孫紹文 張櫟存 康小麓

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院

基于LED的深紫外光遙控起爆系統(tǒng)

孫紹文 張櫟存 康小麓

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院

深紫外光遙控起爆系統(tǒng)，將深紫外光通信技術(shù)應(yīng)用于遙控領(lǐng)域，可以實現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境中的可視距離無線遙控起爆，大大提高了爆破的安全性。系統(tǒng)分為發(fā)送端與接收端，發(fā)送端通過深紫外LED光源，發(fā)送4個控制信號（充電、放電、引爆、測量炸藥量），接收端以光電倍增管（PMT）探測弱光信號，接收并執(zhí)行來自發(fā)送端的控制指令，并具有線控人工起爆功能。

波長在200nm至350nm范圍之間的紫外光被稱為深紫外光。由于臭氧層對太陽輻射中波長為240nm至280nm的紫外輻射具有強吸收作用，形成“日盲”區(qū)，即在該波段地面不存在太陽的“日盲”紫外干擾。深紫外光通信就是工作在日盲區(qū)，以深紫外光作為載體，把待傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到深紫外光上，從而完成信息的傳輸。

深紫外光通信技術(shù)是一種新型通信方式，深紫外光通信有如下特點：首先，由于大氣散射吸收，探測器只能接收到微弱信號，但干擾少，可以工作在如野外爆破等復(fù)雜的電磁環(huán)境中，并且無須嚴(yán)格對準(zhǔn)。其次，紫外光在自由空間傳播的過程中會呈指數(shù)衰減，所以傳輸距離大多為可視距離。

美國軍方高度重視深紫外光通信領(lǐng)域，早在20世紀(jì)60年代，美國軍方對短距離傳輸?shù)纳钭贤夤馔ㄐ胚M行了大量研究。在2002年，美國開始研究以發(fā)光二極管為光源的深紫外光通信系統(tǒng)，并研制出275nm的深紫外LED。

我國對于紫外光通信的研究起步相對較晚，但國內(nèi)近年也越來越重視對于紫外光通信領(lǐng)域的研究，國防科技大學(xué)首次使用“日盲”段LED為光源，研究了直升機紫外光通信系統(tǒng)；重慶大學(xué)也研究了基于紫外光的語音系統(tǒng)設(shè)計與實施。

紫外光通信抗干擾能力強，保密性好、非常適合短距離的復(fù)雜電磁環(huán)境，在搶險救災(zāi)，野外爆破等軍事行動中有很大的前景。毋庸置疑，紫外光通信將會受到各個軍事大家的高度重視與研究。

系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端組成。

圖1　深紫外爆破系統(tǒng)設(shè)計框圖

深紫外遙控起爆系統(tǒng)發(fā)送端，也是用戶手持遙控器，以STC12C5620AD單片機為控制核心，通過鍵盤芯片HD7279控制8個按鍵。LCD顯示器選用12864顯示屏，構(gòu)成中文人機交互界面，方便用戶操作。每個按鍵對應(yīng)一條控制指令，指令從串口發(fā)送，并通過LED驅(qū)動芯片NU551驅(qū)動深紫外LED光源，完成電光轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)電源部分采用鋰電池供電并通過TPS61032高效升壓轉(zhuǎn)換器輸出穩(wěn)定5V電壓。

深紫外遙控起爆系統(tǒng)接收端，即起爆器。接收端有兩個控制模式：遙控模式和線控人工起爆模式。在遙控模式下，系統(tǒng)會接受并執(zhí)行來自發(fā)送端的指令。在線控人工起爆模式下，接收端可以通過按鍵，直接對爆破裝置進行充電、放電、起爆以及彈藥測量功能。

深紫外LED光源

發(fā)送端將指令調(diào)制到LED光源上，通過深紫外光發(fā)射，所以紫外光源的選取非常關(guān)鍵，目前紫外光源主要有紫外激光器、紫外氣體燈、紫外光發(fā)光二極管。本系統(tǒng)采用紫外光發(fā)光二極管，具有體積小、單色光檢測靈敏度高、光譜響應(yīng)的寬度窄、載波頻率高的特點，系統(tǒng)選用的LED深紫外光源可以產(chǎn)生波長為268nm的深紫外輻射，由于地球大氣的強烈吸收，選用波長為268nm的深紫外LED光源可以大大提高系統(tǒng)的抗干擾性。

深紫外光遙控起爆系統(tǒng)的發(fā)送端

LED驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用NU511芯片，NU511是單通道LED驅(qū)動芯片，可以輸出100mA－1.2A電流，支持3－12V電壓，支持高達1MHz的占空比頻率，其驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2　紫外LED及其驅(qū)動電路

信號產(chǎn)生控制模塊

信號產(chǎn)生與控制模塊，分為鍵盤控制和屏幕顯示部分，鍵盤控制部分由HD7279和單片機組成，HD7279是一片具有接口可同時連接多達64鍵的鍵盤矩陣，內(nèi)含去抖動電路，以串行的方式輸出鍵值，節(jié)省IO口。本系統(tǒng)設(shè)計共有8個按鍵，分別為充電開關(guān)、放電開關(guān)、引爆開關(guān)、上選開關(guān)、下選開關(guān)、左移開關(guān)、右移開關(guān)和確認(rèn)開關(guān)，圖3為鍵盤控制電路。

顯示電路選用帶中文字庫的12864液晶屏，讓用戶通過鍵盤選擇不同功能，單片機檢測按鍵鍵值并通過串口發(fā)送相應(yīng)指令，至LED驅(qū)動電路OE端，將指令信號加到光源上，通過深紫外LED將信號發(fā)送出去。圖4為遙控器按鍵控制面板。

圖3　鍵盤控制電路

圖4　按鍵控制與顯示面板

發(fā)送端軟件設(shè)計

發(fā)送端程序流程圖如圖5所示。

發(fā)送端通過鍵盤檢測按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能，每個發(fā)送端遙控器都可以單獨設(shè)置ID，可與接收端匹配。通過串口發(fā)送指令，并經(jīng)深紫外LED燈調(diào)制到光路發(fā)送。

圖5　發(fā)送端程序流程圖

光電探測器

接收端選用光電倍增管做完光電探測器，光電倍增管由發(fā)射陰極、聚焦電極、倍增極和陽極組成。由于紫外光在大氣中的傳播呈指數(shù)衰減，故只有很少的光子達到光電探測器，而光電倍增管利用二次電子發(fā)射的原理，可以檢測到微弱的光信號，是一種弱光探測器。為了配合發(fā)射端發(fā)射的深紫外光的波長，接收端選用濱松公司的R7154光電倍增管，其響應(yīng)波段為160nm至320nm，光譜響應(yīng)峰值為254nm，符合設(shè)計需求。

爆破系統(tǒng)一般應(yīng)用環(huán)境為室外環(huán)境，在室外環(huán)境下，會存在可見光和紅外光的干擾，為了消除干擾，將噪聲降至最低，在探測器前端增加“日盲”紫外濾光片。濾光片主要分為干涉濾光片和吸收濾光片，本設(shè)計采用干涉濾光片，其中心波長為268.3nm，半波帶寬為17.6nm，峰值透射率為20.4%。

PMT高壓供電模塊

為了產(chǎn)生強電場發(fā)射電子，光電倍增管需要在陰極和陽極之間加入高達千伏的高壓。濱松公司的R7154工作電壓為1250V，所以系統(tǒng)需要PMT高壓供電模塊。高壓供電模塊選用C7950系列。C7950系列高壓供電模塊由穩(wěn)壓高壓電源、有源分壓器、電流－電壓轉(zhuǎn)換器以及帶寬0～5MHz的寬帶放大器組成。C7950在正常工作時，只需要提供±15V的電壓以及0～3.6V的控制電壓。

C7950工作原理如下：穩(wěn)壓高壓電源產(chǎn)生高電壓后經(jīng)過有源分壓器分壓后驅(qū)動PMT，當(dāng)PMT檢測到光子后輸出信號經(jīng)寬帶放大器放大后輸出，圖6為高壓供電模塊工作原理框圖。

圖6　高壓供電模塊工作原理框圖

圖7　探測器與單片機接口電路

圖8　接收端軟件流程圖

圖9　彈藥接口電路

深紫外光遙控起爆系統(tǒng)的接收端

探測器與單片機接口電路

PMT探測到信號后經(jīng)LM339放大器放大，放大倍數(shù)可根據(jù)電位器的值調(diào)整，方便調(diào)試。經(jīng)過放大后的信號進入單片機串口接收端RXD，單片機檢測指令后作出響應(yīng)，圖7為探測器與單片機接口電路。

接收端軟件設(shè)計

軟件流程圖如圖8所示，接收端具有遙控模式和手動模式，其中遙控模式具有匹配ID，與發(fā)射端設(shè)備ID號匹配，用于防止一個遙控器同時遙控多個引爆控制器。在遙控模式下，串口接收遙控器發(fā)出的指令，一條指令分為4個字節(jié)，包括開始字節(jié)、設(shè)備ID字節(jié)、命令字節(jié)和結(jié)束字節(jié)。接收端檢測指令，判斷設(shè)備ID是否匹配后執(zhí)行相應(yīng)命令（充電、放電、引爆、彈藥測量）。

在手動模式下，用戶可直接操作控制器，完成相應(yīng)功能。

單片機接到相應(yīng)指令完成相應(yīng)操作，其中充電、放電與引爆指令為驅(qū)動ULN2003控制繼電器，對大電容進行充電與放電的操作；彈藥測量指令為利用STC12C5620AD內(nèi)部AD采集彈藥阻值并顯示。

彈藥接口設(shè)計

彈藥接口電路采用繼電器對電路的充放電進行邏輯保護。通過單片機控制充放電繼電器和引爆繼電器。充電時繼電器閉合，電路對電容充電。引爆時引爆繼電器閉合，連接彈藥接口，點燃雷管，圖9為彈藥接口電路。

結(jié)語

本文介紹了深紫外光遙控爆破器的設(shè)計，給出了主要電路圖、電路原理及設(shè)計方案，從軟件和硬件介紹。利用深紫外光通信的原理，利用“日盲”波段解決了在室外環(huán)境下的太陽輻射干擾。本設(shè)計的優(yōu)點：（1）采用“日盲”波段深紫外光，減少干擾。（2）液晶顯示，可以實施觀察充電狀態(tài)，增加安全性（3）鍵盤操作，通過按鍵完成充電、放電和起爆，操作方便實用性強。（4）采用鋰電池供電，攜帶方便，適合室外作業(yè)。