數(shù)字動(dòng)態(tài)靶標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 杰 ，邵 蕾 ，趙常壽

(1.中國人民解放軍63861部隊(duì)，吉林 白城 137001；2.中國人民解放軍63851部隊(duì)，吉林 白城 137001）

靶標(biāo)是一種在室內(nèi)檢測光電跟蹤測量設(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)用于檢測設(shè)備的測量精度，動(dòng)態(tài)靶標(biāo)用于檢測設(shè)備的跟蹤性能。結(jié)合靶場試驗(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量設(shè)備的標(biāo)校和檢測，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)生光電跟蹤測量設(shè)備可成像的無窮遠(yuǎn)光斑，即模擬一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，供光電跟蹤測量設(shè)備如光電經(jīng)緯儀、紅外跟蹤測量系統(tǒng)、電視跟蹤測量系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤和性能檢測。

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，速度檢測元件采用直流測速發(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 （PWM），靶標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號（DIR）由單片機(jī)的I/O腳輸出。為了驅(qū)動(dòng)功率級，首先應(yīng)對TTL電平的PWM信號和DIR信號進(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)不同電壓信號的隔離，抑制干擾傳遞。DIR信號經(jīng)過光電耦合隔離后首先通過D觸發(fā)器U3，形成模擬開關(guān)U4的兩路控制信號。PWM信號經(jīng)過光電耦合隔離后直接進(jìn)入U(xiǎn)4的數(shù)據(jù)輸入端，U4輸出信號經(jīng)過緩沖后即形成H橋式驅(qū)動(dòng)電路（如圖3所示）的控制信號 HL、LR、HR和 LL。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)向?yàn)椤罢D(zhuǎn)”時(shí)，HL、LR信號有效，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)椤胺崔D(zhuǎn)”時(shí)，HR、LL信號有效，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 信號調(diào)理電路

直流測速發(fā)電機(jī)是一種模擬測速裝置，可將軸轉(zhuǎn)速信號變換為直流電壓輸出。由電磁理論可以推導(dǎo)直流測速發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢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：

將(1)式代入(2)式得：

當(dāng)R、C、Φ都保持不變時(shí)，U與 n之間呈線性關(guān)系，即 k為常數(shù)， 對于 130CYDN02C，k=0.7 V/(r·min-1)。 當(dāng)130CYDN02C達(dá)到其最大線性工作轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí)，近似為70 V(測速發(fā)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí)，端電壓U符號相反)。因此設(shè)計(jì)如圖4所示的信號調(diào)理電路,其中R5和W3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，使測速發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)ACH0或ACH1(分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))為+5 V，同時(shí)調(diào)整放大器參數(shù)，以保證信號的線性。

1.3 保護(hù)電路

為了防止電流過大燒毀電機(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)楦唠娖剑丛趫D3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來產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸出PWML，經(jīng)光電耦合器U7后控制場效應(yīng)管U8的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對燈源亮度的控制。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)軟件除了要完成對硬件的初始化之外，還要完成對硬件電路的實(shí)時(shí)控制，對數(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匯編語言編寫，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。

圖7 主程序示意圖

2.1 PID控制器

PID控制器具有簡單而固定的形式，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)人員以一種簡單而直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而使得PID控制成為工業(yè)過程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種形式。離散的PID表達(dá)式如下：

式中：k為采樣序號，k=0,1,2,…；uk為第 k次采樣時(shí)刻的單片機(jī)輸出值；ek為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；ek-1為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KP為比例系數(shù)；TI為積分常數(shù)；TD為微分系數(shù)；T為采樣周期；

由上式可得控制器在第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為：

將(3)式與(4)式相減并整理得：

由(5)式可得位置式PID控制算法的遞推計(jì)算公式：

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的不利影響，采用了遇限削弱積分法。具體過程是：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，則說明已進(jìn)入飽和區(qū)，這時(shí)再根據(jù)偏差的正負(fù)，來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提供模擬量輸出：一種是通過HSO提供。另一種是通過內(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寫入 PWM寄存器即可輸出PWM控制電壓。

由上述分析可見：通過設(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量設(shè)備的精度測量,從而提高我部光測設(shè)備的標(biāo)校和檢測能力，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)和檢測方向邁出重要一步。

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