摘要：基于目前軍事裝備研發(fā)與訓練中對臨時性模擬過程的需求，采用了技術融合的方法，將嵌入式技術和仿真技術整合，將仿真作為最終目的，將嵌入式技術作為其實現(xiàn)形式，研究了軍用嵌入式仿真技術的體系結構。結合理論推演和相關技術的探討，論證嵌入式仿真技術應用的可行性。并最終提出實現(xiàn)嵌入式仿真技術的解決方案，滿足了軍事裝備研發(fā)與訓練中對臨時性模擬過程的需求，填補了其基礎理論的空白。
關鍵詞：電路與系統(tǒng)；體系結構；綜述；仿真

    嵌入式仿真技術由嵌入式技術和虛擬仿真技術整合而成，以仿真技術為主要功能，以嵌入式技術為實現(xiàn)形式。
    仿真技術模擬環(huán)境和狀態(tài)對用戶產生的影響；同時允許用戶對仿真產生動作，將動作效果反饋給用戶。仿真技術必須依靠有效的體系結構，不同級別的仿真系統(tǒng)體系結構也不同。戰(zhàn)役或戰(zhàn)術級別的仿真技術需要隨裝備或部(分)隊行動，因此該級別的仿真技術正在向小型化、可編程化和模塊化發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)的對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。
    嵌入式仿真技術是將仿真技術的核心軟件植入嵌入式系統(tǒng)，依靠嵌入式系統(tǒng)的運算處理能力、探測控制能力、通信能力和存儲能力完成仿真過程。

1 軍用嵌入式仿真技術基本理論體系
1．1 嵌入式仿真技術基本功能
    軍用仿真技術研究兩個方面：武器裝備仿真和作戰(zhàn)仿真。仿真技術將部隊實裝研究與訓練、演習、作戰(zhàn)推演轉化成由計算機虛擬完成的逼真過程，以減少周期和資源投入，其可重復使用的特點又方便了裝備或作戰(zhàn)研究。嵌入式仿真是在實現(xiàn)仿真功能基礎上，進一步實現(xiàn)小型化、可編程化和模塊化。
1．2 嵌入式仿真技術功能實現(xiàn)
    嵌入式仿真技術3個要素是系統(tǒng)(被仿真對象)、系統(tǒng)模型和嵌入式設備。聯(lián)系這3個要素的基本活動是模型建立、仿真方案生成和仿真試驗，輔以驗證、分析和反饋。

1．2．1 建立模型和仿真方案生成
    仿真技術建模方法包括機理建模方法、系統(tǒng)辨識建模方法、多分辨率建模方法、面向對象建模方法、多視圖建模方法、數(shù)據(jù)可視化建模方法、多媒體建模方法、面向組件建模方法和面向服務建模方法等。模型是嵌入式仿真技術的基礎，模型是否準確地描述了被仿真對象，是結果是否可信的前提。因此要進行模型驗證，包括可信性驗證和一致性驗證，以檢查模型是否正確地描述了實際系統(tǒng)，以及模型輸出是否充
分接近實際系統(tǒng)的行為。
1．2．2 仿真實驗
    仿真實驗是嵌入式設備依據(jù)系統(tǒng)模型和仿真方案，自動計算并給出虛擬環(huán)境和虛擬狀態(tài)供用戶動作的過程，這是由嵌入式設備硬件和軟件共同完成的過程。仿真實驗以自動控制技術為理論體系，以虛擬環(huán)境和狀態(tài)的瞬態(tài)變化為激勵，以用戶動作為響應，再以該動作對虛擬環(huán)境和狀態(tài)產生的效果的反作用為反饋，整個過程是閉環(huán)控制過程，可歸納為如下數(shù)學模型
   
    G為虛擬環(huán)境或狀態(tài)，Gb為仿真結果，H為系統(tǒng)處理過程，s為時間。如過程中存在用戶先于環(huán)境狀態(tài)反饋的動作，則應增加前環(huán)反饋，模型與上式基本相同，但H(S)應展開為
   
    其中Gr(s)、Gp(s)和Gc(s)定性地代表仿真過程中增加前環(huán)反饋后可能存在的處理過程。[!--empirenews.page--]
1．3 嵌入式仿真技術系統(tǒng)組成
    嵌入式仿真技術的理論體系包括嵌入式物理效應設備、嵌入式仿真支撐平臺、基礎軟件系統(tǒng)和模擬仿真系統(tǒng)。
    嵌入式物理效應設備有軟件控制，在虛擬環(huán)境和虛擬狀態(tài)中生成逼真的物理效應。仿真支撐平臺融合多種技術，包括仿真系統(tǒng)總體技術、建模／仿真試驗／評估工具引擎技術、VR／可視化技術、集成框架／平臺技術、中間件技術、網絡／通信技術、數(shù)據(jù)庫／模型庫／知識庫／內容管理等，為仿真過程提供處理、存儲、控制和通信能力。基礎軟件系統(tǒng)類似于計算機操作系統(tǒng)，為應用軟件提供必要保障。
    模擬仿真系統(tǒng)完成仿真的核心過程，它是基于數(shù)據(jù)庫建立起來的算法，必須囊括被仿真系統(tǒng)模型的所有信息，這些信息經過算法調用生成虛擬環(huán)境和狀態(tài)。接收用戶反饋后給出效果，并通過物理效應設備輸出效果。模擬仿真系統(tǒng)進行仿真的基本方法有數(shù)據(jù)查詢和實時演算。數(shù)據(jù)查詢是根據(jù)反饋在數(shù)據(jù)庫中查找對應數(shù)據(jù)，是經驗式仿真，速度快，應變能力差。實時演算是將反饋信息引入算法，直接計算，是推演式仿真，應變能力強，速度相對慢。這兩種方法往往綜合運用。

2 軍用嵌入式仿真應用系統(tǒng)硬件結構
2．1 應用系統(tǒng)硬件基本結構
    嵌入式仿真應用系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是其理論體系中硬件體系的具體化和產品化，同時以實有硬件的具體功能性能為依據(jù)。完整的嵌入式仿真應用系統(tǒng)硬件結構應如圖2所示。

2．2 硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊是嵌入式仿真過程的關鍵，虛擬環(huán)境和狀態(tài)的信息必須能夠被感知，才能引起用戶反應；用戶動作也必須被感知才能判斷效果。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和人機交互器件組成。傳感器探測各種狀態(tài)變化，轉化為預處理信號；交互器件直接采集用戶動作，理解為用戶對某種環(huán)境或狀態(tài)的反應。
2．3 硬件系統(tǒng)計算和存儲模塊
    計算和存儲模塊在嵌入式仿真應用系統(tǒng)中起著控制整個系統(tǒng)、存儲各類數(shù)據(jù)的作用。存儲模塊中的數(shù)據(jù)和程序與微處理器交互，經過協(xié)調分別完成對應功能?？刹捎玫慕Y構包括8086體系結構、ARM體系結構、DSPs器件結構和FPGA
器件結構。
2．4 硬件系統(tǒng)接口與通信模塊
    接口與通信模塊完成數(shù)據(jù)和程序的傳輸。嵌入式仿真應用系統(tǒng)要求與實裝無損連接，通信結構要求具備易拆裝特點和三通特點，即在不切斷原有鏈路基礎上接入分支鏈路，需增加信號能量補償。
    嵌入式仿真應用系統(tǒng)需要與上下級系統(tǒng)通信。通信可采用各種適當?shù)膮f(xié)議，并適當添加加密模塊。[!--empirenews.page--]
2．5 硬件系統(tǒng)效果輸出組件
    效果輸出組件是嵌入式仿真應用系統(tǒng)區(qū)別于其他嵌入式應用系統(tǒng)之處。仿真系統(tǒng)產生的效果。效果輸出組件包括硬件和軟件，其硬件即為嵌入式仿真技術基本理論體系中的物理效應設備，軟件為基礎軟件和模擬仿真系統(tǒng)在本地的分支或子程序。效果輸出組件受模擬仿真系統(tǒng)控制，以模擬仿真系統(tǒng)提供的順態(tài)狀態(tài)或動作為觸發(fā)。

3 軍用嵌入式仿真應用系統(tǒng)軟件結構
3．1 應用系統(tǒng)軟件基本結構
    嵌入式仿真應用系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是其理論體系中軟件體系的具體化和產品化，是嵌入式仿真實現(xiàn)其功能的指揮和指導。完整的嵌入式仿真應用系統(tǒng)軟件結構應如圖3所示。

3．2 軟件系統(tǒng)仿真功能
    虛擬環(huán)境通常指實裝或想定的環(huán)境，仿真過程是順序結構，采用數(shù)據(jù)查詢方法。這種結構是“給出環(huán)境——等待用戶動作——作出反饋”，適合離散仿真。嵌入式系統(tǒng)由于受硬件資源限制，比較適合采用這種觸發(fā)式軟件。因此虛擬環(huán)境仿真的嵌入式化就是軟件的精簡化。
    虛擬狀態(tài)通常指過程進行到一定程度時系統(tǒng)所處的狀態(tài)。這些信息往往沒有經驗準備，在真實情況下即根據(jù)各種影響連續(xù)變化，且后一狀態(tài)由前一狀態(tài)和當時動作共同決定，因此需要這些量的變化模型，針對它們的仿真屬于連續(xù)仿真。這種仿真是循環(huán)結構，即實時查詢用戶是否有動作，將動作數(shù)據(jù)引入算法計算。這種仿真模式占用資源多，進行嵌入式化時必須增加資源釋放功能。
3．3 軟件系統(tǒng)運算處理功能
    處理功能包括環(huán)境狀態(tài)處理和圖像處理。嵌入式仿真軟件對環(huán)境狀態(tài)的處理即對采集的物理量的處理。處理量大，加之嵌入式硬件資源限制，因此仿真軟件的處理功能采用優(yōu)化算法，如插值法、FFT等。圖像處理是嵌入式仿真軟件必備功能，因為視覺仿真是最基本的仿真。圖像處理內容包括自然變化、用戶動作效果、虛擬狀態(tài)反饋等，需要占用大量資源，嵌入式仿真系統(tǒng)必須考慮到資源限制。采用二維和三維交叉結構，在不需要三維效果時進行二維處理，節(jié)省資源。處理位置上采用本地處理和遠程處理甚至云處理。
3．4 軟件系統(tǒng)控制功能
    控制功能是仿真軟件通過嵌入式處理器協(xié)調系統(tǒng)運行的能力。實現(xiàn)控制功能的程序屬于基本軟件系統(tǒng)中一部分，采集仿真過程的中斷，決定是否響應，與系統(tǒng)本身直接相關。其控制領域包括系統(tǒng)資源分配、硬件動作、物理效應輸出等。
3．5 軟件系統(tǒng)通信功能
    軟件的通信功能與硬件的通信模塊相結合工作，完成系統(tǒng)通信工作。實現(xiàn)通信功能的程序必須具備如下過程：有接口驅動，調用通信接口；合適的編解碼算法，信息準備；加密算法，對編碼加密；完整的通信協(xié)議，預留充足的字段；加密后編碼，開始通信。以上是發(fā)送結構，接收結構與之相反。

4 結束語
    嵌入式仿真技術是將仿真技術小型化、可編程化和模塊化后以嵌入式系統(tǒng)的形式嵌入實際系統(tǒng)的一種技術。嵌入式仿真技術的體系結構復雜，綜合了多學科技術，以仿真技術為核心，以嵌入式技術為保障，互相融合、交互組織，形成一個完整的體系結構。充分掌握其體系結構可指導嵌入式仿真技術的研發(fā)和應用。相應級別的軍事裝備研發(fā)、訓練和行動推演都可依靠嵌入式仿真技術提高效果，減少資源消耗，深
入了解軍用嵌入式仿真技術體系結構具有重要的現(xiàn)實意義。