WAMS的主要功能是实现电力系统的动态监测和动态稳定控制,主站和子站间实时可靠的数据通信是保证WAMS运行的最基本条件。实际运行过程中,子站将以25、50或100帧/s的速率向主站传送实时动态数据,100帧/s时要求子站以10 ms的时间间隔向主站上传实时数据。

WAMS仿真子站是基于Windows操作系统平台下开发的应用软件系统。由于Windows是非实时操作系统,因此,如何在Windows平台下实现仿真子站向主站上传动态数据达到100帧/s,并且保证数据传输的实时性是仿真子站实现的难点。

按照25、50、100帧/s且连续传送的要求,需要设计一个40、20、10 ms的周期定时器,在定时溢出时刻将一帧数据上传,实时数据传输的常规实现流程如图2所示。

然而,调试结果表明,Windows窗口定时器的定时精度远远达不到要求,定时器消息的处理会出现较大的延时,严重影响了系统的实时性;另外,当数据帧写入socket的发送缓冲区时,若数据帧的帧长较短,TCP传输控制并没有立即将数据帧发送出去,而是出现了数据帧积压,导致多包数据同时到达主站。显然,Windows下的上述的普通实现方案不能满足仿真子站的实时通信要求,必须寻找新的解决方法。

3 实时通信实现

3.1 精确定时与多线程方法

3.1.1 精确定时方法

Windows窗口定时器的定时精度远远达不到要求,每次定时均产生较大的延时,严重影响数据帧发送的实时性和发送时间的准确性。采用Windows的多媒体定时器可以较好地满足精确定时的要求,这种定时器的定时精度可以达到1 ms并且运行在一个独立的线程,当定时时间溢出时,操作系统直接调用该定时器的回调函数,因此它具有较快的响应时间,不会出现普通窗口定时器的延时响应。

3.1.2 多线程技术

基于NT技术的Windows操作系统,采用线程作为基本调度单位,一个多线程应用程序允许多个任务并发执行,因而可以执行某些实时性或随机性很强的操作,提高对CPU和其他资源的利用率,加快信息处理速度。在仿真子站中,采用多媒体定时器的精确定时线程负责处理实时数据帧的发送,而动态数据生成、存储、显示由另一独立线程处理,以提高系统数据通信的实时性。

3.1.3 实现方法

多媒体定时器运行在一个独立的线程,并且具有较高的定时精度,可以满足仿真子站最短10 ms的定时周期。当定时时间溢出时,操作系统调用该多媒体定时器的回调函数,实时响应该定时器的处理函数。

仿真子站开辟发送线程,由多媒体定时器定时,负责周期发送实时数据帧。主线程负责实时动态数据帧的生成,并将实时数据保存至实时数据库。当发送线程执行发送数据帧时,需要访问实时数据库,获取系统当前的数据,因此实时数据库是整个进程的共享资源。为了解决各线程对共享资源访问的竞争问题,采用了互斥对象Mutex做为线程的同步对象,当共享资源正被一个线程占用时,另一线程只有在资源释放后才能使用,避免访问冲突。图3给出了该方案的实现原理图。

3.2 TCP/IP协议层解决方法

仿真子站系统运行中,主站往往一次接收到仿真子站多个数据包,而不是按照仿真子站发送的时间间隔收到数据。经分析,导致主站同时接收多包数据的原因,是仿真子站网络通信套接字socket中的TCP/IP协议层采用了Nagle算法,影响了数据发送。

3.2.1 TCP的时延确认[14]

当TCP收到发自TCP连接另一端的一帧数据时,它将发送一个确认ACK,通常情况下,该确认帧ACK并不是立即发送,而是推迟发送,以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送,绝大多数实现采用的时延为200 ms,即TCP将以最大200 ms的时延等待是否有数据一起发送。

3.2.2 TCP的Nagle算法[14]

Nagle算法是Jone Nagle提出的用于减少TCP/IP网络中小分组数过多和提高网络吞吐量的一种算法[15],该算法要求一个TCP连接上最多只能有1个未被确认的未完成的小分组,在该分组的确认到达前不能发送其他的小分组,相反,TCP收集这些少量的分组,并在确认到来时以一个大分组的形式发送出去。

3.2.3 时延确认和Nagle算法产生的问题及解决

WAMS仿真子站通过数据管道向WAMS主站上传实时数据帧,主站的数据管道只负责接收数据帧,而不向子站下发数据帧。在子站上传的数据帧帧长较短时,Nagle算法将不允许子站在收到主站返回上一数据帧的确认前继续发送下一个数据帧。主站方面,由于一直没有数据下发,将等待时延定时器溢出时才向子站返回确认,此延时会达到200 ms左右。另外,在主站延时返回确认帧期间,子站又有多个数据帧需要发送(最大发送数据帧间隔40 ms),故导致了数据帧在子站的发送缓冲区积压。

显然,上述现象严重影响了子站向主站传送数据的实时性,针对WAMS主站和子站数据管道传输的特点(主站只接收实时数据帧,不向子站下发数据帧),解决方法是关闭TCP的Nagle算法,允许TCP交互过程中一个分组的确认未到达前继续发送下一个分组,图4给出了未关闭Nagle算法和关闭Nagle算法时数据管道的TCP交互流程。

4 实验结果与分析

为了验证上述方法的可行性,在实验室环境下将WAMS仿真子站和WAMS仿真主站(模拟主站运行的测试软件)接入到局域网,建立仿真子站与仿真主站的数据管道,由仿真子站向仿真主站传送实时动态数据。在仿真主站中解析数据管道接收的数据,判断接收的数据帧是否实时到达并计算流量(主站数据管道每秒接收的总帧数),进而分析仿真子站数据管道发送数据的实时性。

首先完成了窗口定时器单线程、多媒体定时器结合多线程技术2种方法的对比实验,在给定上传速率下主站数据管道接收流量的对比结果如表1所示。表中,v为仿真子站的上传速率;n1、n2分别为采用普通定时器和单线程及采用多媒体定时器和多线程时主站每秒接收的总帧数。

从表1中的数据可见,采用多媒体定时器的精确定时配合多线程技术,能够实现100帧/s的传送速率,而采用普通定时器和单线程时根本无法达到要求。

其次,在采用多媒体定时器配合多线程技术下,完成TCP/IP协议层中Nagle算法关闭前后的对比实验,设定仿真子站上传动态数据的速率是100帧/s,主站接收数据帧情况的对比结果如表2所示。

注:t为接收时间间隔,理论值为10 ms;仿真子站上传的动态数据帧帧长为38Byte;n3为接收的总字节数;n4为每次接收的总帧数。

从表2可以看出,当仿真子站向主站上传的动态数据帧的帧长较短时,TCP的时延确认和Nagle算法对数据帧传送的实时性有较大的影响,而关闭了Nagle算法后,每个数据帧都实时发送出去,不会出现数据积压。另外,从表2的接收时间间隔数值可以看出,子站以10 ms的定时周期依次上传实时数据帧,定时精度较高,进一步验证了精确定时和多线程方案的可行性。

5 结语

仿真系统通信设备 篇9

分布式交互仿真 (Distributed Interactive Simulation, DIS) 是对具有时空一致性、互操作性、可伸缩性的综合环境的表达。它基于网络技术、图形图像技术、仿真技术和信息技术, 采用一致的结构、标准和算法, 通过网络将分散在不同地理位置不同类型的仿真设备和真实系统连接起来构造一个在时间和空间上相互耦合的虚拟战场合成环境。

试验设备仿真系统主要为试验被试设备提供模拟环境信息和模拟目标信息, 以检测被试设备的工作性能。由于试验被试设备需要仿真系统提供的数据参数较多, 系统交互的数据量较大, 如果采用传统的单机仿真模式在硬件和软件上都无法满足系统的需要, 因此根据试验设备仿真系统的特点和分布式交互仿真技术的优点, 在该仿真系统的设计上采用分布式交互仿真技术, 其中网络技术起着至关重要的支撑作用。

1 仿真系统对系统网络的设计要求

仿真系统组成设备关系图如图1所示。通常来讲被试设备具有较高的数据采样频率, 根据仿真试验在实时性方面的要求, 该系统应具有同被试设备相同的数据采样频率, 这就会造成在系统运行时, 大量的数据在系统网络内进行传输。为保证数据传输的正确性和试验结果的准确性, 对系统网络的设计和建设提出了较高的要求。

1.1建立稳定可靠的连接

在总控台、仿真机、模拟器、监控机和被试设备之间建立稳定可靠的连接。由总控台向各组成设备发送试验数据, 仿真机和模拟器分别产生模拟环境信息和模拟目标信息并发送给被试设备;监控机接收网络中的各项数据并转发给相应的组成设备进行解算并实时显示试验进程, 因此在系统各组成设备之间建立稳定可靠的连接是保证试验数据正常交互的前提, 也是系统网络建设的充要条件。

1.2标准的数据结构

由于仿真试验的实时性特点, 在系统网络内传输的试验数据较多, 标准的数据结构是保证数据解算的必要条件。根据系统的需求分析, 分析出系统中的数据流, 从而对这些数据的类型进行分类, 对每种类型的数据定义标准的数据结构, 系统各组成设备通过对数据结构的解析, 对试验数据进行正确有效的处理, 从而保证数据的传输正常和试验结果的准确性。

1.3时间的一致性

仿真实际上是在真实的时空中构造出一个虚拟的时空, 并将仿真模型置于该虚拟时空环境中运行的过程, 因此时间是仿真中的一个基本概念。时间的一致性是仿真试验的充要条件, 是决定仿真试验质量的重要因素。只有解决了时间的一致性问题, 才能保证各组成设备之间有效配合, 完成事件的同步, 保证仿真试验结果的正确性。

2 仿真系统网络设计和建设

根据仿真系统对系统网络设计的要求来进行系统网络的设计和建设。设计和组建系统网络的重要工作是考虑采用何种网络拓扑结构把各个设备方便、有效地连接起来, 通常应当考虑可靠性、灵活性和经济性等因素。

选用星型结构作为仿真系统网络的拓扑结构, 其结构如图2所示。其优点首先是网络结构简单, 可靠性高。系统网络在仿真系统中主要作用是保证大量实时数据的正确传输, 星型拓扑结构的网络结构简单, 从图2可以看出系统的各个设备通过网络可以实现点对点的数据传输, 保证数据传输的高稳定性和较低的传输延时。

其优点的另一方面是星型拓扑结构具有较好灵活性和可维护性。随着设备的更新换代和IT技术的发展, 对仿真系统的改造是在所难免的。从图2可知对系统中的任意一台设备进行设计改造和更换不会对系统中的其他设备造成影响, 并且通过软硬件设计可以很好地监控网络中各个网络节点的连接状态, 便于排查故障和设备维护, 保障系统各设备时时处于稳定可靠的连接状态。

最后在经济性方面, 由于星型网络拓扑结构简单, 便于网络设计, 对系统网络的软硬件要求不高, 网络铺设和维护方便, 经济成本较低。因此综上所述, 星型网络拓扑结构简单实用, 性价比高, 符合系统的功能需要, 是仿真系统网络建设的首选方案。

3网络通信程序设计

套接字 (Socket) 是一种网络编程接口。该接口定义了许多函数或例程, 程序员可以利用它们来开发网络上的应用程序。套接字是网络编程最为常用的API之一。

在本系统的网络通信程序设计中采用数据包套接字网络编程技术。采用数据包套接字技术无需在通信双方建立连接, 可以减少许多系统开支, 提高效率从而快速响应系统要求, 满足被试设备的试验要求。

由于采用分布式交互仿真技术, 各个设备之间网络交互频繁, 为使软件程序设计合理不影响整个网络的实时性, 根据软件工程学的要求对软件模块进行划分。在程序设计上采用C/S模式, 分别建立CNet类作为处理网络通信类, 建立DataReceive () 线程用于接收网络数据以响应系统要求。网络通信程序流程设计如图3所示。

3.1创建网络通信套接字

由于Winsock的服务是以动态链接库Winsock DLL形式实现的, 所以在图3创建套接字部分首先应调用函数WSAStartup对WinsockDLL进行初始化, 分配必要的资源。

编写语句mSocket=socket (AFINET, SOCKDGRAM, 0) 创建一个数据包套接字, 用于网络通讯。函数原型如下:

这里对参数af赋值为AFINET, 表示数据在Internet域中进行通信;对参数type赋值为SOCK_DGRAM, 表示创建的套接字类型为数据包套接字。

创建套接字msocket后调用函数bind将本地地址绑定到该套接字上以使在网络上标识该套接字。其函数原型如下:

3.2交互网络数据

通过以上的3个步骤就创建了一个可用于网络通信的数据包套接字, 下面的工作就是通过该套接字进行网络数据的交互。由于仿真试验在实时性方面要求较高, 为使系统运行流畅, 数据交互良好, 防止发生响应滞后、“死机”等现象, 需要在图3接收网络数据部分建立专门的线程DataReceive用于接收数据。在该线程中可调用函数recvfrom用于接收网络数据, 响应系统要求。其函数原型如下:

这里需要注意的是线程同步问题。由于进程内的所有线程共享同一个地址空间, 某个线程的操作就可能对其他线程的数据造成影响。例如数据接收线程还未完成网络数据的接收工作就有其他读写线程来读写网络数据, 系统运行就会出错, 影响试验的准确性。

本系统的解决办法是利用事件对象来解决线程同步问题。建立专门的函数CtrlThread来监控线程, 调用函数WaitForSingleObject来等待唤醒线程的特定事件的发生。

系统接收到网络数据后, 通过定义的标准数据结构对该数据进行解析, 对解析后得到的试验数据根据其数据类型进行相应的操作。为便于试验中数据的交互, 可定义用于发送网络数据的函数bool CNet::SendData (char *data, int len, int addto) , 其中参数Data表示要发送的网络数据, 参数len表示要发送网络数据的长度, 参数addto表示网络数据发送到的目的地址。

3.3关闭网络通信套接字

最后当网络通信结束, 任务完成时就需要关闭套接字, 来释放其占有的资源。调用函数closesocket (SOCKET s) 来关闭套接字, 参数s表示要关闭套接字的句柄。在这里需要注意的是由于在创建套接字前调用函数WSAStartup来加载动态链接库Winsock DLL, 那么在应用程序关闭套接字后还需调用函数WSACleanup来终止对Winsock DLL的使用并释放其资源, 以备下一次使用。

3.4试验结果

从系统在试验过程中的运行状态方面来看, 通过运用上述在系统网络建设的软硬件设计, 保证了系统各设备之间稳定可靠的连接。同时从最后的试验结果上看, 系统能够对网络数据进行正常有效的解析, 保证了试验结果的准确性。存在的问题是在系统运行时, 系统与被试设备之间存在一定的时间延迟, 主要原因在于在仿真时间上缺乏对高精度的时间表达和物理硬件上的客观现实造成的。解决方法是通过在系统中增加了时统设备, 对系统时间进行统一校时等操作后, 很好地解决了这一问题。

4 结束语

试验设备仿真系统由于自身特点而采用分布式交互仿真技术, 其重点是进行系统的网络建设。从网络建设的要求出发, 采用星型拓扑结构来组建系统网络, 利用套接字技术实现网络通信程序设计, 特别是利用时统设备解决了系统时间不一致的问题, 较好地完成了系统的网络建设, 实现了系统中设备之间的网络通讯, 为该仿真系统正常运行和系统功能的实现提供了有力支持。

摘要：通过对试验设备仿真系统自身特点的分析, 在系统设计上采用分布式交互仿真技术, 其中网络技术起着至关重要的支撑作用。论述从仿真系统网络建设的要求出发, 阐述该仿真系统网络结构设计和利用套接字网络编程技术实现网络数据通信两大关键实现步骤, 并给出网络通信程序设计的方法。最后对系统运行结果进行分析, 解决了系统出现的问题, 很好地实现该仿真系统的功能。

关键词：分布式交互仿真 (DIS) ,拓扑结构,套接字

参考文献

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仿真系统通信设备 篇10

车载自组网是运行于道路上的新型移动自组织网络, 可以实现车辆间、车辆与路边节点间的多跳无线通信。就车辆与路侧设施通信 (V2I) 而言, 车辆与路侧设施通信是指路侧通信设施与其传输距离范围内的车辆之间进行信息交换。V2I结构的优点在于可以使用大量已经架设的通信设施, 费用低廉, 并且由于位置的固定具有相对于车车通信更高的稳定性和准确性。为优质的通信质量提供了保证。

2 Veins系统仿真环境

Veins是一个由基于事件的网络仿真器和道路交通仿真模型构成的具有开放资源的车间通信仿真系统。其中, 网络仿真器使用OMNe T++软件, 道路交通仿真使用SUMO软件。在进行仿真时, 两个仿真器平行运行, 通过TCP接口连接, 从而完成道路交通与网络的双向互联。

3 车路通信仿真

本文首先使用双向耦合仿真平台Veins对车路通信进行模拟仿真, 将交通仿真器中的车辆和路侧设备映射为网络仿真器中的节点, 并在网络仿真器中实现两者的信息交互。通过与车-车通信进行对比, 研究两者使用基于距离的广播方案时的性能参数, 展现出车-路通信良好的抗干扰性能和稳定性;与此同时, 还实现了车辆动态的路径选择, 在车辆接收到事故信息时, 车辆根据自身位置选择新的行驶路线。

3.1 仿真场景

本次试验用到的场景是曼哈顿网格 (500m×500m) , 网格中的道路为单向车道, 车路通信过程中交叉口位置设置有红绿灯, 车辆节点以车流的方式从左上角经过对角行驶至右下角, 事故节点在35s时发生事故, 广播范围分别设置为200m和500m, 用来测试它对信息传播的影响, 车辆密度的调整体现在车流的总体数目, 分别设置为200辆和300辆。通过对车——车通信与车——路通信进行对比, 分析使用相同广播方案时两种不同的通信方式各自表现出来的广播性能, 并具体分析了车辆密度、广播范围, 是否采用特定的广播方案等条件对传输比以及广播延时的影响。

3.2 仿真结果

3.2.1 曼哈顿网格场景下的广播方案参数评估

图1展示车车通信和车路通信中的传输比值的对比图, 从图中可以看出:在相同的条件下, 车车通信的传输比相较于车路通信要低一些, 这是由于车路通信采用了路侧节点转发消息从而减轻了消息广播过程中的信息冲突。

图2展示了车车通信和车路通信中的延时的对比图, 从图中可以看出:在相同的条件下, 车车通信的延时相较于车路通信要高一些, 这是由于试验中计算的是延时的平均值, 车车通信中部分节点未收到消息则延时即为零值。

3.2.2 曼哈顿网格场景下的动态路径选择

这一小节使用车路通信实现车辆的动态路径选择, 即处于一定位置的车辆在接收到事故消息之后选择一条新的到达终点的路径, 我们定义第一条路径为路径0, 第二条路径为路径1, 使处于A到B上的节点在接收到事故消息是实现路径的改变 (这是考虑到事故节点的停留时间等因素) 。

得到的实验截图如图3所示:

由上面的图可以证实, 实现了使用车路通信的车辆动态路径选择。

参考文献

[1]肖玲, 李仁发, 罗娟.车载自组网的仿真研究综述[J].系统仿真学报, 2009, 21 (17) :5330-5356.

[2]OPNET Simulator.[EB/OL].[2009-4-6].http://hvww.opnet.com/

仿真系统通信设备 篇11

关键词: 轮机仿真训练器; 数据通信; USB 2.0技术

中图分类号:TK223.5;TP391.9;TP393.04文献标志码:A

Design for data communication of 2H-4000 marine engineering simulator

LI Jun1, ZHANG Zhenghong2

(1. Navigation Department, Nantong Shipping College,Nantong Jiangsu 226010, China;2. Shanghai Honghao Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 210002, China)

Abstract:In order to meet the requirements of large communication capacity and high reliability for 2H-4000 marine engine simulator, a specific distributed computing software model is used, and data communication in the shared memory is realized by means of communicational agent program. The USB 2.0 technologyis used to realize communication between hardware and computer, and design scheme of data communication. According to the practical operational results, reliability, maintainability, scalability and rapidity of the data communication method are realized.

Key words:marine engineering simulator; data communication; USB 2.0 technology

0 引 言

轮机仿真训练器是培养轮机人员的重要训练设备.运用轮机模拟器的仿真培训代替船员的部分海上经历,有助于提高实船操纵中所必需的快速反应能力和安全操纵能力,缩短轮机员在航适应时间,减少海上事故的发生,可有效地培养现代高级轮机管理人员.国际海事组织(IMO)在STCW 78/95公约中已将轮机仿真训练器列为船员必备的培训设备之一,并要求轮机模拟器具有足够的仿真环境,使受训者能获得并表现出培训目标所要求的技能.[1]目前,国内外已有多家单位开发出轮机仿真训练器,如挪威的N0RCON公司、英国的Transas公司、国内的武汉理工大学[2]、上海海事大学[3]和大连海事大学[4]等.

2H-4000轮机仿真训练器以上海远洋公司第5代全集装箱船“鲁河”号为母型船,盘台界面按船舶实际结构布置,采用计算机软件进行分布式架构,盘台设备与仿真系统间的数据通信采用USB 2.0技术.研发过程中主要考虑:(1)轮机仿真训练器应满足轮机专业教学、实际操作培训和评估考核等要求,使用频率高且培训项目多,必须保证其运行的可靠性、易维护性和可扩展性;(2)轮机仿真训练器包含近百个数学模型、逻辑控制模型和上千个点的硬件控制/显示,须保证计算机仿真运行的实时性.

本文介绍2H-4000轮机仿真训练器各部分的组成特点,并针对以上问题提出切实可行的技术方案.

1 2H-4000轮机仿真训练器系统组成

2H-4000轮机仿真训练系统主要由盘台设备、软件模型和数据通信等3个部分组成.系统组成框图及数据通信原理见图1.

图1 系统组成框图及数据通信原理

盘台设备包括电站(发电屏、配电屏和应急发电屏),示教板,机电控制箱(主海水控制箱、辅锅炉控制箱和压缩空气控制箱等),集控台(AC-4主机遥控控制面板、SSU安全保护控制面板、DGU电子调速系统控制面板和ETU机舱监测报警控制面板等),驾驶台以及机旁操作台.软件模型包括主机模型、机电控制箱模型、辅机及管路模型、监测报警系统和电站系统等5个分系统模型.数据通信主要包括2种方法:(1)计算机仿真模型采用分布式运算架构,基于TCP/IP协议用通信代理实现数据在共享内存中的通信,实现模型处理的实时性;(2)硬件盘台数据采集系统,采用485总线结构采集数据,再通过USB 2.0通信接口实现盘台设备与计算机模型间的通信,实现轮机仿真训练器的可维护性与可扩展性.

2 分布式运算架构下的通信代理技术

2H-4000轮机仿真训练器的计算机系统采用最新的分布式运算架构.分布式运算架构指各软件之间互相共享信息,既可以在同一台计算机上运行,也可以在通过网络连接起来的多台计算机上运行.[5]在2H-4000轮机仿真训练器中,有近百个数学模型用于实现对主机、辅机、电站及其控制系统的仿真和对硬件盘台设备的控制.如果所有数学模型集中到1台计算机上运行,大量运算资源的消耗将不能保证仿真训练的实时性.将计算模型分布到几台计算机中,通过通信代理技术实现数据通信,提高每台计算机的运算效率,保证仿真系统的实时性.在这种架构下,轮机系统的仿真模型分布在各模块中,每个模块单独运算,并将计算结果通过网络发送给其他模块;各模块相互独立,模块之间经通信代理通过TCP/IP协议进行网络通信,实现数据传递.这种耦合结构使系统调试更为方便、灵活:在其他模块不工作时,可进行单模块调试;所有模块集中到同一局域网内时,可进行系统联调.因此,在进行电站培训、评估或出现故障时,可将其他盘台设备及软件模型隔离不用,仅用模块PowerStation.exe及电站盘台设备;模块间的数据交换通过通信代理间接进行;通信代理和应用程序之间通过共享内存区域进行数据交换;应用程序发送数据时,将数据写入共享内存,再由通信代理从共享内存中读取数据,通过TCP/IP协议发送;通信代理接收到数据后,将数据写入共享内存,由应用程序主动读取.

以主机模型为例,当主机模型向外发送数据时,其数据流程:(主机模型所在计算机)主机模型待发送的数据→共享内存中的“Sending Data Shared Memory”→通信代理中的“数据发送线程”→TCP/IP协议→(其他模块所在的计算机)通信代理中的“数据接收线程”→共享内存中的“Receiving Data Shared Memory”→其他模块读取调用.通信代理工作原理见图2.

图2 通信代理工作原理

在研发2H-4000轮机仿真训练器的基础上,利用分布式运算架构的特性研发单机版桌面系统.当软件系统不连接硬件盘台设备时,1台计算机的运算资源可保证软件仿真系统的快速运行.单机版桌面系统通过完整的软件面板模拟,在脱离硬件盘台设备的情况下,整个系统可在1台计算机上对软件模型中的轮机设备进行操作,实现全部的操作培训功能,并允许对单个系统进行重点培训.单机版桌面系统的数据通信见图3.

图3 单机版桌面系统的数据通信

3 子系统数学模型及数据通信

2H-4000轮机仿真训练器系统运行的核心是数学模型,主要体现为5个模块(可执行文件):Main-Engine.exe(主机和AC4模型),ControlBox.exe(机电控制箱系统),Pipe.exe(管路模型系统),AlarmMonitor.exe(监测报警系统)和PowerStation.exe(电站系统).在每个模块中,数学模型一方面通过逻辑控制实现对轮机仿真设备的控制、操作、保护和报警,另一方面模拟轮机设备的动态运行特性,以便通过逻辑运算,实现对其运动状态的显示、监测和控制.数学模型的建立以IEAS为平台,对所有轮机设备的物理结构及控制工作原理进行仿真.仿真子系统的典型数据流程及控制显示过程见图4(以AC4主机遥控系统子系统为例).

图4 AC4子系统数据流程及控制显示过程

由图4可知,除可以进行硬件盘台设备操作外,系统还可以进行软件模拟面板操作.软面板模块的主要功能是模拟硬件操作,将数据传递给模型运算模块,同时显示模型运算模块的输出参数.系统的每个硬件盘台设备都有对应的软件面板,可替代实物面板操作,并可通过逻辑协调与硬件盘台设备协同工作.

由于硬件操作和软面板操作可同时进行,且某些设备存在多硬件控制点(如高温淡水泵在机电控制箱和集控台上都可进行操作),需要解决好2个问题:(1)硬件设备和软件模拟面板的同步;(2)多硬件控制点的优先级控制.本系统遵循以下原则:(1)对触发型设备(包括按钮和带灯按钮等),采用任意点触发的原则,即控制箱、集控台和软件控制面板上任意点触发,均认为该设备有效. (2)对状态型设备(如多挡开关和电位器等),采用机电控制箱>集控台>软件控制面板的优先级原则.

4 基于USB 2.0技术的数据采集和通信技术[HS)]

USB技术是1种应用于计算机领域的新型接口技术,支持在主机与各种即插即用外接设备之间进行数据传输.它由主机预定传输数据的标准协议,总线上的各种设备分享 USB总线带宽,其主要优点:数据传输速率明显快于一般的串口;支持控制传输、中断传输、块传输和同步传输等4种传输方式,以满足不同外接设备的需要;最多可连接 127个外接设备;支持热拔插和即插即用;占用的系统资源少;无总线竞争等.[6]USB技术在计算机的外接设备扩展中应用日益广泛.USB 2.0可在3种速度模式下工作:高速(480 Mb/s)、全速(12 Mb/s)和低速(1.5 Mb/s).

2H-4000轮机仿真训练器中,为提高系统的可维护性和数据通信的实时性,硬件数据采集采用485现场总线架构,数据采集模块和计算机之间采用USB连接.当数据采集模块出现故障时,只需将外接的USB设备拔掉,换上备件,且更换时不需关闭系统,整个系统运行不受影响.下位机(数据采集卡)采用RS485通信,抗干扰能力强,传输距离长.上位机(计算机)采用USB

2.0接口,通信速度快,高达480 Mb/s.USB/485网络物理结构见图5.

图5 USB/485网络物理结构

由图5可知,盘台设备的I/O信号经过数据采集卡后,依次经485现场总线和USB/485通信盒,实现数据采集卡和计算机数据的接收和发送,最后由USB 2.0实现计算机和通信盒的高速通信.由于受现场参数数目、带宽和数据采集卡CPU运算速度的限制,RS485通信盒和各下位机通信速度较慢.为提高数据通信的实时性,可采用以下的简化措施:(1)建立合理的数据结构.将真实设备中的各种参数类型作统一化处理,建立参数表和多层索引表,实现参数显示、设置的简单化,减少通信数据流量.(2)采用简化的通信协议.数据通信仅传递变化后的参数,从而降低通信量,实时反映各参数的变化.

系统的盘台设备采用完全一致的数据采集卡(除少量设备如车钟和AC4系统外),不仅可提高数据采集系统的可维护性,而且也可满足数据采集系统通用性强、成本低、结构简单和可互换等要求.数据采集卡结构原理见图6.

图6 数据采集卡结构原理

数据采集系统软件模块主要包括:(1)USB/485通信盒的驱动程序和提供给模型程序的接口动态链接库;(2)USB/485通信盒内的485和USB 2.0通信程序;(3)下位机的485通信程序.

5 结束语

2H-4000仿真训练器的数据通信系统仿真模型采用分布式运算架构,基于TCP/IP协议,通过通信代理实现各个模块的数据通信;硬件盘台数据采用统一的数据采集卡,通过RS485总线汇总数据,经USB/485通信盒,再以USB 2.0技术实现数据采集卡与计算机的通信.该方案满足轮机仿真训练器的可维护性、可扩展性、实时性以及可靠性要求.2H-4000轮机仿真训练器既可用于实训教学和在职船员的培训,又可用于不同系统的独立研究或综合应用研究,具有较高的应用价值.

参考文献:

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仿真系统通信设备 篇12

通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称, 广义上共包括信源、信道和信宿三个部分。信源是指通信过程中产生和发出信息的设备或计算机的总称, 信宿与其相对, 是指通信过程中接收、处理信息的终端设备或计算机的总称。

通信信道是数据传输的通路以及信号传输的媒质, 是本文讨论的重点。信道最重要的参数之一就是信息的传递能力, 用带宽加以描述。由于通信设备爆炸式的增加, 传统的一个设备占用一个信道的传输方式因其效率低而不再适用。新的传输方式要求若干个设备使用一个信道, 并且安排合理的分配方式使得同一信道上各路通信互不干扰。最广泛的三种复用方式是:频分复用、时分复用和码分复用。

(1) 频分复用

频分复用是将通信信道的整个频谱范围, 划分成若干个频率范围, 每一对通信设备只允许工作在某一个特定的频率范围之内, 即不同的通信用户是依靠不同的频率范围来实现通信的。早期的无线通信系统以及现在的无线广播、短波、大部分专用的通信王伦, 仍然采用频分复用的技术加以实现。

(2) 时分复用

时分复用是将全部通信信道在时间轴上, 划分成若干个相等长度的时间间隙。将每一对通信设备分配在某一个指定的时隙上工作, 那么不同的通信用户即可通过不同的时隙划分实现通信。现在广泛应用的数字蜂窝无线通信系统 (GSM) 就是应用时分复用的典型实例。

(3) 码分复用

码分复用不同于频分复用和时分复用, 它是利用码组的正交性, 将承载着不同通信用户的通信信息加以区分。每一对通信设备都被分配在特定码组上实现通信。现在正在使用的数字蜂窝无线通信CDMA、第三代移动通信系统WCDMA, CDMA2000以及SC-CDMA都采用了码分复用的技术。

码分复用的关键在于通信码组之间的正交性。一种获得正交码组的方法是使用M序列发生器。M序列是最大长度线性反馈移位寄存器序列的简称, 具有很强的自相关特性和很弱的互相关性质。并且M序列可以提供与其周期长度相同个数的正交码组。

2 频分复用 (FDMA) 的实现与仿真

图1中的通信系统实现了三对通信对象的频分复用方式。Signal Generator1, 2, 3作为信源, 分别产生正弦、方波、三角波三路信号, 系统的信宿Scope1, 2, 3理应顺序收到以上三路信号。左半部分的三个双边带幅度调制器 (DSB AM Modulator) 分别将三路信号的频谱搬移到三个互不重叠的频谱范围之内, 后面紧跟的模拟滤波器 (Analog Filter) 滤除有用频带之外的干扰信号。至此实现了不同信号的分频段传输, 也就是频分复用方式的通信传输方式。

在实际传输过程中, 难免会有随机噪声的干扰, 因此仿真中加入了随机白噪声 (AWGN channel) 进行模拟。在通信接收端之前, 需要将混在一起的三路信号从频域上分离开来, 并还原到基带。模拟滤波器4, 5, 6分别滤出相应的三路信号, 并通过双边带幅度解调器 (DSB AM Demodulator) 将频谱搬移回基带两侧。

仿真结果通过示波器Scope进行观测, 可以看出三个通信终端分别得到了相对应通信信源所发出的信号。

3 时分复用 (TDMA) 的实现与仿真

图2中所示为时分复用通信系统的实现框图。三路信源发出的信号经过复用单元 (Multiplex) 被分入到特定时隙中, 在信道上进行传输。在接收端之前, 经过解复用单元 (Demultiplex) 从时隙中取出, 恢复成原始的三路信号。

图3左侧为时分复用单元 (Multiplex) 的具体实现。脉冲发生器 (Pulse Generator) 通过单位延时 (Unit Delay) , 形成三路时间上错开的方波信号。再将待传输信号与三路方波使能信号同时输入使能子系统 (Enabled Subsystem) , 将三路输入分配到不同的时隙中去。

时分解复用单元 (Demultiplex) 与时分复用单元恰为互逆系统。经过时分复用单元合并后的信号分成同样的三路输入到时分解复用系统中, 与三路脉冲方波信号一同输入到使能子系统中去, 将不同时隙中的信号分别抽取出来, 恢复成原始的三路信号。需要注意的是, 在时分复用单元与时分解复用单元中, 二者脉冲发生器所产生的脉冲需做到周期、占空比与延时完全一致。

4 码分复用 (CDMA) 的实现与仿真

图4为码分复用通信系统的实现框图。待传输的信号为三路二进制伯努利随机序列, 由伯努利二进制序列发生器 (Bernoulli Binary Generator) 产生。系统中的三个正交码组由M序列发生器 (PN Sequence Generator) 产生的序列以及其4个和7个码元的延时组成。正交码组的码元宽度是伯努利序列码元宽度的1/50。无论是伯努利码元还是正交码元都是单极性的, 所以需要经过施密特触发器 (Relay) 转变为双极性码元。传输时, 将每一路伯努利信号与一个正交码组相乘进行直接扩频, 然后三路信号相加经过模拟的白噪声信道 (AWGN Channel) 进行传输。

接收端部分, 根据M序列正交码组自相关性强且互相关性弱的特点, 将传送过来的信号分别与三路正交码元信号相乘, 提取出每一路的伯努利二进制信号。通过滤波器设计工具 (FDA Tool) 设计合适的低通滤波器来滤除信号传输过程中的高频干扰, 并利用施密特触发器将信号转化成二进制双极性信号, 得到与原始信号相同的二进制伯努利信号。

更进一步地, 将三路伯努利二进制信号换成语音信号, 经过通信系统传输之后所得到三路传输后的语音信号, 与原语音信号比较后可以得出, 语音失真度较小, 并且没有出现语音混杂的情况, 说明CDMA可以用于语音通话传输的领域。

5 三种复用方式的比较

采用频分复用的通信系统中, 每一路信号占据一片独享的频率区间, 该区间不被其它信号占有, 因此信道的复用率较高, 所需的链路数量较少。但各路信号之间容易产生干扰, 对相位噪声敏感, 抗噪声能力差, 并且因为不同信号占据不同的频带区间, 所以需要设计相应的带通滤波器。

采用时分复用的通信系统, 是通过不同的时间区段对信号进行划分, 所以不同信号的频谱使用不受限制, 甚至可以是同一频率区段的任一分量。抗干扰能力优于FDMA, 尤其是采用较好的编码方式的话 (PCM编码) , 抗干扰能力更佳, 链路的容量较FDMA更大。但是抗相互干扰的能力较差, 因此相邻区间频率的重复使用受到限制。

采用码分复用的通信系统不受时间或是频率区段的限制, 其关键在于选取合适的正交地址码, 信号在时域或频域均可重叠, 故频带资源的消耗少。同时具有较强的抗干扰能力, 链路容量更大, 还具有保密性能好、信号接收设备简单等优点。

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