复杂可编程器件和单片机在坐标测试中的应用

徐 健,赵冬娥,邓 均,黄 智

(中北大学电子测试技术国防重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

弹丸的弹着点坐标测量是武器系统中不可缺少的一项重要指标,也是各种武器研制、试验和验收必须测试的重要参数[1]。弹丸射击精度同时也是部队训练、考核的一项重要措施。能否精确地测量出武器系统的射击精度,将对提高武器系统的研制水平和部队战斗力有着极其重要的意义[2-3]。

目前国内外测坐标方法很多,光电测坐标法以其测试精度高、可靠性好、成本低廉等优点常成为众多测坐标方案的首选[4],但传统的光电测坐标系统在坐标采集和处理方面也有不足之处。文献[5]是目前国内应用的比较先进的测坐标系统,但是没有具体提到信号采集和处理的方法。文献[6]实现了示靶、检靶、自动报靶的一体化,但在信号的处理方面有些不足。首先由于传统的微控制器I/O口不足,使其不得不使用串联编码器的方法来扩展管脚,这样会使系统整个运行速度下降,且不能保证时序,无法准确探测高速运动物体的坐标,同时无法适应大靶面的需求。其次,由于传统微控制器的处理速度慢,使这种系统无法测试子弹连发的坐标[7]。

针对这些问题,本文将复杂可编程器件(CPLD)和51单片机相结合,用于激光光幕坐标靶测试,充分发挥CPLD I/O口众多、响应速度快和单片机控制方便的特点。

1 Altera CPLD和51单片机

文献[5]介绍了一种实弹射击精确自动报靶系统。在该系统中,发光二极管发射平行光束,光电二极管组成接收传感器阵列,共同组成光电靶。子弹穿过靶遮挡光束,X、Y轴对应的光电二极管输出脉冲信号,通过编码形成8位二进制地址码,利用单片机进行数据处理。为了解决I/O口不足的问题,文献[5]不得不采用13片74148芯片的8-3线编码器组合成100-8线编码器,这样做不仅连线繁杂而且无法适应大靶面的需求。而用CPLD和单片机相结合,就可以很好地解决这些问题。

Altera公司的MAX7000系列以Altera公司的第二代MAX结构为基础,以先进的CMOS工艺制造。基于 EEPROM的MAX7000系列可提供600～5000个可用的门电路、ISP、引脚间5 ns的延时以及高达175.4 MHz的计数速度。MAX7000系列器件主要有MAX7000、MAX7000E、和MAX7000S等系列产品[8]。综合考虑反应速度、I/O口等因素,选择MAX7000S作为坐标采集的一部分。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。

2 CPLD和单片机应用于弹丸坐标测试

2.1 控制和采集

激光光幕测坐标靶的控制和采集部分由单片机STC89C52和CPLD MAX7192S组成。控制部分的框图如图1所示,由于X轴和Y轴的采集系统相同,故只画出Y轴的系统框图。

图1 控制和采集框图Fig.1 Control and acquisition block diagram

激光光幕测坐标靶的原理与文献[6]相似,也是对X、Y轴的输出脉冲信号进行处理,在此不赘述。从图1中可以看出,输出脉冲信号经过施密特触发器,使输出的电压满足CPLD的电压要求。

2.2 CPLD和单片机的软件处理

软件的处理主要分为CPLD和单片机的软件处理,其中要用到的信号如表1所示。

表1 信号功能表Tab.1 Signal function table

CPLD主要负责信号的并行采集,由于I/O口丰富,可以并行采集80路数据,免去了串联编码芯片的繁杂。工作的流程图如图2所示。

单片机主要负责将CPLD传输来的数据转换成坐标数据,然后进行显示。工作流程图如图3所示。

图2 CPLD工作流程图Fig.2 CPLD workflow diagram

图3 单片机工作流程图Fig.3 MCU workflow diagram

3 理论证明及验证

3.1 理论证明

为了能使CPLD和单片机应用到弹丸坐标的测试中,首先应该满足的条件就是有足够快的反应速度。这里设定弹丸长度为3 cm,光幕宽度为 0.5 mm,弹丸通过光幕时,采集装置必须在这35 mm的路径之内对弹丸飞行坐标进行采集。设弹丸速度为1 000 m/s,则弹丸从遮挡光幕到飞出光幕的时间为35μs,设置CPLD的采集间隔为20 nm,这样在35 mm的路径中,CPLD已经对同一个弹丸的坐标值采集了1 750次,绝对满足弹丸坐标数据的采集。但如果将这1 750次的数据全部传输给单片机,不仅造成数据的拥塞,还会给单片机的处理造成麻烦,所以CPLD将这1 750次数据进行相或的运算,得出一组数据,这样不仅保证了准确度,而且需要传输的数据量也不大。

对于连发弹丸的测试,往往不能采用边采集边发送的方式,因为串口的传输速率最高为115 200 b/s,在测连发或者测试靶面大的情况下,数据无法及时地传输。所以,要在CPLD中先对数据进行存储,待射击完毕后,再将数据逐一读出。

对于51单片机,这里使用的是11.0592 MHz的晶振,每个机器周期为1μs左右,为了使单片机不拖延CPLD的运行速度,这里采用采集和处理相独立的方法,单片机的处理速度不会影响到FPGA的采集速度,因此不会影响系统性能。

此外,CPLD的还有I/O口众多的优点,弥补了其他处理器的采集端口不足的缺点,如果要求的测试靶面较大,可以采用CPLD拼接的方法,利用多个CPLD并行采集,系统的响应速度也不会降低。

3.2 仿真

CPLD工作仿真图如图4所示。CPLD初始化后,当ain不为0时,CPLD开始采集,当ain再次回到0时,into发出下降沿,单片机将cs拉低后,在4个dclk脉冲之后,将q信号读到单片机中。在整个系统中,CPLD独立完成数据的采集以及储存,这样做的好处是可以发挥CPLD I/O资源丰富、速度快的优点,在采集连发数据时,CPLD可以将数据先保存到其自带的RAM中,等待单片机完成后续任务。

图4 CPLD工作仿真图Fig.4 CPLD work simulation diagram

4 靶场坐标测试实验

为了测试CPLD和单片机应用在激光测坐标靶中的性能,进行了现场实弹射击实验,用某半自动步枪发射直径为7.62 mm的子弹,弹丸速度约为750 m/s,通过串口显示阻挡Y轴探测器的路数。Y轴测试长度为64路信号(可扩展),靶纸位置距光敏二极管阵列为2 m,光幕宽度约为5 mm,由于接收装置选用了直径为8 mm的光敏二极管阵列,所以本系统的精度为±4 mm,且子弹通过光幕最多遮挡两路信号。测试数据如表2所示。

表2 试验数据Tab.2 Experiment data

从实际测得的10发子弹的弹着点坐标数据中,可以看出:弹着点分布于整个有效靶区范围内,即在靶区的任何位置,CPLD和单片机都能够准确地显示坐标数据。

在试验数据中,发现有部分实验数据和比对数据出现偏差,分析原因是因为每次子弹通过坐标纸后,以相同直径的铁棒插进弹孔,然后查看光敏二极管阵列中哪几路被挡光,由于人为因素,插入弹孔的铁棒不一定能与地面保证平行,且不一定能准确反映子弹弹道,所以应该以显示数据为准。

实验没有对连发弹丸进行弹着点坐标的测试,因为在单发测试中已经表明,只要满足CPLD的反应速度,就可以准确地捕捉到弹丸的过靶信号。

5 结论

本文在对比文献[5]和[6]的基础上,将复杂可编程器件(CPLD)和单片机相结合,用于激光光幕坐标靶测试。经使用CPLD来代替众多编码器的串联,同时利用单片机控制的灵活性对采集数据进行处理。

理论和实践都表明:由CPLD和单片机组成的数据处理、采集装置应用在激光光幕测坐标系统中,不仅继承了光电靶的众多优点,满足不同尺寸弹丸飞行坐标的测试,还解决了传统激光光幕测坐标靶的处理器I/O紧缺、处理速度慢等缺点,可实现靶场对于弹丸坐标采集所要求的响应速度快、可测连发的要求,同时CPLD和单片机可应用在大靶面的坐标测试中,同时保证较高的测试精度和较小的误差。

此外,它不仅能测试弹丸的弹着点坐标,还可以测试高速物体的飞行轨迹以及速度,应用前景比较广阔,在军事、反恐、安检、商业等方面都可以得到很好的应用。

[1]王昌明.实用弹道学[M].北京:国防工业出版社,1994.

[2]赵玉姝,赵冬娥,赵辉.一种新型激光测速系统的设计与应用[J].弹箭与制导学报,2008,28(4):285-287.ZHAO Yushu,ZHAO Dong'e,ZHAO Hui.A novel system of laser screens for velocity measurement based on MCU[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2008,28(4):285-287.

[3]黄智,赵冬娥.虚拟仪器和PCI总线在光测弹速中的应用[J].探测与控制学报,2010,32(1):68-71.HUANG Zhi,ZHAO Dong'e.Application of virtual instrument and PCIbus to optical measurement of projectilevelocity[J].Journal of Detection&Control,2010,32(1):68-71.

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[5]王连海,杨慧武.组合平行激光光幕靶:中国,200420007418.7[P]2004-03-17.

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