基于光纖傳輸?shù)碾姶啪€圈炮炮口測(cè)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(cè)量初速的值，是衡量?jī)?nèi)彈道理論的正確性和計(jì)算方法準(zhǔn)確性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而對(duì)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(jì)算火炮射表的原始數(shù)據(jù)之一。通常炮口初速的測(cè)量，可以通過傳統(tǒng)的測(cè)速方法得到。傳統(tǒng)測(cè)速方法從原理上可分為測(cè)瞬時(shí)速度法(如彈頭激波測(cè)速法)和測(cè)平均速度法(如通斷靶，線圈靶和光幕靶等測(cè)速法)兩類。

近年來，伴隨著電磁線圈炮的發(fā)展，其炮口測(cè)速已引起了人們的關(guān)注。電磁發(fā)射領(lǐng)域是一個(gè)全新的武器系統(tǒng)，他在發(fā)射機(jī)理、工作環(huán)境以及工作特點(diǎn)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(shí)電磁炮的強(qiáng)電磁環(huán)境、超高的彈丸初速等特點(diǎn)，勢(shì)必造成傳統(tǒng)的測(cè)速方法靈敏度降低，易受外界電磁場(chǎng)的干擾等現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)際不符。因此，尋求一種全新的測(cè)速方法已迫在眉睫。

基于這個(gè)目的，我們?cè)O(shè)計(jì)了光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)來解決電磁線圈炮的測(cè)速難題。光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，比較適合電磁線圈炮高初速?gòu)椡杷俣鹊臏y(cè)量，且光信號(hào)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(hào)損耗較小，能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/信號(hào)">信號(hào)引離強(qiáng)電磁環(huán)境，使信號(hào)處理系統(tǒng)避免強(qiáng)電磁的干擾，提高測(cè)量的精度。

2 光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的組成

本文所研究的光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)由光信號(hào)發(fā)生電路、光信號(hào)的導(dǎo)出、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)計(jì)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(jī)測(cè)速系統(tǒng)相對(duì)來說結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用方便，更重要的是他能夠避免電磁線圈炮強(qiáng)電磁環(huán)境的干擾，靈敏度高、測(cè)速精確，能夠滿足電磁線圈炮的測(cè)速要求。

3 硬件設(shè)計(jì)

光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)和速度顯示系統(tǒng)3部分構(gòu)成。其主要是以單片機(jī)為核心，配以一定的外圍電路，實(shí)現(xiàn)特定的檢測(cè)功能的應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1 光信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

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

當(dāng)激光管和光纖之間有彈丸經(jīng)過時(shí)，彈丸會(huì)擋住激光管發(fā)出的光束，使光電轉(zhuǎn)換裝置處光信號(hào)發(fā)生中斷，引起電信號(hào)的改變。若將兩套此裝置平行放置在炮口位置，彈丸經(jīng)過時(shí)使兩套裝置處光信號(hào)依次發(fā)生跳變，引起電信號(hào)的改變，單片機(jī)依據(jù)此信號(hào)的改變而計(jì)算出平均速度。

3.1.1 光信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的硬件組成

為了保證光信號(hào)很好地傳輸至光纖，須采用發(fā)散度小、穿透力強(qiáng)的束狀光線或激光照在光纖一端，通過光纖把光信號(hào)引到光電轉(zhuǎn)換裝置?？紤]到電磁炮的強(qiáng)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(chǎn)的D1650型激光管，其工作波長(zhǎng)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(hào)傳輸至預(yù)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(shí)，需要注意的一個(gè)問題是所采用的光纖傳播的波長(zhǎng)范圍必須適合所采用激光管發(fā)出的光波長(zhǎng)。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(yīng)力載荷、撓曲與振動(dòng)等，并且可以傳輸可見光與近紅外光，適合應(yīng)用在本通信網(wǎng)絡(luò)中，也是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

3.1.2 光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選擇

光電轉(zhuǎn)換電路的目的是將光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形，使其成為適合于單片機(jī)工作環(huán)境的TTL電平，用來給單片機(jī)跳變信號(hào)。采用的光敏二極管主要是通過感應(yīng)光纖光信號(hào)變化，自身導(dǎo)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(yīng)時(shí)間短，足夠系統(tǒng)響應(yīng)需要。其原理如圖3所示。

3.2 單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)是指以單片機(jī)為核心，配以一定的外圍電路，能實(shí)現(xiàn)特定的檢測(cè)和控制功能的應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)本系統(tǒng)的需求，采用ATMEL公司的AT89C518位單片機(jī)。采用內(nèi)部時(shí)鐘，選用12 MHz的晶振，并采用了上電復(fù)位的方式。

3.2.1 單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)是根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)1、2輸入的時(shí)間差和兩光信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)的距離，來計(jì)算平均速度的。鑒于本系統(tǒng)中單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)任務(wù)，主要運(yùn)用定時(shí)器TO，采用方式1進(jìn)行工作，測(cè)出兩觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間差。速度計(jì)算過程和數(shù)據(jù)輸出過程由程序控制。

3.2.2 單片機(jī)接口設(shè)計(jì)及分析

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

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式1:TMON中的M1=O，M0=1，選定方式1工作。

PO口負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載做段選。選用P1.1，P1.2，P1.3，P1.4，P1.5，P1.6分別連接6個(gè)共陽極LED數(shù)碼管的位選管腳。

3.3 LED顯示電路連接設(shè)計(jì)

鑒于目前的炮口速度，采用6位數(shù)碼管已滿足要求。這里我們采用動(dòng)態(tài)顯示方式，數(shù)碼管選用共陽極。動(dòng)態(tài)顯示簡(jiǎn)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(fù)用。而各位的共陽極分別由相應(yīng)的I/O口控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。采用S8050驅(qū)動(dòng)，其過程如圖4所示。

4 光纖單片機(jī)測(cè)速電路工作分析

在測(cè)速過程中，當(dāng)彈丸運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)激光管與光纖之間時(shí)，光線被彈丸遮住。光敏二極管由于光信號(hào)輸入截止的情況下且輸出高電平，信號(hào)經(jīng)放大整形接在單片機(jī)P1.0接口。此時(shí)，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)。同理，當(dāng)彈丸運(yùn)動(dòng)到第二個(gè)激光管與光纖之間時(shí)，單片機(jī)INT0口處變?yōu)楦唠娖?，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，從而測(cè)出彈丸經(jīng)過兩光纖(10.2 cm)所需的時(shí)間。然后根據(jù)程序計(jì)算出彈丸的運(yùn)動(dòng)速度，再由P0口輸出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

5 光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 主程序設(shè)計(jì)

首先確定檢測(cè)速度值的范圍，兩個(gè)傳感器距離為l0.2 cm。所測(cè)彈丸的初速在0.00～2 000.00 m/s之間。計(jì)數(shù)器/定時(shí)器基本定時(shí)時(shí)間為1μs。本系統(tǒng)中計(jì)數(shù)器/定時(shí)器采用方式1工作。主程序流程圖如圖5所示。

5.2 速度計(jì)算除法子程序

把計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)值當(dāng)作除數(shù)存于50H，51H，把被除數(shù)(10.2 cm)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼分別存于57H，56H，55H，54H中。若將被除數(shù)記為R5R4R3R2。相應(yīng)除法步驟如下：

(1)判斷除數(shù)是否為零，若為零，則轉(zhuǎn)出錯(cuò)處理程序ERR執(zhí)行。

(2)若除數(shù)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(jié)束除法運(yùn)算。

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

(4)使32位被除數(shù)R5R4R3R2左移1位，即擴(kuò)大2倍，R2最低位空出。

(5)使被除數(shù)高16位減去除數(shù)。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(fù)執(zhí)行第(4)步；若已完成，則令F0=0，然后結(jié)束除法運(yùn)算。

重復(fù)減法法則的除法程序流程如圖6所示。

5.3 速度千、百、十、個(gè)位數(shù)字分離程序

計(jì)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(jìn)制商轉(zhuǎn)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(gè)、十分位、百分位數(shù)字的BCD碼，分別儲(chǔ)存在58H，59H，5AH，5BH，5CH，5DH寄存器中。

6 結(jié) 語

電磁發(fā)射技術(shù)是近年來新興起的一種推進(jìn)技術(shù)，是發(fā)射理論和技術(shù)領(lǐng)域的一次飛躍。他為解決人們對(duì)超高速、大質(zhì)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(cè)速，從基本的測(cè)速原理開始，系統(tǒng)地分析了測(cè)速方法并設(shè)計(jì)了光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)。鑒于當(dāng)前應(yīng)用中的各種測(cè)速方法的原理和其使用上存在的局限性，結(jié)合電磁線圈炮炮口測(cè)速?gòu)?qiáng)電磁場(chǎng)、高初速的特點(diǎn)，提出了綜合光纖、單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)的光纖單片機(jī)測(cè)速系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)速的要求，通過測(cè)速模型的建立，具體設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路以及軟件的編寫，實(shí)現(xiàn)了電磁線圈炮炮口測(cè)速的可行性。此裝置目前應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，效果達(dá)到了要求。