黃光磊，安志勇，張光偉，惠菲，裴景洋

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

激光模擬對(duì)抗技術(shù)是七十年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型的訓(xùn)練方法，以美國(guó)陸軍研制的 MILES（多功能激光交戰(zhàn)訓(xùn)練模擬）系統(tǒng)為代表的激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練器材，它可以模擬36種武器，性能好、精度高，大大推動(dòng)了部隊(duì)的訓(xùn)練工作。八十年代以來(lái)，我國(guó)有一些單位在從事激光模擬訓(xùn)練器的研究和探索工作，也相繼出現(xiàn)一些類(lèi)似的產(chǎn)品。但這些產(chǎn)品并不能完全符合軍事訓(xùn)練的要求，未在部隊(duì)大范圍使用。

常見(jiàn)的激光集群射擊訓(xùn)練器有明顯的一個(gè)缺點(diǎn)，激光發(fā)射系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)之間通過(guò)一根線(xiàn)連接，這根控制線(xiàn)降低了激光集群訓(xùn)練器的機(jī)動(dòng)性和真實(shí)性。為了克服這些缺點(diǎn)，本文介紹一種使用藍(lán)牙技術(shù)的激光集群射擊訓(xùn)練器，該訓(xùn)練器運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)的分離。以ARM7為控制核心，結(jié)合光電技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射與接收，真實(shí)地模擬陣地戰(zhàn)的對(duì)抗，不僅能鍛煉訓(xùn)練者的射擊能力，還能有效的鍛煉團(tuán)隊(duì)合作能力，是和平時(shí)期有效的訓(xùn)練手段。

1 激光集群射擊訓(xùn)練器原理

激光集群射擊訓(xùn)練器包括激光發(fā)射系統(tǒng)、光信號(hào)接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)三部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在模擬對(duì)抗訓(xùn)練中，利用激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的激光脈沖模擬真實(shí)子彈的發(fā)射，參訓(xùn)雙方的衣服和帽子上安裝有光信號(hào)接收裝置，該裝置能把接收到的激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接收到激光脈沖相當(dāng)于被擊中。經(jīng)過(guò)濾波、放大、整形后的脈沖信號(hào)，送入信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即代表參訓(xùn)人員已陣亡。同時(shí)，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送指令，控制激光發(fā)射系統(tǒng)不能發(fā)射激光脈沖［1，2］。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 激光發(fā)射系統(tǒng)

激光發(fā)射系統(tǒng)的外形模擬真實(shí)槍械，槍體后部裝有主控電路，槍管中放置半導(dǎo)體激光器，以扳機(jī)作為開(kāi)關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)的分離，激光發(fā)射系統(tǒng)中采用藍(lán)牙模塊，通過(guò)藍(lán)牙模塊使激光發(fā)射系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)連接。電路框圖如圖2所示。

圖2 激光發(fā)射系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of laser emission system

發(fā)射系統(tǒng)是由LPC2106單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、語(yǔ)音模塊、扳機(jī)、半導(dǎo)體激光器及其驅(qū)動(dòng)電路組成。藍(lán)牙模塊選用金甌科技的BTM0704C2P的藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊，需要一個(gè)主設(shè)備與一個(gè)從設(shè)備配套使用。當(dāng)藍(lán)牙內(nèi)嵌式模塊連接正確的電路，并且加電啟動(dòng)之后，主從設(shè)備會(huì)自動(dòng)建立連接，識(shí)別對(duì)方設(shè)備，之后，藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊之間使用標(biāo)準(zhǔn)的串口模式通信。語(yǔ)音芯片選用SPI串行通信的ISD4004。工作過(guò)程為：系統(tǒng)上電時(shí)，藍(lán)牙模塊主動(dòng)與信號(hào)處理系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊相連接。當(dāng)扣動(dòng)扳機(jī)時(shí)，其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)送入 LPC2106，以下降沿觸發(fā)外部中斷，LPC2106響應(yīng)中斷請(qǐng)求，通過(guò)P0.10的電平變化，送到驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光脈沖，同時(shí)使語(yǔ)音模塊發(fā)出射擊聲。當(dāng)接收到信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送的指令時(shí)，關(guān)閉外部中斷，使其不能發(fā)射激光脈沖。

2.2 光信號(hào)接收系統(tǒng)

光信號(hào)接收系統(tǒng)是由光電傳感器、濾波、放大、整形四部分組成，電路框圖如圖3所示。因?yàn)橥饨绻庠?如陽(yáng)光、燈光等)會(huì)對(duì)光電傳感器造成干擾，而且干擾信號(hào)通常比激光信號(hào)大。本系統(tǒng)使用一個(gè)二階有源帶通濾波器，其中心頻率為激光信號(hào)的頻率，通帶寬度為1kHz以濾除外界干擾［3］。光電傳感器輸出的電壓一般都是毫伏級(jí)的，為了與信號(hào)處理系統(tǒng)的LPC2106單片機(jī)電平匹配，必須放大約1000倍。由于放大倍數(shù)太高，采用二級(jí)放大級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器輸出的脈沖并不是規(guī)則的矩形脈沖，采用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)整形，改善后的脈沖輸入到信號(hào)處理系統(tǒng)［4］。

圖3 光信號(hào)接收系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of optical signal receiving system

2.3 信號(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理系統(tǒng)是由 LPC2106單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、電機(jī)模塊及數(shù)碼管組成，電路框圖如圖 4所示。藍(lán)牙模塊選用與激光發(fā)射系統(tǒng)相配套的藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊作為藍(lán)牙從機(jī)。工作過(guò)程為：系統(tǒng)上電，藍(lán)牙模塊與激光發(fā)射系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊相連接。如果有經(jīng)過(guò)光信號(hào)接收系統(tǒng)的脈沖信號(hào)送入LPC2106，以下降沿觸發(fā)中斷，LPC2106響應(yīng)中斷請(qǐng)求（相當(dāng)于被擊中）。通過(guò)P0.20的電平變化驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，參訓(xùn)者感受到自己被擊中。同時(shí)，通過(guò)兩個(gè)八段數(shù)碼管顯示被擊中的次數(shù)，當(dāng)擊中次數(shù)達(dá)到設(shè)定值之后，藍(lán)牙模塊發(fā)送指令使激光發(fā)射系統(tǒng)不能發(fā)出激光，使其退出訓(xùn)練。

圖4 信號(hào)處理系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of signal processing system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ARM控制器LPC2106，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：激光發(fā)射系統(tǒng)程序與信號(hào)處理系統(tǒng)程序。鑒于A(yíng)RM控制器強(qiáng)大的中斷功能，為了保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，整個(gè)系統(tǒng)主要采用中斷處理方式［5］。

激光發(fā)射系統(tǒng)程序框圖如圖 5所示。程序開(kāi)始，初始化藍(lán)牙模塊的串口中斷與外部中斷0，并設(shè)置串口中斷優(yōu)先級(jí)高于外部中斷0。扳機(jī)采用外部中斷0，設(shè)置下降沿觸發(fā)，當(dāng)外部中斷觸發(fā)時(shí)，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出激光和語(yǔ)音模塊發(fā)出槍聲，模擬射擊效果。當(dāng)收到信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)出的命令時(shí)，關(guān)閉外部中斷0，使激光器不能發(fā)出激光。

圖5 激光發(fā)射系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)Fig.5 Laser emission system programming

信號(hào)處理系統(tǒng)程序框圖如圖 6所示。程序開(kāi)始，初始化藍(lán)牙模塊的串口中斷與外部中斷0，并設(shè)置串口中斷高于外部中斷0的優(yōu)先級(jí)。外部中斷0設(shè)置為下降沿觸發(fā)，通過(guò)光信號(hào)接收系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)外部中斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，并在數(shù)碼管上顯示產(chǎn)生中斷的次數(shù)，以模擬中槍的次數(shù)。當(dāng)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送關(guān)閉指令到激光發(fā)射系統(tǒng)，并關(guān)閉信號(hào)處理系統(tǒng)的外部中斷0，系統(tǒng)不再響應(yīng)脈沖。

4 結(jié)論

圖6 信號(hào)處理系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)Fig.6 Signal processing system programming

采用ARM控制器與藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)出一種激光模擬射擊訓(xùn)練器，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)的分離，更加真實(shí)地模擬了集群對(duì)抗訓(xùn)練；實(shí)現(xiàn)了激光信號(hào)的檢測(cè)、整形、以及結(jié)果的顯示。實(shí)際應(yīng)用表明此系統(tǒng)可以用于作戰(zhàn)模擬演習(xí)，能逼真的演示大規(guī)模作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)效果，進(jìn)行無(wú)彈藥無(wú)污染的軍事訓(xùn)練，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和良好的拓展性。

［1］林遠(yuǎn)芳，黃元慶.基于2051單片機(jī)的激光對(duì)抗模擬器設(shè)計(jì)［J］.激光技術(shù)，2001（1）：32-34.

［2］趙舒迪，徐熙平，王維.基于A(yíng)RM嵌入式技術(shù)和模糊控制的光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（3）：40-43.

［3］劉建，秦會(huì)斌.激光打靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，12（4）：513-516.

［4］童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）［M］.高等教育出版社，2007.

［5］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（第二版）［M］.北京航天航空大學(xué)，2008.