多路激光測(cè)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇凝鋼，劉 吉，，武錦輝，張建宏，邢煥洲，金 源

(中北大學(xué) a.信息與通信工程學(xué)院； b.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

彈丸的速度測(cè)量在武器研究中具有廣泛的用途，是武器研制、校驗(yàn)中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是研究武器系統(tǒng)效能的關(guān)鍵參數(shù)[1]，所以對(duì)于彈丸速度測(cè)試方法的研究是至關(guān)重要的。隨著光電傳感技術(shù)的快速發(fā)展，激光測(cè)速技術(shù)越來(lái)越成熟，激光測(cè)速是在測(cè)距的原理上演變而來(lái)，具體來(lái)說(shuō)就是一種利用兩束激光光束形成區(qū)截裝置，彈丸飛行經(jīng)過(guò)兩道光幕產(chǎn)生變化的光通量，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理得到兩個(gè)脈沖信號(hào)，作為彈丸測(cè)速的計(jì)時(shí)起始端和停止端，最終完成運(yùn)動(dòng)物體速度的測(cè)試[2-4]，例如中北大學(xué)激光光幕靶測(cè)量破片速度[2,5]。基于這個(gè)原理經(jīng)常利用幾組激光測(cè)速裝置進(jìn)行子彈飛行速度衰減規(guī)律的研究[6-7]。但是在一般的測(cè)量當(dāng)中，各組測(cè)速裝置各自有一個(gè)計(jì)時(shí)模塊，分別獨(dú)立的完成彈速的測(cè)量，然后匯總在一起進(jìn)行速度衰減規(guī)律分析。由于各個(gè)裝置采用各自獨(dú)立的時(shí)鐘作為基準(zhǔn)，在研究速度變化規(guī)律時(shí)會(huì)引入誤差，使得結(jié)果不夠準(zhǔn)確；雙光幕測(cè)速系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試過(guò)程當(dāng)中，由于空中蚊蟲(chóng)，細(xì)小飛行物體等干擾信號(hào)會(huì)在彈丸經(jīng)過(guò)前使光電探測(cè)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，使待測(cè)系統(tǒng)提前觸發(fā)，使得測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常[8]；另外彈丸在飛行過(guò)程中部分散布大，會(huì)造成雙光幕測(cè)速系統(tǒng)出現(xiàn)漏測(cè)問(wèn)題，基于這些問(wèn)題，本文在雙光幕測(cè)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于STM32的多路區(qū)截激光測(cè)速控制系統(tǒng)，利用此控制系統(tǒng)與多個(gè)激光發(fā)射-接收一體化模塊相結(jié)合進(jìn)行彈丸速度的測(cè)試，這樣各個(gè)速度基于同一個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)，得出的速度變化規(guī)律較準(zhǔn)確，可用于速度衰減規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式[7]；同時(shí)有效解決了激光光幕測(cè)速因環(huán)境干擾造成系統(tǒng)誤觸發(fā)數(shù)據(jù)異常的問(wèn)題和因彈丸飛行散布大造成彈速漏測(cè)問(wèn)題，提高了測(cè)速系統(tǒng)的可靠性。以外該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以利用PC機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，整個(gè)測(cè)試過(guò)程安全、快捷。

1 多路區(qū)截激光測(cè)速系統(tǒng)原理

雙光幕激光測(cè)速原理如圖1所示，雙光幕激光測(cè)速裝置由兩組激光發(fā)射-接收模塊-原向反射屏[9-10]組成，當(dāng)被測(cè)子彈沿著彈道線穿過(guò)光幕時(shí)，會(huì)遮擋部分光造成光電探測(cè)器光通量變化，形成脈沖信號(hào)，一個(gè)作為計(jì)時(shí)起始端，一個(gè)作為計(jì)時(shí)終止端，經(jīng)過(guò)脈沖計(jì)數(shù)得到子彈經(jīng)過(guò)兩道光幕的時(shí)差就可以算出子彈的速度[4]。多路區(qū)截激光測(cè)速系統(tǒng)是在雙光幕測(cè)速裝置基礎(chǔ)上擴(kuò)展為由多路(6～10路)激光發(fā)射-接收模塊和原向反射屏組成，如圖2所示。

圖1 雙光幕激光測(cè)速原理

圖2 多路激光發(fā)射-接收測(cè)速原理

多路區(qū)截激光測(cè)速將多個(gè)光電探測(cè)器信號(hào)接入同一個(gè)計(jì)時(shí)電路，使用同一個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)，當(dāng)被測(cè)子彈沿著彈道線飛行時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)多道光幕，這樣每道光幕可以產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號(hào)，正常情況下多路測(cè)速時(shí)會(huì)得到多組時(shí)間值(ti，i∈{1,2,3,4,5,6,7,8})，可測(cè)試多個(gè)位置的速度，并且可以通過(guò)計(jì)算得到子彈飛行過(guò)程中速度變化的規(guī)律。這里我們將8路時(shí)間值相鄰兩個(gè)為一組，共分為四組計(jì)算彈速。

Δtk=tk2-tk1

(1)

(2)

(3)

k表示第k組時(shí)間數(shù)據(jù)，k∈(1,2,3,4);tk2表示第k組較大時(shí)間值;tk1表示第k組計(jì)時(shí)較小值; Δtk表示第k組時(shí)差；sk表示k組相鄰兩路激光之間的距離;vk表示第k組所測(cè)速度；表示第k組到第k+1組測(cè)速位置之間子彈的加速度。在有干擾信號(hào)或者子彈偏離彈道線時(shí)，不是每路激光接收數(shù)據(jù)都正常，但是多路激光區(qū)截測(cè)速系統(tǒng)可以根據(jù)光電探測(cè)器接收到的多路激光信號(hào)變化來(lái)確認(rèn)是否有多路連續(xù)過(guò)靶信號(hào)產(chǎn)生來(lái)確定數(shù)據(jù)是否有效，彌補(bǔ)了雙路激光測(cè)速的不足，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

基于此測(cè)速原理，需設(shè)計(jì)總控箱來(lái)并行控制多路激光測(cè)速系統(tǒng)，并且通過(guò)以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制激光器和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 控制箱控制硬件設(shè)計(jì)

總控箱是用來(lái)控制多路激光驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)和進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)完成計(jì)時(shí)，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口-以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，所以該總控電路主要由繼電器模塊，串口模塊，電源電路，時(shí)鐘芯片，存儲(chǔ)器，看門狗電路、信號(hào)調(diào)理電路等模塊組成。多路激光器總控系統(tǒng)總體組成框圖如圖3所示。

圖3 總控系統(tǒng)總體組成框圖

本次設(shè)計(jì)采用的核心處理器為STM32F103，主要接口電路如圖4所示，微處理器外圍電路介紹如下。

圖4 單片機(jī)主要接口電路

1) 計(jì)時(shí)、存儲(chǔ)模塊

FM31256-G集成了處理器外圍系統(tǒng)最常用的一些功能，其主要功能特性包括非易失性存儲(chǔ)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)低壓復(fù)位，看門狗定時(shí)器，非易失性事件計(jì)數(shù)器，可鎖定的64位串行數(shù)據(jù)區(qū)，該模塊用來(lái)計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)其中兩路激光器正常工作時(shí)，計(jì)數(shù)模塊得到第一路激光器接收部分信號(hào)后開(kāi)始計(jì)數(shù)，在第二路激光器接收部分接收到信號(hào)后停止計(jì)數(shù)，利用脈沖計(jì)數(shù)得到飛行經(jīng)過(guò)兩路激光光束之間的時(shí)間差。

2) 繼電器組模塊

脈沖激光在極短時(shí)間內(nèi)集中較大的能量，瞬間功率較大，可出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)大幅度超過(guò)正常電壓的現(xiàn)象，而AGN20012杰出的抗浪涌能力可用于該繼電器組設(shè)計(jì)中，且版圖占用面積較小，可以增加多個(gè)繼電器來(lái)形成多路激光器開(kāi)關(guān)，雙橫桿觸點(diǎn)的使用確保了高接觸可靠性。另外采用由8個(gè)NPN達(dá)林頓晶體管組成的ULN2803，常用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求之間的接口，對(duì)于脈沖激光開(kāi)關(guān)至關(guān)重要。本次設(shè)計(jì)了6個(gè)繼電器分別用來(lái)控制6個(gè)激光發(fā)射模塊，當(dāng)單片機(jī)接收到指令時(shí)，繼電器關(guān)閉，激光開(kāi)始工作。

3) 電源供電模塊

總控箱內(nèi)部供電需要12 V，5 V，3.3 V，其中5 V和3.3 V都可以采用內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換電路由12 V電源轉(zhuǎn)換而來(lái)，而12 V則采用鋰電池和UPS來(lái)提供，UPS模塊選取的型號(hào)為XK07P60UPS12L，它是12 V、5 A直流不間斷充放電式UPS，交流電正常工作時(shí)，電源直流輸出DC12 V、5 A給激光測(cè)速系統(tǒng)供電，同時(shí)電源另一路輸出DC13.8 V、0.8 A或12.6 V、0.8 A給蓄電池充電，采取智能充電控制的方法，12 V蓄電池充滿電后自動(dòng)停止充電，無(wú)需人工操作。當(dāng)AC220V斷電時(shí)，UPS模塊自動(dòng)將蓄電池電壓切換到輸出端給激光測(cè)速系統(tǒng)供電，轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，無(wú)需人工干預(yù)，簡(jiǎn)單快捷，減少人力，其中轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10ms，這期間可以確保激光測(cè)速系統(tǒng)正常工作，不會(huì)出現(xiàn)重新啟動(dòng)或掉線等情況發(fā)生。單次充滿后，可工作10小時(shí)以上。當(dāng)AC220重新來(lái)電后，UPS模塊會(huì)自動(dòng)有限將蓄電池工作轉(zhuǎn)換為AC220供電模式。

4) 信號(hào)調(diào)理模塊

光電探測(cè)器接收到原向發(fā)射屏的反射光的變化比較小，產(chǎn)生的光電流一般也比較小，所以用信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)電壓進(jìn)行放大處理。較小的光電流經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大，然后經(jīng)過(guò)比較電路得到較好的電壓幅值信號(hào)。

5) 串口-以太網(wǎng)通信模塊

利用串口-以太網(wǎng)通信將存在存儲(chǔ)器中的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，可以將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)線上傳至上位機(jī)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、處理與顯示，反過(guò)來(lái)也可以由操作人員經(jīng)上位機(jī)發(fā)送指令給總控箱微處理器進(jìn)行操控激光器發(fā)射-接收模塊達(dá)到遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

3 控制箱軟件設(shè)計(jì)

多路激光發(fā)射-接收測(cè)速系統(tǒng)控制箱的主程序運(yùn)行在處理器STM32F103R6T6上，主程序流程如圖5所示。本部分程序主要包括計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于串口發(fā)送接收功能，首先完成硬件的初始化配置，有系統(tǒng)初始化，繼電器，時(shí)鐘初始化，串口初始化，指示燈初始化等一系列配置，開(kāi)始時(shí)繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，激光器不工作，微處理器等待遠(yuǎn)程PC機(jī)發(fā)送指令經(jīng)以太網(wǎng)-串口來(lái)控制總控箱中繼電器開(kāi)關(guān)，當(dāng)上位機(jī)配置好TCP發(fā)送繼電器關(guān)閉指令后，繼電器正常工作，激光開(kāi)始工作，計(jì)時(shí)模塊處理待觸發(fā)狀態(tài)，當(dāng)有子彈飛行經(jīng)過(guò)后會(huì)產(chǎn)生計(jì)時(shí)操作，除了第一路為計(jì)時(shí)起始端，最后一路為計(jì)時(shí)終止端外，其余各路既為計(jì)時(shí)開(kāi)啟端，又為計(jì)時(shí)終止端。當(dāng)子彈經(jīng)過(guò)第一路的時(shí)候，其余各路均為終止端，子彈飛行經(jīng)過(guò)整個(gè)系統(tǒng)后會(huì)得到多個(gè)時(shí)間值；當(dāng)子彈未經(jīng)過(guò)第一路而經(jīng)過(guò)后面的任意三路以上激光光幕時(shí)候，其中第一路幾位計(jì)時(shí)起始端，后面幾路就為計(jì)時(shí)終止端，這樣得到部分時(shí)間值，最后對(duì)應(yīng)的基于同一時(shí)鐘基準(zhǔn)的各路時(shí)間數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中待處理，后期根據(jù)時(shí)間數(shù)據(jù)確定是否有多路連續(xù)過(guò)靶信號(hào)產(chǎn)生決定數(shù)據(jù)是否有效，這樣設(shè)置計(jì)時(shí)規(guī)則可以有效減少因時(shí)鐘基準(zhǔn)不一致獨(dú)立測(cè)速引入誤差的問(wèn)題，可以提高測(cè)速的準(zhǔn)確性，使數(shù)據(jù)更精確；同時(shí)可有效解決雙光幕測(cè)速因子彈散布大造成漏測(cè)問(wèn)題和因“假?gòu)椡琛毙盘?hào)造成數(shù)據(jù)異常問(wèn)題。最后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至以太網(wǎng)接口經(jīng)網(wǎng)線傳至PC機(jī)，利用上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行顯示、讀取、分析、保存，設(shè)定一段時(shí)間后，再次進(jìn)行速度測(cè)試待觸發(fā)，可對(duì)彈速再次測(cè)量。

圖5 激光測(cè)速主程序流程

4 實(shí)驗(yàn)

將總控箱與六路激光發(fā)射-接收裝置裝配好，實(shí)驗(yàn)中每?jī)陕方M成1組，共3組。在試驗(yàn)靶道場(chǎng)地用滑膛彈道槍射擊直徑4.8 mm鋼珠，槍口距3組激光分別為6.8 m、7.8 m和8.8 m，如圖6所示，然后進(jìn)行速度測(cè)試。3組激光測(cè)速結(jié)果如表1所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 測(cè)速結(jié)果(m·s-1)

經(jīng)測(cè)試，該總控系統(tǒng)可以正常工作，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠滿足要求，可遠(yuǎn)程進(jìn)行操作，方便安全。

激光測(cè)速和其他方法相比效率高，精度高，但根據(jù)誤差傳遞理論，可知測(cè)速誤差由側(cè)室和測(cè)距兩部分誤差組成。首先對(duì)于測(cè)時(shí)誤差主要來(lái)源于系統(tǒng)中的晶振頻率和數(shù)據(jù)處理時(shí)計(jì)時(shí)時(shí)刻選取不一致帶入誤差，對(duì)于本系統(tǒng)中采用頻率為8 MHz的晶振，測(cè)時(shí)總誤差Δt=125 ns。測(cè)距誤差主要來(lái)源于一下3個(gè)方面：

1) 彈道不垂直于光幕(如圖7所示)引起靶距誤差Δs1；

2) 兩光幕不平行(如圖8所示)引起靶距誤差Δs2；

3) 靶距測(cè)量引起誤差Δs3；

圖7 彈道不垂直光幕

圖8 兩光幕不平行

下面根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析測(cè)距誤差：

s為200 mm，α=2°，則Δs1=0.12 mm；

光幕高度為1.5 m，該誤差一般可以限制在0.1 mm以內(nèi)，這里按0.1 mm分析；

Δs3=0.1 mm

靶距采用激光測(cè)距機(jī)測(cè)量，會(huì)有0.1 mm的示值誤差；

上面幾種誤差通常不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)最大值，采用均方和形式表達(dá)綜合測(cè)距誤差較為合理，即

這里彈速設(shè)定為1 000 m/s，飛行時(shí)間t=0.7 ms，將以上參數(shù)帶入誤差公式，有

可知測(cè)試速度的相對(duì)誤差為1‰。

5 結(jié)論

本文在兩路脈沖激光測(cè)速的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套利用多路區(qū)截激光并行進(jìn)行子彈飛行速度測(cè)量的控制系統(tǒng)，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中上位機(jī)可以利用總控箱同時(shí)對(duì)多路激光器發(fā)射-接收模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，多路激光器全部可以正常工作，上位機(jī)也可以得到串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

基于本文設(shè)計(jì)的多路區(qū)截激光測(cè)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以有效解決較小因計(jì)時(shí)時(shí)鐘基準(zhǔn)不一致造成的誤差，分析結(jié)構(gòu)更可靠；同時(shí)避免了因子彈散布大導(dǎo)致的漏測(cè)和外界環(huán)境中干擾信號(hào)造成的數(shù)據(jù)異常造成測(cè)試失敗。