徐 健,趙冬娥,鄧 均,黃 智

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

0 引言

彈丸的彈著點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量是武器系統(tǒng)中不可缺少的一項(xiàng)重要指標(biāo),也是各種武器研制、試驗(yàn)和驗(yàn)收必須測(cè)試的重要參數(shù)[1]。彈丸射擊精度同時(shí)也是部隊(duì)訓(xùn)練、考核的一項(xiàng)重要措施。能否精確地測(cè)量出武器系統(tǒng)的射擊精度,將對(duì)提高武器系統(tǒng)的研制水平和部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有著極其重要的意義[2-3]。

目前國(guó)內(nèi)外測(cè)坐標(biāo)方法很多,光電測(cè)坐標(biāo)法以其測(cè)試精度高、可靠性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)常成為眾多測(cè)坐標(biāo)方案的首選[4],但傳統(tǒng)的光電測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)在坐標(biāo)采集和處理方面也有不足之處。文獻(xiàn)[5]是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的比較先進(jìn)的測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng),但是沒(méi)有具體提到信號(hào)采集和處理的方法。文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了示靶、檢靶、自動(dòng)報(bào)靶的一體化,但在信號(hào)的處理方面有些不足。首先由于傳統(tǒng)的微控制器I/O口不足,使其不得不使用串聯(lián)編碼器的方法來(lái)擴(kuò)展管腳,這樣會(huì)使系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行速度下降,且不能保證時(shí)序,無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)高速運(yùn)動(dòng)物體的坐標(biāo),同時(shí)無(wú)法適應(yīng)大靶面的需求。其次,由于傳統(tǒng)微控制器的處理速度慢,使這種系統(tǒng)無(wú)法測(cè)試子彈連發(fā)的坐標(biāo)[7]。

針對(duì)這些問(wèn)題,本文將復(fù)雜可編程器件(CPLD)和51單片機(jī)相結(jié)合,用于激光光幕坐標(biāo)靶測(cè)試,充分發(fā)揮CPLD I/O口眾多、響應(yīng)速度快和單片機(jī)控制方便的特點(diǎn)。

1 Altera CPLD和51單片機(jī)

文獻(xiàn)[5]介紹了一種實(shí)彈射擊精確自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,發(fā)光二極管發(fā)射平行光束,光電二極管組成接收傳感器陣列,共同組成光電靶。子彈穿過(guò)靶遮擋光束,X、Y軸對(duì)應(yīng)的光電二極管輸出脈沖信號(hào),通過(guò)編碼形成8位二進(jìn)制地址碼,利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了解決I/O口不足的問(wèn)題,文獻(xiàn)[5]不得不采用13片74148芯片的8-3線(xiàn)編碼器組合成100-8線(xiàn)編碼器,這樣做不僅連線(xiàn)繁雜而且無(wú)法適應(yīng)大靶面的需求。而用CPLD和單片機(jī)相結(jié)合,就可以很好地解決這些問(wèn)題。

Altera公司的MAX7000系列以Altera公司的第二代MAX結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),以先進(jìn)的CMOS工藝制造?；?EEPROM的MAX7000系列可提供600～5000個(gè)可用的門(mén)電路、ISP、引腳間5 ns的延時(shí)以及高達(dá)175.4 MHz的計(jì)數(shù)速度。MAX7000系列器件主要有MAX7000、MAX7000E、和MAX7000S等系列產(chǎn)品[8]。綜合考慮反應(yīng)速度、I/O口等因素,選擇MAX7000S作為坐標(biāo)采集的一部分。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在線(xiàn)系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。

2 CPLD和單片機(jī)應(yīng)用于彈丸坐標(biāo)測(cè)試

2.1 控制和采集

激光光幕測(cè)坐標(biāo)靶的控制和采集部分由單片機(jī)STC89C52和CPLD MAX7192S組成?？刂撇糠值目驁D如圖1所示,由于X軸和Y軸的采集系統(tǒng)相同,故只畫(huà)出Y軸的系統(tǒng)框圖。

圖1 控制和采集框圖Fig.1 Control and acquisition block diagram

激光光幕測(cè)坐標(biāo)靶的原理與文獻(xiàn)[6]相似,也是對(duì)X、Y軸的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行處理,在此不贅述。從圖1中可以看出,輸出脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器,使輸出的電壓滿(mǎn)足CPLD的電壓要求。

2.2 CPLD和單片機(jī)的軟件處理

軟件的處理主要分為CPLD和單片機(jī)的軟件處理,其中要用到的信號(hào)如表1所示。

表1 信號(hào)功能表Tab.1 Signal function table

CPLD主要負(fù)責(zé)信號(hào)的并行采集,由于I/O口豐富,可以并行采集80路數(shù)據(jù),免去了串聯(lián)編碼芯片的繁雜。工作的流程圖如圖2所示。

單片機(jī)主要負(fù)責(zé)將CPLD傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行顯示。工作流程圖如圖3所示。

圖2 CPLD工作流程圖Fig.2 CPLD workflow diagram

圖3 單片機(jī)工作流程圖Fig.3 MCU workflow diagram

3 理論證明及驗(yàn)證

3.1 理論證明

為了能使CPLD和單片機(jī)應(yīng)用到彈丸坐標(biāo)的測(cè)試中,首先應(yīng)該滿(mǎn)足的條件就是有足夠快的反應(yīng)速度。這里設(shè)定彈丸長(zhǎng)度為3 cm,光幕寬度為 0.5 mm,彈丸通過(guò)光幕時(shí),采集裝置必須在這35 mm的路徑之內(nèi)對(duì)彈丸飛行坐標(biāo)進(jìn)行采集。設(shè)彈丸速度為1 000 m/s,則彈丸從遮擋光幕到飛出光幕的時(shí)間為35μs,設(shè)置CPLD的采集間隔為20 nm,這樣在35 mm的路徑中,CPLD已經(jīng)對(duì)同一個(gè)彈丸的坐標(biāo)值采集了1 750次,絕對(duì)滿(mǎn)足彈丸坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。但如果將這1 750次的數(shù)據(jù)全部傳輸給單片機(jī),不僅造成數(shù)據(jù)的擁塞,還會(huì)給單片機(jī)的處理造成麻煩,所以CPLD將這1 750次數(shù)據(jù)進(jìn)行相或的運(yùn)算,得出一組數(shù)據(jù),這樣不僅保證了準(zhǔn)確度,而且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不大。

對(duì)于連發(fā)彈丸的測(cè)試,往往不能采用邊采集邊發(fā)送的方式,因?yàn)榇诘膫鬏斔俾首罡邽?15 200 b/s,在測(cè)連發(fā)或者測(cè)試靶面大的情況下,數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)地傳輸。所以,要在CPLD中先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),待射擊完畢后,再將數(shù)據(jù)逐一讀出。

對(duì)于51單片機(jī),這里使用的是11.0592 MHz的晶振,每個(gè)機(jī)器周期為1μs左右,為了使單片機(jī)不拖延CPLD的運(yùn)行速度,這里采用采集和處理相獨(dú)立的方法,單片機(jī)的處理速度不會(huì)影響到FPGA的采集速度,因此不會(huì)影響系統(tǒng)性能。

此外,CPLD的還有I/O口眾多的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了其他處理器的采集端口不足的缺點(diǎn),如果要求的測(cè)試靶面較大,可以采用CPLD拼接的方法,利用多個(gè)CPLD并行采集,系統(tǒng)的響應(yīng)速度也不會(huì)降低。

3.2 仿真

CPLD工作仿真圖如圖4所示。CPLD初始化后,當(dāng)ain不為0時(shí),CPLD開(kāi)始采集,當(dāng)ain再次回到0時(shí),into發(fā)出下降沿,單片機(jī)將cs拉低后,在4個(gè)dclk脈沖之后,將q信號(hào)讀到單片機(jī)中。在整個(gè)系統(tǒng)中,CPLD獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的采集以及儲(chǔ)存,這樣做的好處是可以發(fā)揮CPLD I/O資源豐富、速度快的優(yōu)點(diǎn),在采集連發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),CPLD可以將數(shù)據(jù)先保存到其自帶的RAM中,等待單片機(jī)完成后續(xù)任務(wù)。

圖4 CPLD工作仿真圖Fig.4 CPLD work simulation diagram

4 靶場(chǎng)坐標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試CPLD和單片機(jī)應(yīng)用在激光測(cè)坐標(biāo)靶中的性能,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn),用某半自動(dòng)步槍發(fā)射直徑為7.62 mm的子彈,彈丸速度約為750 m/s,通過(guò)串口顯示阻擋Y軸探測(cè)器的路數(shù)。Y軸測(cè)試長(zhǎng)度為64路信號(hào)(可擴(kuò)展),靶紙位置距光敏二極管陣列為2 m,光幕寬度約為5 mm,由于接收裝置選用了直徑為8 mm的光敏二極管陣列,所以本系統(tǒng)的精度為±4 mm,且子彈通過(guò)光幕最多遮擋兩路信號(hào)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experiment data

從實(shí)際測(cè)得的10發(fā)子彈的彈著點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)中,可以看出:彈著點(diǎn)分布于整個(gè)有效靶區(qū)范圍內(nèi),即在靶區(qū)的任何位置,CPLD和單片機(jī)都能夠準(zhǔn)確地顯示坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,發(fā)現(xiàn)有部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和比對(duì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差,分析原因是因?yàn)槊看巫訌椡ㄟ^(guò)坐標(biāo)紙后,以相同直徑的鐵棒插進(jìn)彈孔,然后查看光敏二極管陣列中哪幾路被擋光,由于人為因素,插入彈孔的鐵棒不一定能與地面保證平行,且不一定能準(zhǔn)確反映子彈彈道,所以應(yīng)該以顯示數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)連發(fā)彈丸進(jìn)行彈著點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)試,因?yàn)樵趩伟l(fā)測(cè)試中已經(jīng)表明,只要滿(mǎn)足CPLD的反應(yīng)速度,就可以準(zhǔn)確地捕捉到彈丸的過(guò)靶信號(hào)。

5 結(jié)論

本文在對(duì)比文獻(xiàn)[5]和[6]的基礎(chǔ)上,將復(fù)雜可編程器件(CPLD)和單片機(jī)相結(jié)合,用于激光光幕坐標(biāo)靶測(cè)試。經(jīng)使用CPLD來(lái)代替眾多編碼器的串聯(lián),同時(shí)利用單片機(jī)控制的靈活性對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

理論和實(shí)踐都表明:由CPLD和單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)處理、采集裝置應(yīng)用在激光光幕測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)中,不僅繼承了光電靶的眾多優(yōu)點(diǎn),滿(mǎn)足不同尺寸彈丸飛行坐標(biāo)的測(cè)試,還解決了傳統(tǒng)激光光幕測(cè)坐標(biāo)靶的處理器I/O緊缺、處理速度慢等缺點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)靶場(chǎng)對(duì)于彈丸坐標(biāo)采集所要求的響應(yīng)速度快、可測(cè)連發(fā)的要求,同時(shí)CPLD和單片機(jī)可應(yīng)用在大靶面的坐標(biāo)測(cè)試中,同時(shí)保證較高的測(cè)試精度和較小的誤差。

此外,它不僅能測(cè)試彈丸的彈著點(diǎn)坐標(biāo),還可以測(cè)試高速物體的飛行軌跡以及速度,應(yīng)用前景比較廣闊,在軍事、反恐、安檢、商業(yè)等方面都可以得到很好的應(yīng)用。

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