激光发射接收装置控制系统设计

尤 栋，王 喆，张 敏，王晋安

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

激光发射接收装置是某火炮系统的一个重要组成部分，该装置与光学系统共同作用，可以完成对海上目标、陆上目标及低空飞行目标的测距。

激光发射接收装置安装于露天平台上，工作现场和工作环境恶劣。原控制系统由分立电子元器件组成，线路复杂，故障率高，故障定位困难，严重影响了装置的正常使用。基于此，笔者通过借鉴和吸收原控制系统的设计思想，设计了一种新型的控制系统，采用控制电路与PC/104总线工控机[1-3]相结合，实现对激光发射接收装置的控制和与火炮系统的信号匹配。其功能与原系统保持一致，但线路简单，可靠性高，性能指标不低于原系统。

1 组成及控制原理

1.1 组成及功能

激光发射接收装置控制系统由激光电源模块、环境保护盖控制电路、控制装置和主箱体等组成，其中控制装置包括PC/104总线工控机和OCL互补功率放大电路。如图1所示。

1.2 控制原理

激光发射接收装置控制系统的控制原理框图如图2所示。

主要完成以下控制功能：

1)工控机的初始化及自检。激光发射接收装置启动后，完成系统自检，经由串口1发送自检信息给主炮系统。

2)环境保护盖打开。自检完成后，通过操控面板发送“开盖”信号给环境保护盖控制电路，环境保护盖打开；开盖置位后，激光电源模块工作，启动激光器。

3)激光器触发。激光器启动后，工控机通过I/O口输出TTL脉冲触发信号，用以触发激光器；测距完成后，激光器将距离信息经串口2传送给工控机；当进行连续测距时，激光器以2 Hz进行触发。

4)码型转换及数据传输。根据激光测距通讯协议，工控机将十六进制距离信息转换成双阶双极性不归零码；根据主炮系统通讯协议，工控机将包含距离信息的20位双阶双极性不归零码由串口1输出，经OCL互补功率放大电路，发送给主炮系统。

5)自保护功能。 发出“开盖”信号3.5 s后，工控机如未读到“开盖置位”信号，则断开环境保护盖控制电路电源；激光器启动90 s后，如未收到“激光触发”信号，激光器电源自动断电，关闭环境保护盖。

2 控制系统的设计

激光发射接收装置控制系统采用时序控制方式，由软件和硬件两部分共同配合完成。其中软件部分通过PC/104总线工控机来实现，CPU板为LX-3160，信号调理板为OEM-XA-001，系统为DOS 7.1，编程环境为BC31；硬件部分由工控机(含CPU板与信号调理板)、环境保护盖控制电路和OCL互补功率放大电路三部分组成。

2.1 控制系统工作流程图

激光发射接收装置控制系统工作流程如图3所示。结合图3，对控制系统的工作流程进行具体分析：

1)控制系统加电后，首先进行计时器、I/O口等的初始化设置。

2)初始化完成后，系统自检，发出距离信息为1 500的20位双阶双极性不归零自检码。

3)自检通过后，主程序以10 ms的周期反复读I/O口，直到读到“开盖”指令。

4)工控机给出“开盖”指令后，环境保护盖打开，同时开始计时，如3.5 s内，读到“开盖置位”信号，则发送“激光电源控制”指令到激光电源模块，启动激光器；如3.5 s内未读到“开盖置位”信号，则关闭环境保护盖，退出程序。

5)激光器启动后，处于待机状态，如90 s内读到“激光触发”信号，激光器进行触发测距，激光器将测得的十六进制距离信息经串口2发送给工控机，经解算，工控机将收到的距离信息转换为20位双阶双极性不归零码。如90 s内未读到“激光触发”信号，则断开激光电源模块，关闭环境保护盖，退出程序。

6)工控机经串口1发送20位双阶双极性不归零码至OCL互补功率放大电路；然后等待下一次“激光触发”，如90 s内读到该信号，执行激光触发，直到执行完第120次激光触发后，断开激光电源模块，关闭环境保护盖，退出程序。

2.2 双阶双极性不归零码转换

工控机与激光器之间采用RS422通讯协议，波特率为9 600 bit/s，激光器将距离信息发送给工控机。根据协议格式，工控机将十六进制距离信息解算为二进制码[4]，然后将二进制码转换为双阶双极性不归零码[5-6]。双阶双极性不归零码幅值为4～5 V、单脉冲宽度为2 μs，由正脉冲到负脉冲表示数字量“1”，由负脉冲到正脉冲表示数字量“0”，码型数字量表示如图4所示。

根据主炮系统通讯协议，激光发射接收装置发送给主炮系统的距离信息为20位双阶双极性不归零码，20位码定义如表1所示。

表1 20位双阶双极性不归零码

起始位用数字量“1”表示，状态标志位用数字量“0”表示，如果有溢出，则用数字量“1”表示，校验位为偶校验，即当距离信息中数字量“1”的个数为偶数，校验位用“0”表示，当数字量“1”的个数为奇数，校验位用“1”表示。

2.3 环境保护盖控制电路设计

环境保护盖控制电路由开盖电路、关盖电路、自保护电路三部分组成，其控制电路原理图如图5所示。

当环境保护盖处于初态时，行程开关S1常开触点闭合，行程开关S2常开触点断开，工控机输出开盖指令，三极管VT1的开关电路接通，继电器K1通电动作，电机顺时针方向旋转，环境保护盖打开，当行至水平位置时，行程开关S2动作，常开触点闭合，电机电源被切断，停止工作，与此同时输出开盖置位信号给工控机。

当工控机输出关盖指令，行程开关S1常闭触点给电机供电，电压的极性与开盖时极性相反，电机逆时针方向旋转，环境保护盖关闭，当到达初态位置时，行程开关S1动作，常开触点闭合，电机电源被切断，停止工作。

在开盖或关盖的过程中，如果发生堵转，电机瞬时电流增大，可控硅VS1导通，自保护电路接通，断开电机电源，避免电机因发生堵转而造成烧损。此外，在软件设计上也对电机加以保护，当开盖指令发出后，如果在3.5 s内工控机未收到开盖置位信号，控制系统将自动切断电机电源。

2.4 功率放大电路

在激光发射接收装置向火炮系统传送20位串行码时，由于传输距离较远，导致信息传输不可靠。基于此，在输出端增加功率放大电路。根据双阶双极性不归零码的特性，设计OCL互补功率放大电路[7]，如图6所示。

在输出端引入了信号隔离变压器T1，以消除系统干扰对输出的20位双阶双极性不归零码的影响，A1为±5 V双路输出DC/DC电源模块，单路输出电流为2 A。

当输入端电压Ui>0且逐渐增大时，V1管基极电流也随之增大，输出端RL得到正方向电流；当Ui<0且逐渐减小时，V2管基极电流也随之增大，输出端RL上得到负方向电流。综上，输入信号在正半周主要是V1管发射极驱动负载，而负半周期主要是V2管发射极驱动负载。

功率放大电路最大不失真输出电压的有效值为

(1)

最大输出功率为

(2)

平均输出功率为

(3)

转换效率为

(4)

3 试验

将激光发射接收装置与试验工装对接；通电后，控制系统进行自检，自检通过，向主炮系统发送值为1 500的20位双阶双极性不归零码自检信号，如图7所示。

从图7可见，20位双阶双极性不归零码的第1位起始位“1”，第2位到第13位距离信息“010111011100”，第14位到第18位状态标志位“00000”，第19位溢出位“0”，第20位偶校验位“1”。计算距离信息所表示的距离值：

0101： 22+20

1101： 23+22+20

1100： 23+22

自检距离值L0：

L0=(22+20)×162+(23+22+20)×16+(23+22)×160=1 500

将激光发射接收装置瞄准远处目标，实物目标标定为879 m，扳动“开盖”开关，环境保护盖打开；开盖置位后，输出开盖置位信号，工装上信号指示灯点亮，开盖正常；接通激光器电源控制信号，激光器工作，按下“激光触发”按钮，进行激光测距，通过示波器读取20位双节双极性不归零码，如图8所示。

计算20位双阶双极性不归零码，得到实测距离值L：

L=(21+20)×162+(22+21)×16+(23+22+21+20)×160=879

4 结束语

笔者在对原激光发射接收装置控制原理分析的基础上，设计了新型控制系统，给出了该系统的组成、工作原理、工作流程，具体分析了设计中的3个关键点，双阶双极性不归零码转换、环境保护盖控制电路的设计和功率放大电路的设计。通过试验，分析并得出了20位双阶双极性不归零码与实测距离之间的算法。经试验验证和设备实装工作，新型激光发射接收装置控制系统工作稳定、可靠。