文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)09-0097-04
靶標(biāo)是一種在室內(nèi)檢測(cè)光電跟蹤測(cè)量設(shè)備的裝置,分為動(dòng)態(tài)靶標(biāo)和靜態(tài)靶標(biāo)。一般情況下,靜態(tài)靶標(biāo)用于檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度,動(dòng)態(tài)靶標(biāo)用于檢測(cè)設(shè)備的跟蹤性能。結(jié)合靶場(chǎng)試驗(yàn)和操作手訓(xùn)練任務(wù)需求,自行研制的數(shù)字動(dòng)態(tài)靶標(biāo)不僅可用于光電跟蹤測(cè)量設(shè)備的標(biāo)校和檢測(cè),還可用于操作手的實(shí)物訓(xùn)練。
數(shù)字動(dòng)態(tài)靶標(biāo)由靶標(biāo)架和靶標(biāo)控制器組成,靶標(biāo)架由靶標(biāo)支架、靶標(biāo)(平行光管、燈源、星點(diǎn)板、反射鏡)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(直流電機(jī)、測(cè)速電機(jī))組成;靶標(biāo)控制器用于控制靶標(biāo)按照預(yù)先設(shè)定的工作模式運(yùn)動(dòng)。靶標(biāo)光源穿過(guò)星點(diǎn)板經(jīng)平行光管后形成平行光,再經(jīng)平面鏡反射至經(jīng)緯儀鏡頭,產(chǎn)生光電跟蹤測(cè)量設(shè)備可成像的無(wú)窮遠(yuǎn)光斑,即模擬一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo),供光電跟蹤測(cè)量設(shè)備如光電經(jīng)緯儀、紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、電視跟蹤測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤和性能檢測(cè)。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
數(shù)字動(dòng)態(tài)靶標(biāo)控制器以單片機(jī)為核心,其硬件原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、燈源亮度控制電路、報(bào)警電路、顯示電路、時(shí)鐘電路以及各種接口電路等組成。
單片機(jī)除了要計(jì)算控制量、控制靶標(biāo)按設(shè)定模式轉(zhuǎn)動(dòng)外,還要掃描鍵盤、顯示系統(tǒng)狀態(tài)并與時(shí)統(tǒng)終端或者計(jì)算機(jī)通信。為了滿足設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)選擇了16位單片機(jī)80C196KB。相比于8位單片機(jī),80C196 KB具有更高的計(jì)算性能,同時(shí)又具有更豐富的軟硬件資源,例如A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器PWM和高速輸出器HSO等。驅(qū)動(dòng)裝置為大功率晶體管PWM功率放大器,執(zhí)行電機(jī)為直流力矩電機(jī)J130LYX02B,速度檢測(cè)元件采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)130CYDN02C。顯示屏采用寬溫型圖形液晶顯示模塊MGLS24064-21C,顯示窗口大,顯示內(nèi)容多。為了實(shí)現(xiàn)自定義工作模式,系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路(采用芯片DS12C887),可以預(yù)先設(shè)定不同模式的訓(xùn)練時(shí)間,從而可以模擬出具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特性的點(diǎn)目標(biāo)。系統(tǒng)還具有自檢功能,發(fā)現(xiàn)故障時(shí)由報(bào)警電路及時(shí)報(bào)警。為了進(jìn)一步完善動(dòng)態(tài)靶標(biāo)的功能,系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了RS-232和RS-485串行接口,用于與計(jì)算機(jī)或者B碼終端設(shè)備的通信。
1.1 驅(qū)動(dòng)電路
為了減少外圍電路、充分利用單片機(jī)資源,采用單片機(jī)內(nèi)部的脈寬調(diào)制器直接輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)(PWM),靶標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)(DIR)由單片機(jī)的I/O腳輸出。為了驅(qū)動(dòng)功率級(jí),首先應(yīng)對(duì)TTL電平的PWM信號(hào)和DIR信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,電路如圖2所示。
光電耦合器U1、U2用于消除地環(huán)路引起的共阻抗耦合干擾,實(shí)現(xiàn)不同電壓信號(hào)的隔離,抑制干擾傳遞。DIR信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合隔離后首先通過(guò)D觸發(fā)器U3,形成模擬開(kāi)關(guān)U4的兩路控制信號(hào)。PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合隔離后直接進(jìn)入U(xiǎn)4的數(shù)據(jù)輸入端,U4輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖后即形成H橋式驅(qū)動(dòng)電路(如圖3所示)的控制信號(hào)HL、LR、HR和LL。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)向?yàn)?amp;ldquo;正轉(zhuǎn)”時(shí),HL、LR信號(hào)有效,使管Q1、Q5和Q4、Q8導(dǎo)通,電流由電機(jī)的S2端流入S1端,電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)向?yàn)?amp;ldquo;反轉(zhuǎn)”時(shí),HR、LL信號(hào)有效,使管Q3、Q6和Q2、Q7導(dǎo)通,電流由電機(jī)的S1端流入S2端,電機(jī)反轉(zhuǎn)。
1.2 信號(hào)調(diào)理電路
直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種模擬測(cè)速裝置,可將軸轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為直流電壓輸出。由電磁理論可以推導(dǎo)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為:
式中:C為與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);Φ為磁通。
測(cè)速發(fā)電機(jī)工作時(shí)要接負(fù)載電阻,負(fù)載電阻R的端電壓U即為得到的輸出電壓,該端電壓等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減去在它的內(nèi)阻r(發(fā)電機(jī)繞組回路電阻)上的壓降,即:
構(gòu)成分壓器,R5和C9組成濾波環(huán)節(jié),U11、U12分別為同相和反相放大器,D1、D2、D3和D4起保護(hù)作用。調(diào)整W3的位置,使測(cè)速發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)ACH0或ACH1(分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))為+5 V,同時(shí)調(diào)整放大器參數(shù),以保證信號(hào)的線性。
1.3保護(hù)電路
為了防止電流過(guò)大燒毀電機(jī),設(shè)計(jì)了如圖5所示的保護(hù)電路,其中R22、R23和R24分壓形成比較電平,U6為比較器,U3為帶清零和置1端的D觸發(fā)器,A點(diǎn)、C點(diǎn)分別和圖2中的A點(diǎn)、C點(diǎn)相連,B點(diǎn)和圖3中的B點(diǎn)相連。在圖3中,R20為取樣電阻,流經(jīng)電機(jī)繞組的電流越大,則B點(diǎn)電壓(VB)越大。當(dāng)VB小于比較電平時(shí),U6輸出為高電平,則U5輸出為低電平,U3的12腳保持高電平,保護(hù)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電路不起作用;當(dāng)VB大于比較電平時(shí),U6輸出為低電平,經(jīng)U5倒相后對(duì)U3置1,U3的12腳變?yōu)榈碗娖?把圖2中的A點(diǎn)拉為低電平,則LL、LR同時(shí)變?yōu)楦唠娖?,即在圖3中同時(shí)關(guān)斷Q2、Q7和Q4、Q8,流經(jīng)電機(jī)繞組的電流變?yōu)榱?,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),起到保護(hù)電機(jī)的作用。
1.4 燈源亮度控制電路
為了模擬目標(biāo)動(dòng)態(tài)的明暗強(qiáng)弱變化,設(shè)計(jì)了燈源亮度控制電路,如圖6所示。利用單片機(jī)高速輸出器HSO來(lái)產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸出PWML,經(jīng)光電耦合器U7后控制場(chǎng)效應(yīng)管U8的導(dǎo)通時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈源亮度的控制。燈源亮度變化在經(jīng)緯儀成像時(shí)即表現(xiàn)為目標(biāo)的明暗強(qiáng)弱變化。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件除了要完成對(duì)硬件的初始化之外,還要完成對(duì)硬件電路的實(shí)時(shí)控制,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入輸出操作和數(shù)值的分析、處理。軟件采用MCS96匯編語(yǔ)言編寫(xiě),采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各個(gè)功能子模塊獨(dú)立,調(diào)試方便,并容易根據(jù)需要擴(kuò)展。軟件具有計(jì)時(shí)、鍵盤掃描處理、顯示、速度采樣、報(bào)警等功能,圖7為系統(tǒng)主程序示意圖。
2.1 PID控制器
PID控制器具有簡(jiǎn)單而固定的形式,在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性;同時(shí),因?yàn)镻ID控制器允許工程技術(shù)人員以一種簡(jiǎn)單而直接的方式來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng),從而使得PID控制成為工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種形式。離散的PID表達(dá)式如下:
由上式可以看出,如果單片機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T,一旦確定了KP、I、D,只要使用前后3次測(cè)量值的偏差,就可以由(6)式遞推求出控制量。
本系統(tǒng)中,為了消除積分飽和帶來(lái)的不利影響,采用了遇限削弱積分法。具體過(guò)程是:計(jì)算uk前,先判斷前一次的控制量uk-1是否超出了極限范圍,如果超出,則說(shuō)明已進(jìn)入飽和區(qū),這時(shí)再根據(jù)偏差的正負(fù),來(lái)判斷控制量是使系統(tǒng)加大超調(diào)還是減小超調(diào)。如果是減小超調(diào),則保留積分項(xiàng);否則取消積分項(xiàng),程序框圖如圖8所示。
2.2 PWM波形的生成
將PID控制器的輸出量變換成具有一定占空比的PWM控制電壓,即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在8096系統(tǒng)中,可以采用兩種方法來(lái)提供模擬量輸出:一種是通過(guò)HSO提供。另一種是通過(guò)內(nèi)部脈寬調(diào)制器提供,PWM控制電壓由第二種方法產(chǎn)生,程序如下:
LDB IOC1,#25H; //選擇P2.5腳作為PWM信號(hào)輸出;
LDB IOC2,#00H; //設(shè)置PWM重復(fù)周期為256個(gè)狀態(tài)周期(12MHz晶振時(shí)為42.75 μs);
LDB PWM_CONTROL,Uk; //將控制量Uk寫(xiě)入PWM寄存器即可輸出PWM控制電壓。
由上述分析可見(jiàn):通過(guò)設(shè)置靶標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度,可以生成不同運(yùn)動(dòng)模式的目標(biāo),包括勻速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)、勻減速運(yùn)動(dòng)和自定義等模式,用于訓(xùn)練操作手的目標(biāo)捕獲能力。通過(guò)調(diào)整靶標(biāo)光源亮度,可模擬目標(biāo)動(dòng)態(tài)的明暗強(qiáng)弱變換,在提高訓(xùn)練難度的基礎(chǔ)上還可訓(xùn)練設(shè)備操作人員的參數(shù)設(shè)置能力。同時(shí),結(jié)合特定試驗(yàn)條件設(shè)定訓(xùn)練參數(shù),可以仿真不同站址經(jīng)緯儀的工作情況,為經(jīng)緯儀試前布站選址提供依據(jù)。
當(dāng)數(shù)字動(dòng)態(tài)靶標(biāo)作為高精度測(cè)量靶標(biāo)使用時(shí),需要準(zhǔn)確地確定在任意時(shí)刻靶標(biāo)的空間角度,即必須保證靶標(biāo)的旋轉(zhuǎn)精度,同時(shí)要消除旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)軸系跳動(dòng)的影響。因此,需要加上位置反饋環(huán)節(jié)(如高精度編碼器),同時(shí),還要進(jìn)一步改進(jìn)、完善靶標(biāo)的軸系和機(jī)械性能,數(shù)字動(dòng)態(tài)靶標(biāo)才可能用于光電跟蹤測(cè)量設(shè)備的精度測(cè)量,從而提高我部光測(cè)設(shè)備的標(biāo)校和檢測(cè)能力,使我部在設(shè)備應(yīng)用的基礎(chǔ)上,在設(shè)備的維修、維護(hù)和檢測(cè)方向邁出重要一步。
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