火箭橇测速电子测时仪的设计与应用

钱礼华，孙 帅，申晓敏，刘保炜

(中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200)

电子测时仪(以下简称测时仪)是靶场中非常重要的时间测试装置，主要应用于区截装置(天幕靶、线圈靶、断靶等)的时间测试，具有微秒级时间分辨率、体积小、可靠性高、使用方便等优点。

目前，测时仪在某试验基地的火箭橇速度测试和弹丸网靶速度测试中应用最多。火箭橇试验滑轨是当代一种高精度、高速度的大型地面动态模拟试验设施。火箭橇最大速度可达音速和超音速;能够承担航空航天各项试验以及及其他高科技工业领域的科学技术试验。在火箭橇断靶测试中，电子测时仪根据区截测速原理，在火箭橇轨道上两点绑上信号线，通过橇体运行时撞断信号线，测量橇体经过两点时间，进而获取橇体运行速度。但测时仪在火箭橇加电网处、安装大发动机时，以及在网靶速度测试时，常出现计异常情况如“000000”和“000001”，无法获得正确的试验数据。因此本文对实际测时环境进行了分析，研制了抗强电磁干扰的测时仪。

1 计数异常时测试环境分析

1.1 加电网前速度测试

在火箭橇通过加电网时，橇体的金属割刀和铜加电网接触产生大量“火花”，继而产生的电磁信号会通过绑在轨旁的信号线进入测时仪。此时测时仪虽然已经完成计时，但强电磁信号首先使其进行复位并再次开始计数，由于电磁信号周期短从而使测时仪显示“000001”或“000000”。测试环境示意图如图1 所示。

图1 测试环境示意图

1.2 多火箭发动机工作

在某些2 Ma 以上火箭橇试验中，橇体上需要安装4 枚以上发动机，此时在火箭橇滑轨正上方就安装有发动机。火箭橇运行时，发动机喷出的火焰就覆盖在轨轨道上方。当火箭橇通过速度测试点时，火焰产生的电磁信号就会通过断靶信号线进入测时仪，此时测时仪虽然已经完成计时，但强电磁信号使其进行复位并再次开始计数，从而在测时仪显示“000000”或“000001”。

1.3 滑靴产生的“火花”

通过高速摄影等设备可看到火箭橇在滑轨上高速运行时，滑靴和轨面摩擦处产生大量连续的“火花”。由于断靶线靠滑靴切断才触发测时仪开始工作，滑靴摩擦产生的火花引起的强电磁干扰，严重影响着测时仪运行的稳定性;而且火箭橇速度越高，对设备影响越大;因此当火箭橇速度达到800 m/s 以上时，经常发生测时仪计数异常情况。

1.4 靶网速度测试

在弹丸速度测试中也常利用靶网进行，通常将一根很细的镀银铜丝往复缠绕在绝缘靶架上(其架设见图2 所示)制作靶网。弹丸穿通过靶网时将镀银铜丝撞断，通过信号调理电路产生启动信号。

图2 靶网示意图

在弹丸速度较高并且铜丝表面未作涂漆处理时，弹丸接触靶网时首先撞断镀银铜丝，继而通过靶网时会多次触碰镀银铜丝，因为弹丸的金属特性使靶网碰断处又多次接通，因而会产生多个连续的启动信号，此时测时仪也可能会出现计小数情况。

平衡炮口靶网速度测试时由于发射的弹丸直径达到250 mm，发射时启动信号的靶网由于场地条件，只能架设在炮口火焰覆盖区域，测试时测时仪也常会出现计小数情况。

1.5 环境分析结论

通过在对以上多次测试异常情况进行分析，发现目前应用的电子测时仪在设计时未考虑断靶端口强电磁环境和信号连续多次触发的测试环境。因此在本次设计中对以上两点缺陷进行重点考虑。

2 电子测时仪设计

2.1 测时仪主要技术指标

通道数:2 路，时间分辨率:1 μs，计时范围:1 ～9999999 μs，工作时间:不小于4 h，供电方式:交流220 V 和直流12 V，抗电磁干扰:2 000 V。

2.2 总体设计

电子测时仪主要由断靶信号隔离部分、电源、显示及计时部分组成。电子测时仪信号连接关系如图3 所示。断靶1、断靶2 通过隔离电源输入信号，信号经过调理和整形，触发CPLD 进行时间测试，通过AVR 显示部分将数据输出。

图3 系统连接示意图

2.3 抗强电磁干扰设计

2.3.1 断靶电源隔离和信号隔离设计

电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果，使设备符合电磁兼容性的要求。

电路隔离主要有:模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有:变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、A/D 转换器隔离法等。

光电耦合器件把发光器件和光敏器件组装在一起，以光为媒介，实现输入和输出之间的电气隔离。光电耦合是一种简单有效的隔离技术，关键技术在于破坏了“地”干扰的传播途径，切断了干扰信号进入后续电路的途径，有效地抑制了尖脉冲和各种噪声干扰。

TLP521 -2 光电耦合器是由两个单独的光电耦合器组成。一般来讲，光电耦合器由一个发光二极管和一个光敏器件构成。发光二极管的发光亮度L 与电流成正比，当电流增大到引起结温升高时，发光二极管呈饱和状态，不再在线性工作区。光电二极管的光电流与光照度的关系可用IL∝Eu表述。其中，E 为光照度，u =1 ±0.05，因此，光电流基本上随照度而线性增大。但一般硅光电二极管的光电流是几十微安，对于光敏三极管，由于其放大系数与集电极电流大小有关，小电流时，放大系数小，所以光敏三极管在低照度时灵敏度低，而在照度高时，光电流又呈饱和趋势，达不到线性效果。

因为不同的光电耦合器有不同的工作线性区，所以，在试验过程中，应该首先找到光电耦合器的线性区。光电耦合器TLP521 -2 的电流线性区大约为1 ～10 mA。光电耦合器的偏置输入电路可以决定输入它的电流的范围，偏置电路设计的好，可以使得输入电流在很大范围内变化时，光电耦合器依然工作在线性区。

本电路设计采用光耦隔离电路，使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，同时使隔离两端分别采用不同的接地点。因此断靶1 和断靶2 分别需要独立的隔离电源，设计时采用了2 只DC-DC 电源模块，如图4 中DC1 和DC2 分别产生了5V1 和5V2 两路隔离电源。

如图4 所示，实际测试中通过断靶线将J1 中1 端和2 端接通时，T1 的8 端(内部NPN 三极管的集电极端)输出低电平，当火箭橇滑靴将断靶线碰断后，TLP521(T1)的8 端输出高电平，这样就将断靶(通断信号)转换为上升沿信号。同理J1 中3 端和4 端的通断也可在TLP521(T1)的6 端输出上升沿信号。

2.3.2 信号整形电路设计

在图4 中TLP521(T1)的6 端和8 端输出的单次上升沿信号只是在理想情况下存在，实际火箭橇及网靶试验中断靶端可能产生在多次触发信号，因此该信号需要经单稳态触发器对该上升沿信号进行整形，设计中采用74LS123 进行。如图5 所示，利用R7、C1设计的定时电路，其时间常数R7×C1，为10 ms，有效的避免了多次触发信号的产生。

2.4 计数电路设计

本次设计中计时分辨率为1 μs，计数值为9999999，因此设计24 位计数器能满足实际需要，利用MAXplusⅡ设计的计数器如图6 所示。

从图6 中可看到，经单稳态调理后的启动和停止两路信号，经过D 触发器后再进入计数器。启动信号输入时利用D触发器进行信号锁存，D 触发器即打开与门使时钟脉冲进入计数器开始计数。当停止信号通过另一D 触发器锁存后输出高电平，该高电平信号再经一反相器后输出低电平来关闭计数器，完成计数工作。

2.5 显示电路设计

电子测时仪主要应用于户外，显示的清晰度和亮度尤为重要。本次设计中采用8 位LED 数码管进行显示。由于计数器输出的是24 位数字量，采用具有数字量接口的AVR 单片机读取数据就较为方便，24 位计数值需要单片机3 次读取才能完成。利用AVR 单片机设计的8 位数字显示电路如图7 所示。

图4 断靶及隔离电路

图5 单稳态电路

图6 24 位计数器原理

图7 AVR 单片机显示原理

3 实验室检测

电子测时仪在实验室中主要进行断靶输出、隔离功能、单稳态触发、显示功能和计时精度检测。

3.1 功能检测

3.1.1 断靶及隔离电路检测

如图4 中，将J1 中1 端和2 端通过一导线接通时，利用数字万用表检测T1 的8 端电压，其应为低电平(0.3 V 以下)，将该导线断开时，T1 的8 端输出可测到为高电平(4.5 V 以上);同理将J1 中3 端和4 端的从通到断，在TLP521(T1)的6 端可测试到从低电平到高电平。以上两点均达到时说明断靶信号能通过光电耦合电路可靠传输。

3.1.2 单稳态触发器检测

将J1 中1 端和2 端通过一导线先接通并断开时，利用数据采集系统检测如图5 中74LS123 的13 端，其输出一段时间高电平。同理将J1 中3 端和4 端通过一导线先接通并断开时，74LS123 的5 端输出信号波形也输出一段时间高电平。高电平持续时间为R7×C1(时间常数)，约10 ms。

3.1.3 显示功能检测

AVR 单片机作为显示的核心控制器件，负责读取数据、控制及驱动8 位LED 数码管。检测时，首先将显示电路板单独进行检测，利用数据采集系统检测显示切换的两位端口，判断其是否按照预设逻辑状态输出;因为数据端悬空，同时可看到显示值为重复的3 段值。

3.2 精度检测

电子测时仪计时分辨率为1 μs，计数值为99999999。其精度检测时需要一台能提供较高精度的信号源，通过电子测时仪和数据采集系统同时记录信号输出的值，既可对两者计数值进行比较分析。

4 实际应用

通过在多次火箭橇试验，将该抗强电磁干扰的测时仪和DT-3 型电子测时仪进行实测对比，对其测时精度和可靠性均能满足实际测试需求。实际使用情况如表1 所示。

表1 实际使用效果

5 结束语

抗强电磁干扰的测时仪在实际测试中进行了初步的应用，其在火箭橇加电网处的测试可靠性得到极大提高，下一步可通过在网靶和平衡炮实际测试中进行可靠性验证。

［1］王芳.CPLD/FPGA 技术应用［M］.北京:电子工业出版社，2011.

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