數字動態(tài)靶標控制器的設計與實現

靶標是一種在室內檢測光電跟蹤測量設備的裝置，分為動態(tài)靶標和靜態(tài)靶標。一般情況下，靜態(tài)靶標用于檢測設備的測量精度，動態(tài)靶標用于檢測設備的跟蹤性能。結合靶場試驗和操作手訓練任務需求，自行研制的數字動態(tài)靶標不僅可用于光電跟蹤測量設備的標校和檢測，還可用于操作手的實物訓練。
　數字動態(tài)靶標由靶標架和靶標控制器組成，靶標架由靶標支架、靶標（平行光管、燈源、星點板、反射鏡）和執(zhí)行機構（直流電機、測速電機）組成；靶標控制器用于控制靶標按照預先設定的工作模式運動。靶標光源穿過星點板經平行光管后形成平行光，再經平面鏡反射至經緯儀鏡頭，產生光電跟蹤測量設備可成像的無窮遠光斑，即模擬一個空間運動目標，供光電跟蹤測量設備如光電經緯儀、紅外跟蹤測量系統、電視跟蹤測量系統進行跟蹤和性能檢測。
1 系統的硬件設計
　數字動態(tài)靶標控制器以單片機為核心，其硬件原理如圖1所示。該系統主要由驅動電路、信號調理電路、燈源亮度控制電路、報警電路、顯示電路、時鐘電路以及各種接口電路等組成。

　單片機除了要計算控制量、控制靶標按設定模式轉動外，還要掃描鍵盤、顯示系統狀態(tài)并與時統終端或者計算機通信。為了滿足設計要求，本系統選擇了16位單片機80C196KB。相比于8位單片機，80C196 KB具有更高的計算性能，同時又具有更豐富的軟硬件資源，例如A/D轉換器、脈寬調制器PWM和高速輸出器HSO等。驅動裝置為大功率晶體管PWM功率放大器，執(zhí)行電機為直流力矩電機J130LYX02B，速度檢測元件采用直流測速發(fā)電機130CYDN02C。顯示屏采用寬溫型圖形液晶顯示模塊MGLS24064-21C，顯示窗口大，顯示內容多。為了實現自定義工作模式，系統中還設計了時鐘電路（采用芯片DS12C887），可以預先設定不同模式的訓練時間，從而可以模擬出具有復雜運動特性的點目標。系統還具有自檢功能，發(fā)現故障時由報警電路及時報警。為了進一步完善動態(tài)靶標的功能，系統中還設計了RS-232和RS-485串行接口,用于與計算機或者B碼終端設備的通信。
1.1 驅動電路
為了減少外圍電路、充分利用單片機資源，采用單片機內部的脈寬調制器直接輸出驅動信號（PWM），靶標轉動方向信號（DIR）由單片機的I/O腳輸出。為了驅動功率級，首先應對TTL電平的PWM信號和DIR信號進行預處理，電路如圖2所示。

光電耦合器U1、U2用于消除地環(huán)路引起的共阻抗耦合干擾，實現不同電壓信號的隔離，抑制干擾傳遞。DIR信號經過光電耦合隔離后首先通過D觸發(fā)器U3，形成模擬開關U4的兩路控制信號。PWM信號經過光電耦合隔離后直接進入U4的數據輸入端，U4輸出信號經過緩沖后即形成H橋式驅動電路（如圖3所示）的控制信號HL、LR、HR和LL。當設定轉向為“正轉”時，HL、LR信號有效，使管Q1、Q5和Q4、Q8導通，電流由電機的S2端流入S1端，電機正轉；當設定轉向為“反轉”時，HR、LL信號有效，使管Q3、Q6和Q2、Q7導通，電流由電機的S1端流入S2端，電機反轉。

1.2 信號調理電路
直流測速發(fā)電機是一種模擬測速裝置，可將軸轉速信號變換為直流電壓輸出。由電磁理論可以推導直流測速發(fā)電機的感應電動勢E與轉速n的關系為：

式中：C為與發(fā)電機結構有關的常數；Φ為磁通。
　　測速發(fā)電機工作時要接負載電阻，負載電阻R的端電壓U即為得到的輸出電壓,該端電壓等于感應電動勢減去在它的內阻r(發(fā)電機繞組回路電阻)上的壓降，即：

構成分壓器，R5和C9組成濾波環(huán)節(jié)，U11、U12分別為同相和反相放大器，D1、D2、D3和D4起保護作用。調整W3的位置，使測速發(fā)電機在最大轉速時ACH0或ACH1(分別對應正轉和反轉)為+5 V，同時調整放大器參數，以保證信號的線性。

1.3保護電路
為了防止電流過大燒毀電機，設計了如圖5所示的保護電路，其中R22、R23和R24分壓形成比較電平，U6為比較器，U3為帶清零和置1端的D觸發(fā)器，A點、C點分別和圖2中的A點、C點相連，B點和圖3中的B點相連。在圖3中,R20為取樣電阻，流經電機繞組的電流越大，則B點電壓(VB)越大。當VB小于比較電平時，U6輸出為高電平，則U5輸出為低電平，U3的12腳保持高電平，保護電路對驅動電路不起作用；當VB大于比較電平時，U6輸出為低電平,經U5倒相后對U3置1，U3的12腳變?yōu)榈碗娖?把圖2中的A點拉為低電平，則LL、LR同時變?yōu)楦唠娖?，即在圖3中同時關斷Q2、Q7和Q4、Q8，流經電機繞組的電流變?yōu)榱悖姍C停止轉動，起到保護電機的作用。

1.4 燈源亮度控制電路
為了模擬目標動態(tài)的明暗強弱變化，設計了燈源亮度控制電路，如圖6所示。利用單片機高速輸出器HSO來產生脈寬調制輸出PWML，經光電耦合器U7后控制場效應管U8的導通時間，從而實現對燈源亮度的控制。燈源亮度變化在經緯儀成像時即表現為目標的明暗強弱變化。

2 系統的軟件設計
　系統軟件除了要完成對硬件的初始化之外，還要完成對硬件電路的實時控制，對數據進行輸入輸出操作和數值的分析、處理。軟件采用MCS96匯編語言編寫，采用模塊化結構設計，各個功能子模塊獨立，調試方便，并容易根據需要擴展。軟件具有計時、鍵盤掃描處理、顯示、速度采樣、報警等功能，圖7為系統主程序示意圖。

2.1 PID控制器
PID控制器具有簡單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內都能保持較好的魯棒性；同時，因為PID控制器允許工程技術人員以一種簡單而直接的方式來調節(jié)系統，從而使得PID控制成為工業(yè)過程控制中應用最為廣泛的一種形式。離散的PID表達式如下：

由上式可以看出，如果單片機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定了KP、I、D，只要使用前后3次測量值的偏差，就可以由(6)式遞推求出控制量。
　本系統中,為了消除積分飽和帶來的不利影響，采用了遇限削弱積分法。具體過程是：計算uk前，先判斷前一次的控制量uk-1是否超出了極限范圍，如果超出，則說明已進入飽和區(qū)，這時再根據偏差的正負，來判斷控制量是使系統加大超調還是減小超調。如果是減小超調，則保留積分項；否則取消積分項，程序框圖如圖8所示。

2.2 PWM波形的生成
　將PID控制器的輸出量變換成具有一定占空比的PWM控制電壓，即可控制電機轉動。在8096系統中，可以采用兩種方法來提供模擬量輸出：一種是通過HSO提供。另一種是通過內部脈寬調制器提供，PWM控制電壓由第二種方法產生，程序如下：
LDB IOC1,#25H； //選擇P2.5腳作為PWM信號輸出；
　LDB IOC2,#00H； //設置PWM重復周期為256個狀態(tài)周期（12MHz晶振時為42.75 μs）；
　LDB PWM_CONTROL,Uk； //將控制量Uk寫入PWM寄存器即可輸出PWM控制電壓。
　由上述分析可見：通過設置靶標的轉動速度和加速度，可以生成不同運動模式的目標，包括勻速運動、勻加速運動、勻減速運動和自定義等模式，用于訓練操作手的目標捕獲能力。通過調整靶標光源亮度，可模擬目標動態(tài)的明暗強弱變換，在提高訓練難度的基礎上還可訓練設備操作人員的參數設置能力。同時，結合特定試驗條件設定訓練參數，可以仿真不同站址經緯儀的工作情況，為經緯儀試前布站選址提供依據。
當數字動態(tài)靶標作為高精度測量靶標使用時，需要準確地確定在任意時刻靶標的空間角度，即必須保證靶標的旋轉精度，同時要消除旋轉靶標軸系跳動的影響。因此，需要加上位置反饋環(huán)節(jié)(如高精度編碼器)，同時，還要進一步改進、完善靶標的軸系和機械性能，數字動態(tài)靶標才可能用于光電跟蹤測量設備的精度測量,從而提高我部光測設備的標校和檢測能力，使我部在設備應用的基礎上,在設備的維修、維護和檢測方向邁出重要一步。
參考文獻
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