姜 飛,王 浩

（1．宿州學(xué)院 智能信息處理實(shí)驗(yàn)室，安徽 宿州 234000；2．宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；3.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

一種非接觸式彈丸速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜 飛1,2,王 浩3

（1．宿州學(xué)院 智能信息處理實(shí)驗(yàn)室，安徽 宿州 234000；2．宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；3.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

設(shè)計(jì)了一種速度大于1km/s的高速彈丸測(cè)速裝置.用光纖將入射光導(dǎo)入至彈丸表面，將其反射光導(dǎo)出至光電二極管（GT101），利用光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)觸發(fā)STC12C5A60S2單片機(jī)計(jì)時(shí)器兩路外部中斷實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，根據(jù)兩測(cè)量點(diǎn)間距和彈丸飛行的時(shí)間差，可計(jì)算彈丸速度值.利用單片機(jī)控制LCD顯示速度值并作為下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行串行通信.將軟硬件系統(tǒng)經(jīng)集成為光電測(cè)速裝置，并用于二級(jí)輕氣炮的高速彈丸速度測(cè)量.結(jié)果表明：該測(cè)速裝置具有簡單可靠，可滿足二級(jí)輕氣炮寬范圍速度測(cè)量的要求.

彈丸速度；單片機(jī)；串行通信

輕氣炮是一種利用較輕的氣體(氫或氦)作工質(zhì)推進(jìn)彈丸的武器，而彈丸速度就是其性能參數(shù)之一.目前常用的測(cè)量技術(shù)主要分為接觸式和非接觸式兩類.接觸式速度測(cè)量方法（如打靶法和斷線法）都是通過與彈片接觸測(cè)得數(shù)據(jù)，直接干擾彈丸運(yùn)行方向和速度，也不能作為連發(fā)測(cè)試.非接觸式速度測(cè)量方法中：電磁法通過彈丸運(yùn)動(dòng)對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生變化測(cè)得數(shù)據(jù)，易受測(cè)量環(huán)境周圍電磁場(chǎng)的干擾，要求較高；多普勒法通過激光測(cè)量彈丸運(yùn)動(dòng)速度，主要針對(duì)超高速彈丸速度測(cè)量，通過獲取信號(hào)頻差（頻移）來實(shí)現(xiàn)計(jì)算，相關(guān)的設(shè)備安裝校準(zhǔn)比較麻煩.在非接觸式測(cè)量方法中應(yīng)用最為普遍的就是光電法，該方法不改變彈丸運(yùn)行軌跡，設(shè)備安裝較為簡單，可以也適用較惡劣環(huán)境的彈丸速度測(cè)量.由于光電管性能指標(biāo)中時(shí)間曲線下降沿時(shí)間約為幾個(gè)ms數(shù)量級(jí)在輕氣炮實(shí)驗(yàn)中，基于光線遮斷測(cè)速原理不能實(shí)現(xiàn)測(cè)量速度為1km/s以上的飛行彈丸.針對(duì)直徑小于10mm的小尺寸彈丸速度超過1km/s，測(cè)量方式為利用反射光觸發(fā)光電管，一般采用的二極管型號(hào)為GT101光電二極管.本彈丸速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)在電磁干擾較大的復(fù)雜外部環(huán)境，運(yùn)行速度大于1km/s、不超過5km/s的彈丸速度測(cè)量.

1 總體方案設(shè)計(jì)

基本測(cè)試環(huán)境如圖1所示，在彈丸發(fā)射管上設(shè)置兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別在兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)插入兩根外徑3mm光纖，標(biāo)識(shí)為光纖1、2、3、4.光纖3和光纖4為一組與光線1、光線2一組的作用相同.光纖2功能是光的射入信號(hào)通道，把入射光投射到彈丸發(fā)射管內(nèi)，根據(jù)反射原理，當(dāng)彈丸經(jīng)過對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)時(shí)，彈丸表面對(duì)入射光進(jìn)行漫反射，光纖1負(fù)責(zé)采集，發(fā)送信號(hào)到光電轉(zhuǎn)換單元.通過高頻響應(yīng)數(shù)字示波器獲取到兩組測(cè)點(diǎn)光信號(hào)強(qiáng)度時(shí)間曲線，在通過光信號(hào)時(shí)間差和兩測(cè)點(diǎn)間距，從而計(jì)算得到彈丸在發(fā)射管內(nèi)的平均速度.為了提高信號(hào)強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)在彈丸表面進(jìn)行電鍍處理，提高漫反射光信號(hào)的強(qiáng)度，增加系統(tǒng)準(zhǔn)確性.

圖1 彈丸發(fā)射管測(cè)點(diǎn)和光纖布置示意圖

上述方案獲取的光纖1和光纖4光信號(hào)采集進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換模塊處理，通過運(yùn)放單元模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算處理模塊，最后顯示或輸出彈丸速度值.為了保存和優(yōu)化等處理，設(shè)計(jì)中采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串口通信技術(shù)，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集處理軟件保存等操作.彈丸測(cè)速系統(tǒng)組成原理示意圖如圖2所示.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換單元

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是測(cè)量高速彈丸（>1km/s），這就要求光電轉(zhuǎn)換單元的響應(yīng)速率要快.另一個(gè)元器件性能指標(biāo)是較高的靈敏度.選擇了GT101作為光電轉(zhuǎn)換器件作為核心轉(zhuǎn)換元器件.單元電路如圖3所示，根據(jù)單片機(jī)端口及其參數(shù)要求，選擇下拉電阻阻抗值是51K.

圖2 高速彈丸測(cè)速系統(tǒng)原理示意圖

圖3 光電轉(zhuǎn)換單元電路圖

2.2 放大電路單元

采集到的基本信號(hào)經(jīng)過光電單元轉(zhuǎn)換后，需要進(jìn)行適當(dāng)放大和電平轉(zhuǎn)換.系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了解決環(huán)境熱噪聲和干擾數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了調(diào)零電路，使的輸出信號(hào)初始化.系統(tǒng)采用二級(jí)放大方式，其中一級(jí)13倍的放大倍數(shù)、二級(jí)可調(diào)倍數(shù).圖4給出了一級(jí)放大電路圖.對(duì)無輸入狀態(tài)通過調(diào)節(jié)電位器RV1使一級(jí)放大單元輸出端?T1輸出值為零，進(jìn)行校準(zhǔn).二級(jí)放大倍數(shù)默認(rèn)設(shè)定為152倍，通過調(diào)節(jié)電位器RV4可以調(diào)整放大倍數(shù)，以適用不同彈丸不同反射環(huán)境，從?P1端口輸出的信號(hào)為CMOS信號(hào)直接提供給單片機(jī)或示波器使用，也可以直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

2.3 單片機(jī)和外圍電路

圖6給出了CMOS信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平的單片機(jī)核心與接口示意圖.為了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與結(jié)果的查看，給單片機(jī)添加了外圍顯示模塊（LCD1602）.為了數(shù)據(jù)保存與處理需求，配備了串口通信模塊.有了串口通信模塊，上位機(jī)就可以獲得數(shù)據(jù)，為下一步處理做好準(zhǔn)備.

圖4 一級(jí)放大單元電路圖

圖5 二級(jí)放大單元電路圖

圖6 單片機(jī)核心與接口示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)處理軟件設(shè)計(jì)兩部分.其中單片機(jī)控制程序主要是硬件獲取信號(hào)后，需要進(jìn)行預(yù)處理，排除干擾信號(hào)，完成基本運(yùn)算.

3.1 單片機(jī)控制程序

控制程序是針對(duì)STC12系列單片機(jī)編寫的.實(shí)際測(cè)量電信號(hào)時(shí)間歷程曲線如圖7所示.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，干擾信號(hào)和測(cè)量有效信號(hào)的持續(xù)時(shí)間不同，通常小于15μs可以認(rèn)定為干擾信號(hào).30μs以上數(shù)據(jù)看作有效數(shù)據(jù).例如圖7中信號(hào)1描述曲線中的箭頭所指位置認(rèn)定為短時(shí)干擾光產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)震蕩后，第二個(gè)較寬的稍顯穩(wěn)定的波峰為彈丸經(jīng)過測(cè)量點(diǎn)所產(chǎn)生的信號(hào).第二個(gè)較寬波峰開始后，延時(shí)超過15μs，如果外部信號(hào)持續(xù)低電平，認(rèn)定為有效信號(hào)，此時(shí)觸發(fā)單片機(jī)計(jì)時(shí)，并計(jì)入前15μs.否則，認(rèn)定信號(hào)為干擾信號(hào).具體測(cè)速程序編寫結(jié)構(gòu)流程見圖8.

圖7 彈丸對(duì)應(yīng)的光信號(hào)電壓時(shí)間曲線

圖8 彈丸測(cè)速程序流程圖

3.2 上位機(jī)處理軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)處理軟件編寫環(huán)境采用VisualBasic 6.0編寫，利用comm_control控件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間串口通信.軟件設(shè)計(jì)界面中增加系統(tǒng)通信設(shè)置界面可以選擇通信端口，修改通信速度參數(shù)，以增加軟件通信靈活性.利用串口線可進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).上位機(jī)處理軟件運(yùn)行主界面示例圖如圖9所示.為了提高穩(wěn)定性和實(shí)用性，上位機(jī)和下位機(jī)間的通信參數(shù)和工作模式通過一個(gè)命令字來傳遞.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用2路標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)模擬實(shí)際彈丸表面的漫反射光，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此系統(tǒng)的可靠性及響應(yīng)特性.示波器檢測(cè)實(shí)際光信號(hào)上升沿約為1us，具體驗(yàn)證參數(shù)：設(shè)定該2路光信號(hào)時(shí)間差為400us時(shí)，通過本測(cè)速采集系統(tǒng)運(yùn)行處理后顯示時(shí)間為401.6us，誤差為0.4%；設(shè)定光信號(hào)時(shí)間差為200us時(shí)，采集系統(tǒng)運(yùn)行處理后顯示時(shí)間為201.4us，誤差為0.7%.有上述數(shù)據(jù)可見，本系統(tǒng)的響應(yīng)度和測(cè)量精度都完全能滿足高速彈丸速度測(cè)量的要求.

圖9 上位機(jī)軟件界面示例

5 結(jié)束語

本彈丸速度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種速度大于1km/s的高速彈丸測(cè)速裝置，較為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)了高速彈丸速度非接觸式測(cè)量問題.并從軟硬件設(shè)計(jì)方面避免了環(huán)境強(qiáng)電磁的影響，有效的去除了干擾光的數(shù)據(jù)，適合高速飛行物體速度現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量.

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TP273

A

1673-260X（2014）12-0052-03

安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目重大項(xiàng)目（KJ2014ZD31）；安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目重大項(xiàng)目（KJ2014A247）