基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機(jī)控制儀設(shè)計(jì)

摘 要:針對目前靶場測試領(lǐng)域尤其是外彈道測試通常采用人工擊發(fā)槍械的方式，存在安全性差、無法精確控制等問題，設(shè)計(jì)一種基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機(jī)控制儀。采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元，CPLD作為主控制器實(shí)現(xiàn)邏輯控制、通信功能。設(shè)計(jì)中著重考慮了電磁兼容及安全性，通過機(jī)械及電氣兩部分聯(lián)鎖確保控制儀無誤觸發(fā)。通過靶場試驗(yàn)，該控制儀能夠適應(yīng)靶場電磁環(huán)境，而且對其他儀器無干擾，其通信功能還可實(shí)現(xiàn)整體測試系統(tǒng)的同步性、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化及遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞:CPLD; 槍械擊發(fā); 互鎖邏輯; 靶場測試

中圖分類號:TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0033-03

Design of Firearms Electromagnetism Trigger Controller Based on CPLD Technology

CAI Rong-li， JI Bo-wen， SUN Huan

(School of Optoelectronics Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710032，China)

Abstract: In view of the current range testing field， especially exterior ballistics test commonly used firing firearms artificially， a firearms electromagnetism trigger controller based on CPLD technology was designed for solving the poor security and imprecise control. The stepping motor is used as execution unit， CPLD as a master-control unit to realize the logical control and the communication function. The electromagnetic compatibility and security in the design are considered emphatically， through interlocking two parts of the machinery and electrical to guarantee correct trigger. Through range testing， this controller can be adapted to the electromagnetic environment， and does not have the disturbance to other instruments. Its communication function can also realize the synchronization， automation， network and the remote control of the whole test system.

Keywords: CPLD;firing firearms;interlock logical;range testing

0 引 言

靶場測試領(lǐng)域中槍械的擊發(fā)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的槍械擊發(fā)采用人工方式，即射擊人員聽到射擊指令后手工扣動(dòng)槍械扳機(jī)進(jìn)行擊發(fā)，這種方式存在兩方面的問題:其一，無法保證安全性。人員操作時(shí)有可能由于疲勞或者聽錯(cuò)指令進(jìn)行了誤操作，則可能造成靶道內(nèi)人員安全事故，而在有些應(yīng)用場合，如防彈頭盔穿甲實(shí)驗(yàn)，射擊人員必須面對防彈頭盔進(jìn)行射擊，彈頭有可能反彈回來傷及射擊人員。上述兩種安全事故在國內(nèi)靶場都曾發(fā)生過。其二，隨著靶場測試技術(shù)的不斷發(fā)展，靶場測試所用的設(shè)備種類越來越多，精度也越來越高，因此，不同的測試設(shè)備如何保持一定的同步性顯得越來越重要。顯然，手工擊發(fā)槍械方式難以實(shí)現(xiàn)同步性要求。

基于以上考慮，有人提出了基于電磁效應(yīng)的控制方法，由鐵芯、線圈、銜鐵、簧片等組成，當(dāng)需要控制槍械擊發(fā)時(shí)，向線圈兩端加上一定電壓，線圈中便會(huì)流經(jīng)電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就在電磁力的作用下克服彈簧的拉力吸緊鐵芯，以帶動(dòng)扳機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要釋放扳機(jī)時(shí)，斷開線圈兩端電壓，電磁力消失，銜鐵在彈簧拉力的作用下，恢復(fù)原位釋放扳機(jī)。多次試驗(yàn)后，證實(shí)該方法可行，但存在一定的弊端。如銜鐵位置的恢復(fù)依賴于彈簧的拉力，長時(shí)間使用后彈簧會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，另一方面，線圈方式工作時(shí)，會(huì)有較大的沖擊電流，這會(huì)給電網(wǎng)及其他設(shè)備帶來干擾，甚至?xí)痍P(guān)鍵設(shè)備誤觸發(fā)。針對上述問題，設(shè)計(jì)了基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機(jī)控制儀。

1 電磁扳機(jī)控制儀總體構(gòu)成

為了保證電磁扳機(jī)控制儀安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)一定的邏輯互鎖機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用CPLD實(shí)現(xiàn)電路邏輯功能，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元。

電磁扳機(jī)控制儀總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1中，電磁扳機(jī)控制儀由CPLD邏輯控制器、RS 232通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。其中，CPLD完成邏輯控制及串口通訊功能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收邏輯指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。應(yīng)用CPLD在線可編程技術(shù)及串口通信技術(shù)，設(shè)計(jì)的控制儀具有很高的現(xiàn)場可編程功能及組網(wǎng)功能，可與其他測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)整體測試系統(tǒng)的同步性、自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò)化[1]。由于電磁扳機(jī)控制儀應(yīng)用在靶場環(huán)境，因此其使用的安全性是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，新設(shè)計(jì)的控制儀克服了舊儀器的諸多問題，充分考慮了電磁兼容性，現(xiàn)場可操作性以及測試安全性等因素，從設(shè)計(jì)上最大程度的保證了使用的安全性。

圖1 電磁扳機(jī)控制儀總體構(gòu)成框圖

槍械電磁扳機(jī)控制儀控制面板示意圖如圖2所示。

圖2 槍械電磁扳機(jī)控制儀控制面板示意圖

從消除干擾確保穩(wěn)定的角度出發(fā)，首先是在設(shè)計(jì)CPLD控制板時(shí)，在電源地之間加入了大量的濾波電容，在數(shù)據(jù)通道上加入光電隔離，控制信號的長線輸出采用雙絞線輸出并且接口均采用軍品航空插頭，以避免在傳播路徑中引入干擾;在步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行單元，加入電磁屏蔽盒，消除電機(jī)動(dòng)作時(shí)帶來的電磁干擾[2]。

從測試安全的角度出發(fā)，在控制面板上加入了解閉鎖開關(guān)，確保了系統(tǒng)的總體控制;同時(shí)在“觸發(fā)”和“復(fù)位”按鍵的邏輯上加入互鎖功能，保證操作的正確性，從而消除誤操作現(xiàn)象。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的扳機(jī)控制儀大多采用電磁原理設(shè)計(jì)，存在的主要弊端有:彈簧長時(shí)間使用后容易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象;銜鐵在吸合過程中容易產(chǎn)生較大的沖擊電流，影響電網(wǎng)穩(wěn)定，而且還會(huì)影響其他測試儀器的正常工作等。針對這些問題，設(shè)計(jì)者利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來代替原有機(jī)構(gòu)，可以對扳機(jī)操作進(jìn)行精確控制。

機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

電磁扳機(jī)控制儀的機(jī)械部分主要由步進(jìn)電機(jī)、基座、轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)、扳機(jī)連桿、連線盒及電磁扳機(jī)屏蔽外殼構(gòu)成。其工作過程為:步進(jìn)電機(jī)接收驅(qū)動(dòng)器指令進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)扳機(jī)實(shí)現(xiàn)一次行程，完成擊發(fā)動(dòng)作[3-4]。

圖4為電磁扳機(jī)行程方向及行程長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有扳機(jī)行程調(diào)節(jié)孔(圖中①、②、③、④，四個(gè)調(diào)節(jié)孔距轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)中心半徑逐漸縮小R1>R2>R3>R4)，扳機(jī)連桿的長度也可以調(diào)整。通過這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，可以調(diào)整扳機(jī)的行程距離。

圖3 電磁扳機(jī)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 電磁扳機(jī)行程方向及行程長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接高壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過CPLD控制器產(chǎn)生邏輯控制信號，實(shí)現(xiàn)扳機(jī)的控制。控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間通過長絞線連接，測試儀與電機(jī)等干擾源距離較遠(yuǎn)且測試人員可以通過遠(yuǎn)距離控制槍械的擊發(fā)，既保證了控制系統(tǒng)不受電磁干擾，又確保了測試人員的安全[5-6]。

3 控制部分設(shè)計(jì)

3.1 CPLD邏輯控制部分

電磁扳機(jī)控制儀采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元，CPLD作為主控制器實(shí)現(xiàn)邏輯控制和通信功能。邏輯控制部分實(shí)現(xiàn)按鍵的判讀、鎖存，觸發(fā)和復(fù)位的互鎖以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制功能[5]。

控制儀由“解閉鎖開關(guān)”作為儀器功能的總開關(guān)，閉鎖時(shí)，儀器面板所有按鍵不工作;解鎖后，控制儀工作正常。電機(jī)動(dòng)作由“復(fù)位”和“觸發(fā)”按鍵配合工作，當(dāng)擊發(fā)允許時(shí)，按下“觸發(fā)”按鍵，槍械擊發(fā)并鎖存觸發(fā)鍵，若繼續(xù)按觸發(fā)鍵則儀器不觸發(fā);當(dāng)需要再次擊發(fā)時(shí)，必須按“復(fù)位”鍵后，解除觸發(fā)鎖存，然后按下觸發(fā)按鍵觸發(fā)儀器。通過“復(fù)位”和“觸發(fā)”按鍵的相互鎖存，來確保控制儀的安全觸發(fā)[7-8]。圖5為CPLD電路邏輯功能仿真時(shí)序圖。

圖5中左邊Name欄定義管腳:clk為CPLD輸入時(shí)鐘1 MHz;feng為系統(tǒng)工作時(shí)的分頻時(shí)鐘;green和red分別代表“觸發(fā)”、“復(fù)位”按鍵;out為邏輯輸出端;key為解閉鎖開關(guān)。

圖5 控制儀邏輯功能仿真時(shí)序圖

控制儀邏輯功能見圖5。當(dāng)系統(tǒng)閉鎖時(shí)(key=0)，按鍵按下系統(tǒng)不工作(圖5中1);系統(tǒng)解鎖后(key=1)，按“觸發(fā)”鍵，系統(tǒng)輸出控制信號;繼續(xù)按“觸發(fā)”鍵，系統(tǒng)處于互鎖保護(hù)狀態(tài)，系統(tǒng)無觸發(fā)輸出(圖5中3);按“復(fù)位”鍵后，可以繼續(xù)觸發(fā)，系統(tǒng)能夠正常輸出(圖5中4);重復(fù)誤操作，繼續(xù)觸發(fā)，無輸出(圖5中5)。

圖5中g(shù)reen_lignt，red_light分別對應(yīng)觸發(fā)燈和復(fù)位燈。系統(tǒng)啟動(dòng)且未解鎖，觸發(fā)燈亮，復(fù)位燈滅，解鎖燈滅(圖5中2);系統(tǒng)解鎖觸發(fā)后，觸發(fā)燈滅，復(fù)位燈亮，表示系統(tǒng)已經(jīng)觸發(fā)，需通過復(fù)位解除保護(hù)可繼續(xù)觸發(fā)。復(fù)位后，觸發(fā)燈亮，復(fù)位燈滅，表示系統(tǒng)可以觸發(fā)。

3.2 通訊接口部分

由于目前的靶場測試系統(tǒng)由許多測試儀器組成，并且在測試過程中，數(shù)據(jù)的采集處理都要求有較高的實(shí)時(shí)性，要求電磁扳機(jī)控制儀能夠通過軟件觸發(fā)的方法來工作，而目前國內(nèi)靶場測試領(lǐng)域中測試儀器大多留有串行RS 232接口，設(shè)計(jì)者在控制電路的基礎(chǔ)上加入了串口通訊模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)。整個(gè)測試過程可以從槍械擊發(fā)到測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理都實(shí)現(xiàn)軟件控制，實(shí)時(shí)性有了很大的提高。

RS 232采用負(fù)邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)，邏輯“1”為-3~-15 V，邏輯“0”為+3~+15 V，容限大、數(shù)據(jù)線少、抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

基于CPLD的RS 232通訊接口設(shè)計(jì)，采用MAX232進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換，由于CPLD與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設(shè)采用串行方式，故需要在串行接口中加入串并轉(zhuǎn)換模塊。典型的串行接口模塊如圖6所示[9]。

在數(shù)據(jù)輸入過程中，串行數(shù)據(jù)按位進(jìn)入模塊的“接收移位寄存器”，當(dāng)接收一個(gè)完整字符后，數(shù)據(jù)從“接收移位寄存器”送入“數(shù)據(jù)輸入寄存器”再通過并行總線DATA[7:0]將數(shù)據(jù)并行取走。數(shù)據(jù)輸出過程剛好相反。數(shù)據(jù)的傳輸速度由接收/發(fā)送時(shí)鐘決定[10]。

圖6 串行接口模塊結(jié)構(gòu)圖

電磁扳機(jī)控制儀中的RS 232接口電路如圖7所示。

圖7 基于CPLD的串口通訊接口電路

圖7為采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)串口通訊電路，該芯片可以適應(yīng)+5 V單電源供電環(huán)境，硬件接口簡單，易于實(shí)現(xiàn)。MAX232包含了兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部有一個(gè)倍壓器和一個(gè)電壓反相器，可以將輸入的+5 V電源電壓，變換成RS 232的輸出電平±10 V。圖7中的4個(gè)電容可以采用0.1 μF非極性瓷片電容代替1 μF/16 V電解電容，并且盡量靠近芯片，以提高抗干擾能力。

4 結(jié) 語

在設(shè)計(jì)基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機(jī)控制儀的工作中，充分了解原有控制儀中存在的諸如安全性差、無法精確控制、無法實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)測試等問題，從電磁兼容性、系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，安全性出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，取得了很好的效果。所設(shè)計(jì)的控制儀實(shí)物經(jīng)過靶場試驗(yàn)，能夠適應(yīng)靶場環(huán)境下復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，能夠安全可靠地執(zhí)行測試工作。

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