基于光纖傳輸的電磁線圈炮炮口測速裝置

1 引 言

炮口初速是衡量火炮、彈丸的綜合性能的重要參量之一。測量初速的值，是衡量內彈道理論的正確性和計算方法準確性的重要標準之一，而對外彈道來說，彈丸初速也是研究彈丸在空氣中飛行規(guī)律和計算火炮射表的原始數據之一。通常炮口初速的測量，可以通過傳統(tǒng)的測速方法得到。傳統(tǒng)測速方法從原理上可分為測瞬時速度法(如彈頭激波測速法)和測平均速度法(如通斷靶，線圈靶和光幕靶等測速法)兩類。

近年來，伴隨著電磁線圈炮的發(fā)展，其炮口測速已引起了人們的關注。電磁發(fā)射領域是一個全新的武器系統(tǒng)，他在發(fā)射機理、工作環(huán)境以及工作特點等方面與傳統(tǒng)的以火藥為能源的火炮系統(tǒng)有著根本的不同，發(fā)射時電磁炮的強電磁環(huán)境、超高的彈丸初速等特點，勢必造成傳統(tǒng)的測速方法靈敏度降低，易受外界電磁場的干擾等現(xiàn)象，導致結果數據與實際不符。因此，尋求一種全新的測速方法已迫在眉睫。

基于這個目的，我們設計了光纖單片機測速系統(tǒng)來解決電磁線圈炮的測速難題。光纖單片機測速系統(tǒng)反應靈敏，比較適合電磁線圈炮高初速彈丸速度的測量，且光信號的傳輸和接收不受外界環(huán)境的干擾，能夠在電磁線圈炮惡劣的發(fā)射環(huán)境下工作，此外光纖傳輸信號損耗較小，能夠將信號引離強電磁環(huán)境，使信號處理系統(tǒng)避免強電磁的干擾，提高測量的精度。

2 光纖單片機測速系統(tǒng)的組成

本文所研究的光纖單片機測速系統(tǒng)由光信號發(fā)生電路、光信號的導出、光電信號轉換電路、單片機計算系統(tǒng)、LED顯示電路等組成。其主要原理圖如圖1所示。

光纖單片機測速系統(tǒng)相對來說結構比較簡單，使用方便，更重要的是他能夠避免電磁線圈炮強電磁環(huán)境的干擾，靈敏度高、測速精確，能夠滿足電磁線圈炮的測速要求。

3 硬件設計

光纖單片機測速系統(tǒng)主要由光電轉換系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)和速度顯示系統(tǒng)3部分構成。其主要是以單片機為核心，配以一定的外圍電路，實現(xiàn)特定的檢測功能的應用系統(tǒng)。

3.1 光信號發(fā)生電路設計

通過激光管發(fā)出束狀光線照射在光纖上，再由光纖傳導裝置把光信號引出，傳輸至光電轉換裝置。其原理如圖2所示。

當激光管和光纖之間有彈丸經過時，彈丸會擋住激光管發(fā)出的光束，使光電轉換裝置處光信號發(fā)生中斷，引起電信號的改變。若將兩套此裝置平行放置在炮口位置，彈丸經過時使兩套裝置處光信號依次發(fā)生跳變，引起電信號的改變，單片機依據此信號的改變而計算出平均速度。

3.1.1 光信號發(fā)生系統(tǒng)的硬件組成

為了保證光信號很好地傳輸至光纖，須采用發(fā)散度小、穿透力強的束狀光線或激光照在光纖一端，通過光纖把光信號引到光電轉換裝置?？紤]到電磁炮的強電磁干擾，將3 V干電池供電系統(tǒng)與電磁發(fā)射系統(tǒng)隔離，使激光管正常發(fā)光。這里采用了西安華科光電有限公司生產的D1650型激光管，其工作波長為650 nm，光束發(fā)散度為0.1～0.5 mrad，功率5 mW，穩(wěn)定性好，使用壽命大于5000 h，能滿足系統(tǒng)需要。

光纖可以讓光信號傳輸至預定位置，在傳輸過程中損耗小，且不易受外界條件的干擾。在選擇光纖的材料時，需要注意的一個問題是所采用的光纖傳播的波長范圍必須適合所采用激光管發(fā)出的光波長。這里我們采用普通塑料光纖。塑料光纖靈活柔韌，適用溫度范圍較大，并不易斷裂，可承受較大的應力載荷、撓曲與振動等，并且可以傳輸可見光與近紅外光，適合應用在本通信網絡中，也是最經濟的解決方案。

3.1.2 光電轉換系統(tǒng)的設計與選擇

光電轉換電路的目的是將光纖傳輸的光信號的變化轉換為電信號的變化，并對電信號進行放大、整形，使其成為適合于單片機工作環(huán)境的TTL電平，用來給單片機跳變信號。采用的光敏二極管主要是通過感應光纖光信號變化，自身導通或截止引起電路變化，這里采用2DUB型光敏二極管，其光譜范圍為0.4～1.1μm，響應時間短，足夠系統(tǒng)響應需要。其原理如圖3所示。

3.2 單片機計算系統(tǒng)電路設計

單片機計算系統(tǒng)是指以單片機為核心，配以一定的外圍電路，能實現(xiàn)特定的檢測和控制功能的應用系統(tǒng)。根據本系統(tǒng)的需求，采用ATMEL公司的AT89C518位單片機。采用內部時鐘，選用12 MHz的晶振，并采用了上電復位的方式。

3.2.1 單片機計算系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)是根據兩個輸入信號1、2輸入的時間差和兩光信號觸發(fā)點的距離，來計算平均速度的。鑒于本系統(tǒng)中單片機的實現(xiàn)任務，主要運用定時器TO，采用方式1進行工作，測出兩觸發(fā)信號的時間差。速度計算過程和數據輸出過程由程序控制。

3.2.2 單片機接口設計及分析

信號1接P1.0，信號2接INT0。在單片機計算系統(tǒng)中我們選用GATE--門控位：GATE=1時，由外部中斷引腳INT0和TR0來啟動定時器。GATE=0時，僅由TR0置位來啟動T0。

定時器/計數器工作方式1:TMON中的M1=O，M0=1，選定方式1工作。

PO口負載驅動能力強，能驅動8個TTL負載做段選。選用P1.1，P1.2，P1.3，P1.4，P1.5，P1.6分別連接6個共陽極LED數碼管的位選管腳。

3.3 LED顯示電路連接設計

鑒于目前的炮口速度，采用6位數碼管已滿足要求。這里我們采用動態(tài)顯示方式，數碼管選用共陽極。動態(tài)顯示簡化了硬件電路，即通常將所有位的段選線并聯(lián)在一起，形成段選線的多路復用。而各位的共陽極分別由相應的I/O口控制，實現(xiàn)各位的分時選通。采用S8050驅動，其過程如圖4所示。

4 光纖單片機測速電路工作分析

在測速過程中，當彈丸運動到第一個激光管與光纖之間時，光線被彈丸遮住。光敏二極管由于光信號輸入截止的情況下且輸出高電平，信號經放大整形接在單片機P1.0接口。此時，單片機開始計時。同理，當彈丸運動到第二個激光管與光纖之間時，單片機INT0口處變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C停止計時，從而測出彈丸經過兩光纖(10.2 cm)所需的時間。然后根據程序計算出彈丸的運動速度，再由P0口輸出到數碼管進行顯示。

5 光纖單片機測速系統(tǒng)軟件設計

5.1 主程序設計

首先確定檢測速度值的范圍，兩個傳感器距離為l0.2 cm。所測彈丸的初速在0.00～2 000.00 m/s之間。計數器/定時器基本定時時間為1μs。本系統(tǒng)中計數器/定時器采用方式1工作。主程序流程圖如圖5所示。

5.2 速度計算除法子程序

把計數器所計的數值當作除數存于50H，51H，把被除數(10.2 cm)轉換為二進制碼分別存于57H，56H，55H，54H中。若將被除數記為R5R4R3R2。相應除法步驟如下：

(1)判斷除數是否為零，若為零，則轉出錯處理程序ERR執(zhí)行。

(2)若除數不為零，則判斷商是否大于雙字節(jié)，即R5R4是否大于R1R0，若大于，則商大于雙字節(jié)，使F0=1并結束除法運算。

(3)若R5R4小于R1R0，則采用重復比較法求商。由于是十六位除法，故比較法求商時比較次數16送B寄存器，以控制除法的循環(huán)次數。

(4)使32位被除數R5R4R3R2左移1位，即擴大2倍，R2最低位空出。

(5)使被除數高16位減去除數。若夠減，則在R2最低位上商"1"；若不夠減，則R2最低位上商"0"。

(6)判斷除法是否完成(B=0)，若未完成，則重復執(zhí)行第(4)步；若已完成，則令F0=0，然后結束除法運算。

重復減法法則的除法程序流程如圖6所示。

5.3 速度千、百、十、個位數字分離程序

計算所得的商存放在57H，56H寄存器。此程序的作用是將雙字節(jié)二進制商轉換為6位BCD碼，所得BCD碼存于R4R5R6，本電路顯示彈丸炮口初速的千、百、十、個、十分位、百分位數字的BCD碼，分別儲存在58H，59H，5AH，5BH，5CH，5DH寄存器中。

6 結 語

電磁發(fā)射技術是近年來新興起的一種推進技術，是發(fā)射理論和技術領域的一次飛躍。他為解決人們對超高速、大質量發(fā)射的要求開辟了一條新的途徑。我們研究電磁發(fā)射炮口測速，從基本的測速原理開始，系統(tǒng)地分析了測速方法并設計了光纖單片機測速系統(tǒng)。鑒于當前應用中的各種測速方法的原理和其使用上存在的局限性，結合電磁線圈炮炮口測速強電磁場、高初速的特點，提出了綜合光纖、單片機優(yōu)點的光纖單片機測速系統(tǒng)。根據測速的要求，通過測速模型的建立，具體設計了實驗電路以及軟件的編寫，實現(xiàn)了電磁線圈炮炮口測速的可行性。此裝置目前應用于實驗室，效果達到了要求。