黃光磊，安志勇，張光偉，惠菲，裴景洋

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

激光模擬對抗技術(shù)是七十年代中期發(fā)展起來的一種新型的訓(xùn)練方法，以美國陸軍研制的 MILES（多功能激光交戰(zhàn)訓(xùn)練模擬）系統(tǒng)為代表的激光模擬對抗訓(xùn)練器材，它可以模擬36種武器，性能好、精度高，大大推動了部隊的訓(xùn)練工作。八十年代以來，我國有一些單位在從事激光模擬訓(xùn)練器的研究和探索工作，也相繼出現(xiàn)一些類似的產(chǎn)品。但這些產(chǎn)品并不能完全符合軍事訓(xùn)練的要求，未在部隊大范圍使用。

常見的激光集群射擊訓(xùn)練器有明顯的一個缺點，激光發(fā)射系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)之間通過一根線連接，這根控制線降低了激光集群訓(xùn)練器的機動性和真實性。為了克服這些缺點，本文介紹一種使用藍牙技術(shù)的激光集群射擊訓(xùn)練器，該訓(xùn)練器運用藍牙技術(shù)實現(xiàn)了激光發(fā)射系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)的分離。以ARM7為控制核心，結(jié)合光電技術(shù)和單片機技術(shù)實現(xiàn)激光發(fā)射與接收，真實地模擬陣地戰(zhàn)的對抗，不僅能鍛煉訓(xùn)練者的射擊能力，還能有效的鍛煉團隊合作能力，是和平時期有效的訓(xùn)練手段。

1 激光集群射擊訓(xùn)練器原理

激光集群射擊訓(xùn)練器包括激光發(fā)射系統(tǒng)、光信號接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)三部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在模擬對抗訓(xùn)練中，利用激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的激光脈沖模擬真實子彈的發(fā)射，參訓(xùn)雙方的衣服和帽子上安裝有光信號接收裝置，該裝置能把接收到的激光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號，接收到激光脈沖相當于被擊中。經(jīng)過濾波、放大、整形后的脈沖信號，送入信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)對脈沖信號進行計數(shù)并實時顯示。當計數(shù)值達到設(shè)定值時，即代表參訓(xùn)人員已陣亡。同時，通過藍牙模塊發(fā)送指令，控制激光發(fā)射系統(tǒng)不能發(fā)射激光脈沖［1，2］。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 激光發(fā)射系統(tǒng)

激光發(fā)射系統(tǒng)的外形模擬真實槍械，槍體后部裝有主控電路，槍管中放置半導(dǎo)體激光器，以扳機作為開關(guān)。為了實現(xiàn)激光發(fā)射系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)的分離，激光發(fā)射系統(tǒng)中采用藍牙模塊，通過藍牙模塊使激光發(fā)射系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)無線連接。電路框圖如圖2所示。

圖2 激光發(fā)射系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of laser emission system

發(fā)射系統(tǒng)是由LPC2106單片機、藍牙模塊、語音模塊、扳機、半導(dǎo)體激光器及其驅(qū)動電路組成。藍牙模塊選用金甌科技的BTM0704C2P的藍牙內(nèi)嵌模塊，需要一個主設(shè)備與一個從設(shè)備配套使用。當藍牙內(nèi)嵌式模塊連接正確的電路，并且加電啟動之后，主從設(shè)備會自動建立連接，識別對方設(shè)備，之后，藍牙內(nèi)嵌模塊之間使用標準的串口模式通信。語音芯片選用SPI串行通信的ISD4004。工作過程為：系統(tǒng)上電時，藍牙模塊主動與信號處理系統(tǒng)的藍牙模塊相連接。當扣動扳機時，其產(chǎn)生的脈沖信號送入 LPC2106，以下降沿觸發(fā)外部中斷，LPC2106響應(yīng)中斷請求，通過P0.10的電平變化，送到驅(qū)動電路中驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光脈沖，同時使語音模塊發(fā)出射擊聲。當接收到信號處理系統(tǒng)通過藍牙發(fā)送的指令時，關(guān)閉外部中斷，使其不能發(fā)射激光脈沖。

2.2 光信號接收系統(tǒng)

光信號接收系統(tǒng)是由光電傳感器、濾波、放大、整形四部分組成，電路框圖如圖3所示。因為外界光源(如陽光、燈光等)會對光電傳感器造成干擾，而且干擾信號通常比激光信號大。本系統(tǒng)使用一個二階有源帶通濾波器，其中心頻率為激光信號的頻率，通帶寬度為1kHz以濾除外界干擾［3］。光電傳感器輸出的電壓一般都是毫伏級的，為了與信號處理系統(tǒng)的LPC2106單片機電平匹配，必須放大約1000倍。由于放大倍數(shù)太高，采用二級放大級聯(lián)來實現(xiàn)。傳感器輸出的脈沖并不是規(guī)則的矩形脈沖，采用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)整形，改善后的脈沖輸入到信號處理系統(tǒng)［4］。

圖3 光信號接收系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of optical signal receiving system

2.3 信號處理系統(tǒng)

信號處理系統(tǒng)是由 LPC2106單片機、藍牙模塊、電機模塊及數(shù)碼管組成，電路框圖如圖 4所示。藍牙模塊選用與激光發(fā)射系統(tǒng)相配套的藍牙內(nèi)嵌模塊作為藍牙從機。工作過程為：系統(tǒng)上電，藍牙模塊與激光發(fā)射系統(tǒng)的藍牙模塊相連接。如果有經(jīng)過光信號接收系統(tǒng)的脈沖信號送入LPC2106，以下降沿觸發(fā)中斷，LPC2106響應(yīng)中斷請求（相當于被擊中）。通過P0.20的電平變化驅(qū)動電機模塊，使電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振動，參訓(xùn)者感受到自己被擊中。同時，通過兩個八段數(shù)碼管顯示被擊中的次數(shù)，當擊中次數(shù)達到設(shè)定值之后，藍牙模塊發(fā)送指令使激光發(fā)射系統(tǒng)不能發(fā)出激光，使其退出訓(xùn)練。

圖4 信號處理系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of signal processing system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用ARM控制器LPC2106，系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩部分：激光發(fā)射系統(tǒng)程序與信號處理系統(tǒng)程序。鑒于ARM控制器強大的中斷功能，為了保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性，整個系統(tǒng)主要采用中斷處理方式［5］。

激光發(fā)射系統(tǒng)程序框圖如圖 5所示。程序開始，初始化藍牙模塊的串口中斷與外部中斷0，并設(shè)置串口中斷優(yōu)先級高于外部中斷0。扳機采用外部中斷0，設(shè)置下降沿觸發(fā)，當外部中斷觸發(fā)時，驅(qū)動激光器發(fā)出激光和語音模塊發(fā)出槍聲，模擬射擊效果。當收到信號處理系統(tǒng)通過藍牙發(fā)出的命令時，關(guān)閉外部中斷0，使激光器不能發(fā)出激光。

圖5 激光發(fā)射系統(tǒng)程序設(shè)計Fig.5 Laser emission system programming

信號處理系統(tǒng)程序框圖如圖 6所示。程序開始，初始化藍牙模塊的串口中斷與外部中斷0，并設(shè)置串口中斷高于外部中斷0的優(yōu)先級。外部中斷0設(shè)置為下降沿觸發(fā)，通過光信號接收系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)外部中斷時，驅(qū)動電機產(chǎn)生振動，并在數(shù)碼管上顯示產(chǎn)生中斷的次數(shù)，以模擬中槍的次數(shù)。當次數(shù)達到設(shè)定值時，通過藍牙發(fā)送關(guān)閉指令到激光發(fā)射系統(tǒng)，并關(guān)閉信號處理系統(tǒng)的外部中斷0，系統(tǒng)不再響應(yīng)脈沖。

4 結(jié)論

圖6 信號處理系統(tǒng)程序設(shè)計Fig.6 Signal processing system programming

采用ARM控制器與藍牙模塊設(shè)計出一種激光模擬射擊訓(xùn)練器，此系統(tǒng)實現(xiàn)了激光發(fā)射系統(tǒng)與信號處理系統(tǒng)的分離，更加真實地模擬了集群對抗訓(xùn)練；實現(xiàn)了激光信號的檢測、整形、以及結(jié)果的顯示。實際應(yīng)用表明此系統(tǒng)可以用于作戰(zhàn)模擬演習(xí)，能逼真的演示大規(guī)模作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)效果，進行無彈藥無污染的軍事訓(xùn)練，具有一定的實際應(yīng)用價值和良好的拓展性。

［1］林遠芳，黃元慶.基于2051單片機的激光對抗模擬器設(shè)計［J］.激光技術(shù)，2001（1）：32-34.

［2］趙舒迪，徐熙平，王維.基于ARM嵌入式技術(shù)和模糊控制的光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，33（3）：40-43.

［3］劉建，秦會斌.激光打靶系統(tǒng)的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2003，12（4）：513-516.

［4］童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）［M］.高等教育出版社，2007.

［5］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（第二版）［M］.北京航天航空大學(xué)，2008.