姜 飛,王 浩

（1．宿州學(xué)院 智能信息處理實驗室，安徽 宿州 234000；2．宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；3.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

一種非接觸式彈丸速度測量系統(tǒng)設(shè)計

姜 飛1,2,王 浩3

（1．宿州學(xué)院 智能信息處理實驗室，安徽 宿州 234000；2．宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；3.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

設(shè)計了一種速度大于1km/s的高速彈丸測速裝置.用光纖將入射光導(dǎo)入至彈丸表面，將其反射光導(dǎo)出至光電二極管（GT101），利用光電轉(zhuǎn)換后的信號觸發(fā)STC12C5A60S2單片機(jī)計時器兩路外部中斷實現(xiàn)計時，根據(jù)兩測量點間距和彈丸飛行的時間差，可計算彈丸速度值.利用單片機(jī)控制LCD顯示速度值并作為下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行串行通信.將軟硬件系統(tǒng)經(jīng)集成為光電測速裝置，并用于二級輕氣炮的高速彈丸速度測量.結(jié)果表明：該測速裝置具有簡單可靠，可滿足二級輕氣炮寬范圍速度測量的要求.

彈丸速度；單片機(jī)；串行通信

輕氣炮是一種利用較輕的氣體(氫或氦)作工質(zhì)推進(jìn)彈丸的武器，而彈丸速度就是其性能參數(shù)之一.目前常用的測量技術(shù)主要分為接觸式和非接觸式兩類.接觸式速度測量方法（如打靶法和斷線法）都是通過與彈片接觸測得數(shù)據(jù)，直接干擾彈丸運行方向和速度，也不能作為連發(fā)測試.非接觸式速度測量方法中：電磁法通過彈丸運動對電磁場產(chǎn)生變化測得數(shù)據(jù)，易受測量環(huán)境周圍電磁場的干擾，要求較高；多普勒法通過激光測量彈丸運動速度，主要針對超高速彈丸速度測量，通過獲取信號頻差（頻移）來實現(xiàn)計算，相關(guān)的設(shè)備安裝校準(zhǔn)比較麻煩.在非接觸式測量方法中應(yīng)用最為普遍的就是光電法，該方法不改變彈丸運行軌跡，設(shè)備安裝較為簡單，可以也適用較惡劣環(huán)境的彈丸速度測量.由于光電管性能指標(biāo)中時間曲線下降沿時間約為幾個ms數(shù)量級在輕氣炮實驗中，基于光線遮斷測速原理不能實現(xiàn)測量速度為1km/s以上的飛行彈丸.針對直徑小于10mm的小尺寸彈丸速度超過1km/s，測量方式為利用反射光觸發(fā)光電管，一般采用的二極管型號為GT101光電二極管.本彈丸速度測量系統(tǒng)設(shè)計針對在電磁干擾較大的復(fù)雜外部環(huán)境，運行速度大于1km/s、不超過5km/s的彈丸速度測量.

1 總體方案設(shè)計

基本測試環(huán)境如圖1所示，在彈丸發(fā)射管上設(shè)置兩個測試點，分別在兩個測試點插入兩根外徑3mm光纖，標(biāo)識為光纖1、2、3、4.光纖3和光纖4為一組與光線1、光線2一組的作用相同.光纖2功能是光的射入信號通道，把入射光投射到彈丸發(fā)射管內(nèi)，根據(jù)反射原理，當(dāng)彈丸經(jīng)過對應(yīng)測點時，彈丸表面對入射光進(jìn)行漫反射，光纖1負(fù)責(zé)采集，發(fā)送信號到光電轉(zhuǎn)換單元.通過高頻響應(yīng)數(shù)字示波器獲取到兩組測點光信號強(qiáng)度時間曲線，在通過光信號時間差和兩測點間距，從而計算得到彈丸在發(fā)射管內(nèi)的平均速度.為了提高信號強(qiáng)度，本設(shè)計在彈丸表面進(jìn)行電鍍處理，提高漫反射光信號的強(qiáng)度，增加系統(tǒng)準(zhǔn)確性.

圖1 彈丸發(fā)射管測點和光纖布置示意圖

上述方案獲取的光纖1和光纖4光信號采集進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換模塊處理，通過運放單元模塊、數(shù)據(jù)計算處理模塊，最后顯示或輸出彈丸速度值.為了保存和優(yōu)化等處理，設(shè)計中采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串口通信技術(shù)，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集處理軟件保存等操作.彈丸測速系統(tǒng)組成原理示意圖如圖2所示.

2 硬件設(shè)計

2.1 光電轉(zhuǎn)換單元

系統(tǒng)設(shè)計目的是測量高速彈丸（>1km/s），這就要求光電轉(zhuǎn)換單元的響應(yīng)速率要快.另一個元器件性能指標(biāo)是較高的靈敏度.選擇了GT101作為光電轉(zhuǎn)換器件作為核心轉(zhuǎn)換元器件.單元電路如圖3所示，根據(jù)單片機(jī)端口及其參數(shù)要求，選擇下拉電阻阻抗值是51K.

圖2 高速彈丸測速系統(tǒng)原理示意圖

圖3 光電轉(zhuǎn)換單元電路圖

2.2 放大電路單元

采集到的基本信號經(jīng)過光電單元轉(zhuǎn)換后，需要進(jìn)行適當(dāng)放大和電平轉(zhuǎn)換.系統(tǒng)設(shè)計中為了解決環(huán)境熱噪聲和干擾數(shù)據(jù)，設(shè)計了調(diào)零電路，使的輸出信號初始化.系統(tǒng)采用二級放大方式，其中一級13倍的放大倍數(shù)、二級可調(diào)倍數(shù).圖4給出了一級放大電路圖.對無輸入狀態(tài)通過調(diào)節(jié)電位器RV1使一級放大單元輸出端?T1輸出值為零，進(jìn)行校準(zhǔn).二級放大倍數(shù)默認(rèn)設(shè)定為152倍，通過調(diào)節(jié)電位器RV4可以調(diào)整放大倍數(shù)，以適用不同彈丸不同反射環(huán)境，從?P1端口輸出的信號為CMOS信號直接提供給單片機(jī)或示波器使用，也可以直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

2.3 單片機(jī)和外圍電路

圖6給出了CMOS信號轉(zhuǎn)換成TTL電平的單片機(jī)核心與接口示意圖.為了系統(tǒng)運行狀態(tài)與結(jié)果的查看，給單片機(jī)添加了外圍顯示模塊（LCD1602）.為了數(shù)據(jù)保存與處理需求，配備了串口通信模塊.有了串口通信模塊，上位機(jī)就可以獲得數(shù)據(jù)，為下一步處理做好準(zhǔn)備.

圖4 一級放大單元電路圖

圖5 二級放大單元電路圖

圖6 單片機(jī)核心與接口示意圖

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計包括單片機(jī)控制程序設(shè)計和上位機(jī)處理軟件設(shè)計兩部分.其中單片機(jī)控制程序主要是硬件獲取信號后，需要進(jìn)行預(yù)處理，排除干擾信號，完成基本運算.

3.1 單片機(jī)控制程序

控制程序是針對STC12系列單片機(jī)編寫的.實際測量電信號時間歷程曲線如圖7所示.根據(jù)經(jīng)驗，干擾信號和測量有效信號的持續(xù)時間不同，通常小于15μs可以認(rèn)定為干擾信號.30μs以上數(shù)據(jù)看作有效數(shù)據(jù).例如圖7中信號1描述曲線中的箭頭所指位置認(rèn)定為短時干擾光產(chǎn)生的信號，經(jīng)過一個震蕩后，第二個較寬的稍顯穩(wěn)定的波峰為彈丸經(jīng)過測量點所產(chǎn)生的信號.第二個較寬波峰開始后，延時超過15μs，如果外部信號持續(xù)低電平，認(rèn)定為有效信號，此時觸發(fā)單片機(jī)計時，并計入前15μs.否則，認(rèn)定信號為干擾信號.具體測速程序編寫結(jié)構(gòu)流程見圖8.

圖7 彈丸對應(yīng)的光信號電壓時間曲線

圖8 彈丸測速程序流程圖

3.2 上位機(jī)處理軟件設(shè)計

上位機(jī)處理軟件編寫環(huán)境采用VisualBasic 6.0編寫，利用comm_control控件實現(xiàn)單片機(jī)與計算機(jī)之間串口通信.軟件設(shè)計界面中增加系統(tǒng)通信設(shè)置界面可以選擇通信端口，修改通信速度參數(shù)，以增加軟件通信靈活性.利用串口線可進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集和存儲大量實驗數(shù)據(jù).上位機(jī)處理軟件運行主界面示例圖如圖9所示.為了提高穩(wěn)定性和實用性，上位機(jī)和下位機(jī)間的通信參數(shù)和工作模式通過一個命令字來傳遞.

4 實驗結(jié)果及分析

用2路標(biāo)準(zhǔn)光信號模擬實際彈丸表面的漫反射光，實驗驗證此系統(tǒng)的可靠性及響應(yīng)特性.示波器檢測實際光信號上升沿約為1us，具體驗證參數(shù)：設(shè)定該2路光信號時間差為400us時，通過本測速采集系統(tǒng)運行處理后顯示時間為401.6us，誤差為0.4%；設(shè)定光信號時間差為200us時，采集系統(tǒng)運行處理后顯示時間為201.4us，誤差為0.7%.有上述數(shù)據(jù)可見，本系統(tǒng)的響應(yīng)度和測量精度都完全能滿足高速彈丸速度測量的要求.

圖9 上位機(jī)軟件界面示例

5 結(jié)束語

本彈丸速度測量系統(tǒng)設(shè)計了一種速度大于1km/s的高速彈丸測速裝置，較為系統(tǒng)的實現(xiàn)了高速彈丸速度非接觸式測量問題.并從軟硬件設(shè)計方面避免了環(huán)境強(qiáng)電磁的影響，有效的去除了干擾光的數(shù)據(jù)，適合高速飛行物體速度現(xiàn)場即時數(shù)據(jù)測量.

〔1〕喬小平，高森烈，魏惠之，等.超高速炸藥加速器炮口彈丸速度的測量[J].光子學(xué)報，1994(6):188-191.

〔2〕崔鵬，劉少克.磁阻型線圈發(fā)射器彈丸速度與截面積關(guān)系[J].兵工自動化，2006(9):39-42.

〔3〕高志軍，顏國正，茅旭初.一種新的瞬時測速方法[J].儀表技術(shù)與傳感器，2000(7):18-27.

〔4〕JoseM，CarlosM.Cost-effectiveoptoelectronic system to measuretheprojectilevelocityin high velocity impacttesting ofaircraftand spacecraft structural elements [J]. Optical Engineering，2005，46(5).

〔5〕高光天.儀表放大器應(yīng)用技術(shù)[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

〔6〕張偉偉.重活塞驅(qū)動立式二級輕氣炮研制和初步調(diào)試[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

〔7〕王永虎,石秀華.空投雷彈斜入水初始彈道數(shù)值分析[J].彈道學(xué)報,2012,(02):92-95.

TP273

A

1673-260X（2014）12-0052-03

安徽高校省級自然科學(xué)研究項目重大項目（KJ2014ZD31）；安徽高校省級自然科學(xué)研究項目重大項目（KJ2014A247）