復(fù)雜可編程器件和單片機在坐標(biāo)測試中的應(yīng)用

徐 健,趙冬娥,鄧 均,黃 智

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防重點實驗室,儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西太原 030051)

0 引言

彈丸的彈著點坐標(biāo)測量是武器系統(tǒng)中不可缺少的一項重要指標(biāo),也是各種武器研制、試驗和驗收必須測試的重要參數(shù)[1]。彈丸射擊精度同時也是部隊訓(xùn)練、考核的一項重要措施。能否精確地測量出武器系統(tǒng)的射擊精度,將對提高武器系統(tǒng)的研制水平和部隊?wèi)?zhàn)斗力有著極其重要的意義[2-3]。

目前國內(nèi)外測坐標(biāo)方法很多,光電測坐標(biāo)法以其測試精度高、可靠性好、成本低廉等優(yōu)點常成為眾多測坐標(biāo)方案的首選[4],但傳統(tǒng)的光電測坐標(biāo)系統(tǒng)在坐標(biāo)采集和處理方面也有不足之處。文獻[5]是目前國內(nèi)應(yīng)用的比較先進的測坐標(biāo)系統(tǒng),但是沒有具體提到信號采集和處理的方法。文獻[6]實現(xiàn)了示靶、檢靶、自動報靶的一體化,但在信號的處理方面有些不足。首先由于傳統(tǒng)的微控制器I/O口不足,使其不得不使用串聯(lián)編碼器的方法來擴展管腳,這樣會使系統(tǒng)整個運行速度下降,且不能保證時序,無法準(zhǔn)確探測高速運動物體的坐標(biāo),同時無法適應(yīng)大靶面的需求。其次,由于傳統(tǒng)微控制器的處理速度慢,使這種系統(tǒng)無法測試子彈連發(fā)的坐標(biāo)[7]。

針對這些問題,本文將復(fù)雜可編程器件(CPLD)和51單片機相結(jié)合,用于激光光幕坐標(biāo)靶測試,充分發(fā)揮CPLD I/O口眾多、響應(yīng)速度快和單片機控制方便的特點。

1 Altera CPLD和51單片機

文獻[5]介紹了一種實彈射擊精確自動報靶系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,發(fā)光二極管發(fā)射平行光束,光電二極管組成接收傳感器陣列,共同組成光電靶。子彈穿過靶遮擋光束,X、Y軸對應(yīng)的光電二極管輸出脈沖信號,通過編碼形成8位二進制地址碼,利用單片機進行數(shù)據(jù)處理。為了解決I/O口不足的問題,文獻[5]不得不采用13片74148芯片的8-3線編碼器組合成100-8線編碼器,這樣做不僅連線繁雜而且無法適應(yīng)大靶面的需求。而用CPLD和單片機相結(jié)合,就可以很好地解決這些問題。

Altera公司的MAX7000系列以Altera公司的第二代MAX結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),以先進的CMOS工藝制造?；?EEPROM的MAX7000系列可提供600～5000個可用的門電路、ISP、引腳間5 ns的延時以及高達175.4 MHz的計數(shù)速度。MAX7000系列器件主要有MAX7000、MAX7000E、和MAX7000S等系列產(chǎn)品[8]。綜合考慮反應(yīng)速度、I/O口等因素,選擇MAX7000S作為坐標(biāo)采集的一部分。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在線系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。

2 CPLD和單片機應(yīng)用于彈丸坐標(biāo)測試

2.1 控制和采集

激光光幕測坐標(biāo)靶的控制和采集部分由單片機STC89C52和CPLD MAX7192S組成?？刂撇糠值目驁D如圖1所示,由于X軸和Y軸的采集系統(tǒng)相同,故只畫出Y軸的系統(tǒng)框圖。

圖1 控制和采集框圖Fig.1 Control and acquisition block diagram

激光光幕測坐標(biāo)靶的原理與文獻[6]相似,也是對X、Y軸的輸出脈沖信號進行處理,在此不贅述。從圖1中可以看出,輸出脈沖信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器,使輸出的電壓滿足CPLD的電壓要求。

2.2 CPLD和單片機的軟件處理

軟件的處理主要分為CPLD和單片機的軟件處理,其中要用到的信號如表1所示。

表1 信號功能表Tab.1 Signal function table

CPLD主要負責(zé)信號的并行采集,由于I/O口豐富,可以并行采集80路數(shù)據(jù),免去了串聯(lián)編碼芯片的繁雜。工作的流程圖如圖2所示。

單片機主要負責(zé)將CPLD傳輸來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)數(shù)據(jù),然后進行顯示。工作流程圖如圖3所示。

圖2 CPLD工作流程圖Fig.2 CPLD workflow diagram

圖3 單片機工作流程圖Fig.3 MCU workflow diagram

3 理論證明及驗證

3.1 理論證明

為了能使CPLD和單片機應(yīng)用到彈丸坐標(biāo)的測試中,首先應(yīng)該滿足的條件就是有足夠快的反應(yīng)速度。這里設(shè)定彈丸長度為3 cm,光幕寬度為 0.5 mm,彈丸通過光幕時,采集裝置必須在這35 mm的路徑之內(nèi)對彈丸飛行坐標(biāo)進行采集。設(shè)彈丸速度為1 000 m/s,則彈丸從遮擋光幕到飛出光幕的時間為35μs,設(shè)置CPLD的采集間隔為20 nm,這樣在35 mm的路徑中,CPLD已經(jīng)對同一個彈丸的坐標(biāo)值采集了1 750次,絕對滿足彈丸坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。但如果將這1 750次的數(shù)據(jù)全部傳輸給單片機,不僅造成數(shù)據(jù)的擁塞,還會給單片機的處理造成麻煩,所以CPLD將這1 750次數(shù)據(jù)進行相或的運算,得出一組數(shù)據(jù),這樣不僅保證了準(zhǔn)確度,而且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不大。

對于連發(fā)彈丸的測試,往往不能采用邊采集邊發(fā)送的方式,因為串口的傳輸速率最高為115 200 b/s,在測連發(fā)或者測試靶面大的情況下,數(shù)據(jù)無法及時地傳輸。所以,要在CPLD中先對數(shù)據(jù)進行存儲,待射擊完畢后,再將數(shù)據(jù)逐一讀出。

對于51單片機,這里使用的是11.0592 MHz的晶振,每個機器周期為1μs左右,為了使單片機不拖延CPLD的運行速度,這里采用采集和處理相獨立的方法,單片機的處理速度不會影響到FPGA的采集速度,因此不會影響系統(tǒng)性能。

此外,CPLD的還有I/O口眾多的優(yōu)點,彌補了其他處理器的采集端口不足的缺點,如果要求的測試靶面較大,可以采用CPLD拼接的方法,利用多個CPLD并行采集,系統(tǒng)的響應(yīng)速度也不會降低。

3.2 仿真

CPLD工作仿真圖如圖4所示。CPLD初始化后,當(dāng)ain不為0時,CPLD開始采集,當(dāng)ain再次回到0時,into發(fā)出下降沿,單片機將cs拉低后,在4個dclk脈沖之后,將q信號讀到單片機中。在整個系統(tǒng)中,CPLD獨立完成數(shù)據(jù)的采集以及儲存,這樣做的好處是可以發(fā)揮CPLD I/O資源豐富、速度快的優(yōu)點,在采集連發(fā)數(shù)據(jù)時,CPLD可以將數(shù)據(jù)先保存到其自帶的RAM中,等待單片機完成后續(xù)任務(wù)。

圖4 CPLD工作仿真圖Fig.4 CPLD work simulation diagram

4 靶場坐標(biāo)測試實驗

為了測試CPLD和單片機應(yīng)用在激光測坐標(biāo)靶中的性能,進行了現(xiàn)場實彈射擊實驗,用某半自動步槍發(fā)射直徑為7.62 mm的子彈,彈丸速度約為750 m/s,通過串口顯示阻擋Y軸探測器的路數(shù)。Y軸測試長度為64路信號(可擴展),靶紙位置距光敏二極管陣列為2 m,光幕寬度約為5 mm,由于接收裝置選用了直徑為8 mm的光敏二極管陣列,所以本系統(tǒng)的精度為±4 mm,且子彈通過光幕最多遮擋兩路信號。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experiment data

從實際測得的10發(fā)子彈的彈著點坐標(biāo)數(shù)據(jù)中,可以看出:彈著點分布于整個有效靶區(qū)范圍內(nèi),即在靶區(qū)的任何位置,CPLD和單片機都能夠準(zhǔn)確地顯示坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

在試驗數(shù)據(jù)中,發(fā)現(xiàn)有部分實驗數(shù)據(jù)和比對數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差,分析原因是因為每次子彈通過坐標(biāo)紙后,以相同直徑的鐵棒插進彈孔,然后查看光敏二極管陣列中哪幾路被擋光,由于人為因素,插入彈孔的鐵棒不一定能與地面保證平行,且不一定能準(zhǔn)確反映子彈彈道,所以應(yīng)該以顯示數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

實驗沒有對連發(fā)彈丸進行彈著點坐標(biāo)的測試,因為在單發(fā)測試中已經(jīng)表明,只要滿足CPLD的反應(yīng)速度,就可以準(zhǔn)確地捕捉到彈丸的過靶信號。

5 結(jié)論

本文在對比文獻[5]和[6]的基礎(chǔ)上,將復(fù)雜可編程器件(CPLD)和單片機相結(jié)合,用于激光光幕坐標(biāo)靶測試。經(jīng)使用CPLD來代替眾多編碼器的串聯(lián),同時利用單片機控制的靈活性對采集數(shù)據(jù)進行處理。

理論和實踐都表明:由CPLD和單片機組成的數(shù)據(jù)處理、采集裝置應(yīng)用在激光光幕測坐標(biāo)系統(tǒng)中,不僅繼承了光電靶的眾多優(yōu)點,滿足不同尺寸彈丸飛行坐標(biāo)的測試,還解決了傳統(tǒng)激光光幕測坐標(biāo)靶的處理器I/O緊缺、處理速度慢等缺點,可實現(xiàn)靶場對于彈丸坐標(biāo)采集所要求的響應(yīng)速度快、可測連發(fā)的要求,同時CPLD和單片機可應(yīng)用在大靶面的坐標(biāo)測試中,同時保證較高的測試精度和較小的誤差。

此外,它不僅能測試彈丸的彈著點坐標(biāo),還可以測試高速物體的飛行軌跡以及速度,應(yīng)用前景比較廣闊,在軍事、反恐、安檢、商業(yè)等方面都可以得到很好的應(yīng)用。

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