尤 棟，王 喆，張 敏，王晉安

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

激光發(fā)射接收裝置是某火炮系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，該裝置與光學(xué)系統(tǒng)共同作用，可以完成對(duì)海上目標(biāo)、陸上目標(biāo)及低空飛行目標(biāo)的測(cè)距。

激光發(fā)射接收裝置安裝于露天平臺(tái)上，工作現(xiàn)場(chǎng)和工作環(huán)境惡劣。原控制系統(tǒng)由分立電子元器件組成，線路復(fù)雜，故障率高，故障定位困難，嚴(yán)重影響了裝置的正常使用。基于此，筆者通過(guò)借鑒和吸收原控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種新型的控制系統(tǒng)，采用控制電路與PC/104總線工控機(jī)[1-3]相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光發(fā)射接收裝置的控制和與火炮系統(tǒng)的信號(hào)匹配。其功能與原系統(tǒng)保持一致，但線路簡(jiǎn)單，可靠性高，性能指標(biāo)不低于原系統(tǒng)。

1 組成及控制原理

1.1 組成及功能

激光發(fā)射接收裝置控制系統(tǒng)由激光電源模塊、環(huán)境保護(hù)蓋控制電路、控制裝置和主箱體等組成，其中控制裝置包括PC/104總線工控機(jī)和OCL互補(bǔ)功率放大電路。如圖1所示。

1.2 控制原理

激光發(fā)射接收裝置控制系統(tǒng)的控制原理框圖如圖2所示。

主要完成以下控制功能：

1)工控機(jī)的初始化及自檢。激光發(fā)射接收裝置啟動(dòng)后，完成系統(tǒng)自檢，經(jīng)由串口1發(fā)送自檢信息給主炮系統(tǒng)。

2)環(huán)境保護(hù)蓋打開。自檢完成后，通過(guò)操控面板發(fā)送“開蓋”信號(hào)給環(huán)境保護(hù)蓋控制電路，環(huán)境保護(hù)蓋打開；開蓋置位后，激光電源模塊工作，啟動(dòng)激光器。

3)激光器觸發(fā)。激光器啟動(dòng)后，工控機(jī)通過(guò)I/O口輸出TTL脈沖觸發(fā)信號(hào)，用以觸發(fā)激光器；測(cè)距完成后，激光器將距離信息經(jīng)串口2傳送給工控機(jī)；當(dāng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)距時(shí)，激光器以2 Hz進(jìn)行觸發(fā)。

4)碼型轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)激光測(cè)距通訊協(xié)議，工控機(jī)將十六進(jìn)制距離信息轉(zhuǎn)換成雙階雙極性不歸零碼；根據(jù)主炮系統(tǒng)通訊協(xié)議，工控機(jī)將包含距離信息的20位雙階雙極性不歸零碼由串口1輸出，經(jīng)OCL互補(bǔ)功率放大電路，發(fā)送給主炮系統(tǒng)。

5)自保護(hù)功能。 發(fā)出“開蓋”信號(hào)3.5 s后，工控機(jī)如未讀到“開蓋置位”信號(hào)，則斷開環(huán)境保護(hù)蓋控制電路電源；激光器啟動(dòng)90 s后，如未收到“激光觸發(fā)”信號(hào)，激光器電源自動(dòng)斷電，關(guān)閉環(huán)境保護(hù)蓋。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

激光發(fā)射接收裝置控制系統(tǒng)采用時(shí)序控制方式，由軟件和硬件兩部分共同配合完成。其中軟件部分通過(guò)PC/104總線工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，CPU板為L(zhǎng)X-3160，信號(hào)調(diào)理板為OEM-XA-001，系統(tǒng)為DOS 7.1，編程環(huán)境為BC31；硬件部分由工控機(jī)(含CPU板與信號(hào)調(diào)理板)、環(huán)境保護(hù)蓋控制電路和OCL互補(bǔ)功率放大電路三部分組成。

2.1 控制系統(tǒng)工作流程圖

激光發(fā)射接收裝置控制系統(tǒng)工作流程如圖3所示。結(jié)合圖3，對(duì)控制系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行具體分析：

1)控制系統(tǒng)加電后，首先進(jìn)行計(jì)時(shí)器、I/O口等的初始化設(shè)置。

2)初始化完成后，系統(tǒng)自檢，發(fā)出距離信息為1 500的20位雙階雙極性不歸零自檢碼。

3)自檢通過(guò)后，主程序以10 ms的周期反復(fù)讀I/O口，直到讀到“開蓋”指令。

4)工控機(jī)給出“開蓋”指令后，環(huán)境保護(hù)蓋打開，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，如3.5 s內(nèi)，讀到“開蓋置位”信號(hào)，則發(fā)送“激光電源控制”指令到激光電源模塊，啟動(dòng)激光器；如3.5 s內(nèi)未讀到“開蓋置位”信號(hào)，則關(guān)閉環(huán)境保護(hù)蓋，退出程序。

5)激光器啟動(dòng)后，處于待機(jī)狀態(tài)，如90 s內(nèi)讀到“激光觸發(fā)”信號(hào)，激光器進(jìn)行觸發(fā)測(cè)距，激光器將測(cè)得的十六進(jìn)制距離信息經(jīng)串口2發(fā)送給工控機(jī)，經(jīng)解算，工控機(jī)將收到的距離信息轉(zhuǎn)換為20位雙階雙極性不歸零碼。如90 s內(nèi)未讀到“激光觸發(fā)”信號(hào)，則斷開激光電源模塊，關(guān)閉環(huán)境保護(hù)蓋，退出程序。

6)工控機(jī)經(jīng)串口1發(fā)送20位雙階雙極性不歸零碼至OCL互補(bǔ)功率放大電路；然后等待下一次“激光觸發(fā)”，如90 s內(nèi)讀到該信號(hào)，執(zhí)行激光觸發(fā)，直到執(zhí)行完第120次激光觸發(fā)后，斷開激光電源模塊，關(guān)閉環(huán)境保護(hù)蓋，退出程序。

2.2 雙階雙極性不歸零碼轉(zhuǎn)換

工控機(jī)與激光器之間采用RS422通訊協(xié)議，波特率為9 600 bit/s，激光器將距離信息發(fā)送給工控機(jī)。根據(jù)協(xié)議格式，工控機(jī)將十六進(jìn)制距離信息解算為二進(jìn)制碼[4]，然后將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為雙階雙極性不歸零碼[5-6]。雙階雙極性不歸零碼幅值為4～5 V、單脈沖寬度為2 μs，由正脈沖到負(fù)脈沖表示數(shù)字量“1”，由負(fù)脈沖到正脈沖表示數(shù)字量“0”，碼型數(shù)字量表示如圖4所示。

根據(jù)主炮系統(tǒng)通訊協(xié)議，激光發(fā)射接收裝置發(fā)送給主炮系統(tǒng)的距離信息為20位雙階雙極性不歸零碼，20位碼定義如表1所示。

表1 20位雙階雙極性不歸零碼

起始位用數(shù)字量“1”表示，狀態(tài)標(biāo)志位用數(shù)字量“0”表示，如果有溢出，則用數(shù)字量“1”表示，校驗(yàn)位為偶校驗(yàn)，即當(dāng)距離信息中數(shù)字量“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，校驗(yàn)位用“0”表示，當(dāng)數(shù)字量“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，校驗(yàn)位用“1”表示。

2.3 環(huán)境保護(hù)蓋控制電路設(shè)計(jì)

環(huán)境保護(hù)蓋控制電路由開蓋電路、關(guān)蓋電路、自保護(hù)電路三部分組成，其控制電路原理圖如圖5所示。

當(dāng)環(huán)境保護(hù)蓋處于初態(tài)時(shí)，行程開關(guān)S1常開觸點(diǎn)閉合，行程開關(guān)S2常開觸點(diǎn)斷開，工控機(jī)輸出開蓋指令，三極管VT1的開關(guān)電路接通，繼電器K1通電動(dòng)作，電機(jī)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，環(huán)境保護(hù)蓋打開，當(dāng)行至水平位置時(shí)，行程開關(guān)S2動(dòng)作，常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)電源被切斷，停止工作，與此同時(shí)輸出開蓋置位信號(hào)給工控機(jī)。

當(dāng)工控機(jī)輸出關(guān)蓋指令，行程開關(guān)S1常閉觸點(diǎn)給電機(jī)供電，電壓的極性與開蓋時(shí)極性相反，電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，環(huán)境保護(hù)蓋關(guān)閉，當(dāng)?shù)竭_(dá)初態(tài)位置時(shí)，行程開關(guān)S1動(dòng)作，常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)電源被切斷，停止工作。

在開蓋或關(guān)蓋的過(guò)程中，如果發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電機(jī)瞬時(shí)電流增大，可控硅VS1導(dǎo)通，自保護(hù)電路接通，斷開電機(jī)電源，避免電機(jī)因發(fā)生堵轉(zhuǎn)而造成燒損。此外，在軟件設(shè)計(jì)上也對(duì)電機(jī)加以保護(hù)，當(dāng)開蓋指令發(fā)出后，如果在3.5 s內(nèi)工控機(jī)未收到開蓋置位信號(hào)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)切斷電機(jī)電源。

2.4 功率放大電路

在激光發(fā)射接收裝置向火炮系統(tǒng)傳送20位串行碼時(shí)，由于傳輸距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致信息傳輸不可靠。基于此，在輸出端增加功率放大電路。根據(jù)雙階雙極性不歸零碼的特性，設(shè)計(jì)OCL互補(bǔ)功率放大電路[7]，如圖6所示。

在輸出端引入了信號(hào)隔離變壓器T1，以消除系統(tǒng)干擾對(duì)輸出的20位雙階雙極性不歸零碼的影響，A1為±5 V雙路輸出DC/DC電源模塊，單路輸出電流為2 A。

當(dāng)輸入端電壓Ui>0且逐漸增大時(shí)，V1管基極電流也隨之增大，輸出端RL得到正方向電流；當(dāng)Ui<0且逐漸減小時(shí)，V2管基極電流也隨之增大，輸出端RL上得到負(fù)方向電流。綜上，輸入信號(hào)在正半周主要是V1管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而負(fù)半周期主要是V2管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

功率放大電路最大不失真輸出電壓的有效值為

(1)

最大輸出功率為

(2)

平均輸出功率為

(3)

轉(zhuǎn)換效率為

(4)

3 試驗(yàn)

將激光發(fā)射接收裝置與試驗(yàn)工裝對(duì)接；通電后，控制系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)，向主炮系統(tǒng)發(fā)送值為1 500的20位雙階雙極性不歸零碼自檢信號(hào)，如圖7所示。

從圖7可見，20位雙階雙極性不歸零碼的第1位起始位“1”，第2位到第13位距離信息“010111011100”，第14位到第18位狀態(tài)標(biāo)志位“00000”，第19位溢出位“0”，第20位偶校驗(yàn)位“1”。計(jì)算距離信息所表示的距離值：

0101： 22+20

1101： 23+22+20

1100： 23+22

自檢距離值L0：

L0=(22+20)×162+(23+22+20)×16+(23+22)×160=1 500

將激光發(fā)射接收裝置瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)處目標(biāo)，實(shí)物目標(biāo)標(biāo)定為879 m，扳動(dòng)“開蓋”開關(guān)，環(huán)境保護(hù)蓋打開；開蓋置位后，輸出開蓋置位信號(hào)，工裝上信號(hào)指示燈點(diǎn)亮，開蓋正常；接通激光器電源控制信號(hào)，激光器工作，按下“激光觸發(fā)”按鈕，進(jìn)行激光測(cè)距，通過(guò)示波器讀取20位雙節(jié)雙極性不歸零碼，如圖8所示。

計(jì)算20位雙階雙極性不歸零碼，得到實(shí)測(cè)距離值L：

L=(21+20)×162+(22+21)×16+(23+22+21+20)×160=879

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者在對(duì)原激光發(fā)射接收裝置控制原理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型控制系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的組成、工作原理、工作流程，具體分析了設(shè)計(jì)中的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，雙階雙極性不歸零碼轉(zhuǎn)換、環(huán)境保護(hù)蓋控制電路的設(shè)計(jì)和功率放大電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)，分析并得出了20位雙階雙極性不歸零碼與實(shí)測(cè)距離之間的算法。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證和設(shè)備實(shí)裝工作，新型激光發(fā)射接收裝置控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。