火箭橇測(cè)速電子測(cè)時(shí)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

錢禮華，孫 帥，申曉敏，劉保煒

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

電子測(cè)時(shí)儀(以下簡(jiǎn)稱測(cè)時(shí)儀)是靶場(chǎng)中非常重要的時(shí)間測(cè)試裝置，主要應(yīng)用于區(qū)截裝置(天幕靶、線圈靶、斷靶等)的時(shí)間測(cè)試，具有微秒級(jí)時(shí)間分辨率、體積小、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

目前，測(cè)時(shí)儀在某試驗(yàn)基地的火箭橇速度測(cè)試和彈丸網(wǎng)靶速度測(cè)試中應(yīng)用最多?；鸺猎囼?yàn)滑軌是當(dāng)代一種高精度、高速度的大型地面動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)設(shè)施。火箭橇最大速度可達(dá)音速和超音速;能夠承擔(dān)航空航天各項(xiàng)試驗(yàn)以及及其他高科技工業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)。在火箭橇斷靶測(cè)試中，電子測(cè)時(shí)儀根據(jù)區(qū)截測(cè)速原理，在火箭橇軌道上兩點(diǎn)綁上信號(hào)線，通過(guò)橇體運(yùn)行時(shí)撞斷信號(hào)線，測(cè)量橇體經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)時(shí)間，進(jìn)而獲取橇體運(yùn)行速度。但測(cè)時(shí)儀在火箭橇加電網(wǎng)處、安裝大發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，以及在網(wǎng)靶速度測(cè)試時(shí)，常出現(xiàn)計(jì)異常情況如“000000”和“000001”，無(wú)法獲得正確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此本文對(duì)實(shí)際測(cè)時(shí)環(huán)境進(jìn)行了分析，研制了抗強(qiáng)電磁干擾的測(cè)時(shí)儀。

1 計(jì)數(shù)異常時(shí)測(cè)試環(huán)境分析

1.1 加電網(wǎng)前速度測(cè)試

在火箭橇通過(guò)加電網(wǎng)時(shí)，橇體的金屬割刀和銅加電網(wǎng)接觸產(chǎn)生大量“火花”，繼而產(chǎn)生的電磁信號(hào)會(huì)通過(guò)綁在軌旁的信號(hào)線進(jìn)入測(cè)時(shí)儀。此時(shí)測(cè)時(shí)儀雖然已經(jīng)完成計(jì)時(shí)，但強(qiáng)電磁信號(hào)首先使其進(jìn)行復(fù)位并再次開(kāi)始計(jì)數(shù)，由于電磁信號(hào)周期短從而使測(cè)時(shí)儀顯示“000001”或“000000”。測(cè)試環(huán)境示意圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)試環(huán)境示意圖

1.2 多火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作

在某些2 Ma 以上火箭橇試驗(yàn)中，橇體上需要安裝4 枚以上發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)在火箭橇滑軌正上方就安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺吝\(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的火焰就覆蓋在軌軌道上方。當(dāng)火箭橇通過(guò)速度測(cè)試點(diǎn)時(shí)，火焰產(chǎn)生的電磁信號(hào)就會(huì)通過(guò)斷靶信號(hào)線進(jìn)入測(cè)時(shí)儀，此時(shí)測(cè)時(shí)儀雖然已經(jīng)完成計(jì)時(shí)，但強(qiáng)電磁信號(hào)使其進(jìn)行復(fù)位并再次開(kāi)始計(jì)數(shù)，從而在測(cè)時(shí)儀顯示“000000”或“000001”。

1.3 滑靴產(chǎn)生的“火花”

通過(guò)高速攝影等設(shè)備可看到火箭橇在滑軌上高速運(yùn)行時(shí)，滑靴和軌面摩擦處產(chǎn)生大量連續(xù)的“火花”。由于斷靶線靠滑靴切斷才觸發(fā)測(cè)時(shí)儀開(kāi)始工作，滑靴摩擦產(chǎn)生的火花引起的強(qiáng)電磁干擾，嚴(yán)重影響著測(cè)時(shí)儀運(yùn)行的穩(wěn)定性;而且火箭橇速度越高，對(duì)設(shè)備影響越大;因此當(dāng)火箭橇速度達(dá)到800 m/s 以上時(shí)，經(jīng)常發(fā)生測(cè)時(shí)儀計(jì)數(shù)異常情況。

1.4 靶網(wǎng)速度測(cè)試

在彈丸速度測(cè)試中也常利用靶網(wǎng)進(jìn)行，通常將一根很細(xì)的鍍銀銅絲往復(fù)纏繞在絕緣靶架上(其架設(shè)見(jiàn)圖2 所示)制作靶網(wǎng)。彈丸穿通過(guò)靶網(wǎng)時(shí)將鍍銀銅絲撞斷，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)。

圖2 靶網(wǎng)示意圖

在彈丸速度較高并且銅絲表面未作涂漆處理時(shí)，彈丸接觸靶網(wǎng)時(shí)首先撞斷鍍銀銅絲，繼而通過(guò)靶網(wǎng)時(shí)會(huì)多次觸碰鍍銀銅絲，因?yàn)閺椡璧慕饘偬匦允拱芯W(wǎng)碰斷處又多次接通，因而會(huì)產(chǎn)生多個(gè)連續(xù)的啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)測(cè)時(shí)儀也可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)小數(shù)情況。

平衡炮口靶網(wǎng)速度測(cè)試時(shí)由于發(fā)射的彈丸直徑達(dá)到250 mm，發(fā)射時(shí)啟動(dòng)信號(hào)的靶網(wǎng)由于場(chǎng)地條件，只能架設(shè)在炮口火焰覆蓋區(qū)域，測(cè)試時(shí)測(cè)時(shí)儀也常會(huì)出現(xiàn)計(jì)小數(shù)情況。

1.5 環(huán)境分析結(jié)論

通過(guò)在對(duì)以上多次測(cè)試異常情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前應(yīng)用的電子測(cè)時(shí)儀在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮斷靶端口強(qiáng)電磁環(huán)境和信號(hào)連續(xù)多次觸發(fā)的測(cè)試環(huán)境。因此在本次設(shè)計(jì)中對(duì)以上兩點(diǎn)缺陷進(jìn)行重點(diǎn)考慮。

2 電子測(cè)時(shí)儀設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)時(shí)儀主要技術(shù)指標(biāo)

通道數(shù):2 路，時(shí)間分辨率:1 μs，計(jì)時(shí)范圍:1 ～9999999 μs，工作時(shí)間:不小于4 h，供電方式:交流220 V 和直流12 V，抗電磁干擾:2 000 V。

2.2 總體設(shè)計(jì)

電子測(cè)時(shí)儀主要由斷靶信號(hào)隔離部分、電源、顯示及計(jì)時(shí)部分組成。電子測(cè)時(shí)儀信號(hào)連接關(guān)系如圖3 所示。斷靶1、斷靶2 通過(guò)隔離電源輸入信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理和整形，觸發(fā)CPLD 進(jìn)行時(shí)間測(cè)試，通過(guò)AVR 顯示部分將數(shù)據(jù)輸出。

圖3 系統(tǒng)連接示意圖

2.3 抗強(qiáng)電磁干擾設(shè)計(jì)

2.3.1 斷靶電源隔離和信號(hào)隔離設(shè)計(jì)

電路隔離的主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。采用了電路隔離的措施以后，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。

電路隔離主要有:模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有:變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D 轉(zhuǎn)換器隔離法等。

光電耦合器件把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。光電耦合是一種簡(jiǎn)單有效的隔離技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)在于破壞了“地”干擾的傳播途徑，切斷了干擾信號(hào)進(jìn)入后續(xù)電路的途徑，有效地抑制了尖脈沖和各種噪聲干擾。

TLP521 -2 光電耦合器是由兩個(gè)單獨(dú)的光電耦合器組成。一般來(lái)講，光電耦合器由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏器件構(gòu)成。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L 與電流成正比，當(dāng)電流增大到引起結(jié)溫升高時(shí)，發(fā)光二極管呈飽和狀態(tài)，不再在線性工作區(qū)。光電二極管的光電流與光照度的關(guān)系可用IL∝Eu表述。其中，E 為光照度，u =1 ±0.05，因此，光電流基本上隨照度而線性增大。但一般硅光電二極管的光電流是幾十微安，對(duì)于光敏三極管，由于其放大系數(shù)與集電極電流大小有關(guān)，小電流時(shí)，放大系數(shù)小，所以光敏三極管在低照度時(shí)靈敏度低，而在照度高時(shí)，光電流又呈飽和趨勢(shì)，達(dá)不到線性效果。

因?yàn)椴煌墓怆婑詈掀饔胁煌墓ぷ骶€性區(qū)，所以，在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該首先找到光電耦合器的線性區(qū)。光電耦合器TLP521 -2 的電流線性區(qū)大約為1 ～10 mA。光電耦合器的偏置輸入電路可以決定輸入它的電流的范圍，偏置電路設(shè)計(jì)的好，可以使得輸入電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，光電耦合器依然工作在線性區(qū)。

本電路設(shè)計(jì)采用光耦隔離電路，使被隔離的兩部分電路之間沒(méi)有電的直接連接，同時(shí)使隔離兩端分別采用不同的接地點(diǎn)。因此斷靶1 和斷靶2 分別需要獨(dú)立的隔離電源，設(shè)計(jì)時(shí)采用了2 只DC-DC 電源模塊，如圖4 中DC1 和DC2 分別產(chǎn)生了5V1 和5V2 兩路隔離電源。

如圖4 所示，實(shí)際測(cè)試中通過(guò)斷靶線將J1 中1 端和2 端接通時(shí)，T1 的8 端(內(nèi)部NPN 三極管的集電極端)輸出低電平，當(dāng)火箭橇滑靴將斷靶線碰斷后，TLP521(T1)的8 端輸出高電平，這樣就將斷靶(通斷信號(hào))轉(zhuǎn)換為上升沿信號(hào)。同理J1 中3 端和4 端的通斷也可在TLP521(T1)的6 端輸出上升沿信號(hào)。

2.3.2 信號(hào)整形電路設(shè)計(jì)

在圖4 中TLP521(T1)的6 端和8 端輸出的單次上升沿信號(hào)只是在理想情況下存在，實(shí)際火箭橇及網(wǎng)靶試驗(yàn)中斷靶端可能產(chǎn)生在多次觸發(fā)信號(hào)，因此該信號(hào)需要經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)該上升沿信號(hào)進(jìn)行整形，設(shè)計(jì)中采用74LS123 進(jìn)行。如圖5 所示，利用R7、C1設(shè)計(jì)的定時(shí)電路，其時(shí)間常數(shù)R7×C1，為10 ms，有效的避免了多次觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生。

2.4 計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中計(jì)時(shí)分辨率為1 μs，計(jì)數(shù)值為9999999，因此設(shè)計(jì)24 位計(jì)數(shù)器能滿足實(shí)際需要，利用MAXplusⅡ設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器如圖6 所示。

從圖6 中可看到，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)調(diào)理后的啟動(dòng)和停止兩路信號(hào)，經(jīng)過(guò)D 觸發(fā)器后再進(jìn)入計(jì)數(shù)器。啟動(dòng)信號(hào)輸入時(shí)利用D觸發(fā)器進(jìn)行信號(hào)鎖存，D 觸發(fā)器即打開(kāi)與門使時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)停止信號(hào)通過(guò)另一D 觸發(fā)器鎖存后輸出高電平，該高電平信號(hào)再經(jīng)一反相器后輸出低電平來(lái)關(guān)閉計(jì)數(shù)器，完成計(jì)數(shù)工作。

2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

電子測(cè)時(shí)儀主要應(yīng)用于戶外，顯示的清晰度和亮度尤為重要。本次設(shè)計(jì)中采用8 位LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。由于計(jì)數(shù)器輸出的是24 位數(shù)字量，采用具有數(shù)字量接口的AVR 單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)就較為方便，24 位計(jì)數(shù)值需要單片機(jī)3 次讀取才能完成。利用AVR 單片機(jī)設(shè)計(jì)的8 位數(shù)字顯示電路如圖7 所示。

圖4 斷靶及隔離電路

圖5 單穩(wěn)態(tài)電路

圖6 24 位計(jì)數(shù)器原理

圖7 AVR 單片機(jī)顯示原理

3 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

電子測(cè)時(shí)儀在實(shí)驗(yàn)室中主要進(jìn)行斷靶輸出、隔離功能、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)、顯示功能和計(jì)時(shí)精度檢測(cè)。

3.1 功能檢測(cè)

3.1.1 斷靶及隔離電路檢測(cè)

如圖4 中，將J1 中1 端和2 端通過(guò)一導(dǎo)線接通時(shí)，利用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)T1 的8 端電壓，其應(yīng)為低電平(0.3 V 以下)，將該導(dǎo)線斷開(kāi)時(shí)，T1 的8 端輸出可測(cè)到為高電平(4.5 V 以上);同理將J1 中3 端和4 端的從通到斷，在TLP521(T1)的6 端可測(cè)試到從低電平到高電平。以上兩點(diǎn)均達(dá)到時(shí)說(shuō)明斷靶信號(hào)能通過(guò)光電耦合電路可靠傳輸。

3.1.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器檢測(cè)

將J1 中1 端和2 端通過(guò)一導(dǎo)線先接通并斷開(kāi)時(shí)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)如圖5 中74LS123 的13 端，其輸出一段時(shí)間高電平。同理將J1 中3 端和4 端通過(guò)一導(dǎo)線先接通并斷開(kāi)時(shí)，74LS123 的5 端輸出信號(hào)波形也輸出一段時(shí)間高電平。高電平持續(xù)時(shí)間為R7×C1(時(shí)間常數(shù))，約10 ms。

3.1.3 顯示功能檢測(cè)

AVR 單片機(jī)作為顯示的核心控制器件，負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)、控制及驅(qū)動(dòng)8 位LED 數(shù)碼管。檢測(cè)時(shí)，首先將顯示電路板單獨(dú)進(jìn)行檢測(cè)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)顯示切換的兩位端口，判斷其是否按照預(yù)設(shè)邏輯狀態(tài)輸出;因?yàn)閿?shù)據(jù)端懸空，同時(shí)可看到顯示值為重復(fù)的3 段值。

3.2 精度檢測(cè)

電子測(cè)時(shí)儀計(jì)時(shí)分辨率為1 μs，計(jì)數(shù)值為99999999。其精度檢測(cè)時(shí)需要一臺(tái)能提供較高精度的信號(hào)源，通過(guò)電子測(cè)時(shí)儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)記錄信號(hào)輸出的值，既可對(duì)兩者計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較分析。

4 實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)在多次火箭橇試驗(yàn)，將該抗強(qiáng)電磁干擾的測(cè)時(shí)儀和DT-3 型電子測(cè)時(shí)儀進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比，對(duì)其測(cè)時(shí)精度和可靠性均能滿足實(shí)際測(cè)試需求。實(shí)際使用情況如表1 所示。

表1 實(shí)際使用效果

5 結(jié)束語(yǔ)

抗強(qiáng)電磁干擾的測(cè)時(shí)儀在實(shí)際測(cè)試中進(jìn)行了初步的應(yīng)用，其在火箭橇加電網(wǎng)處的測(cè)試可靠性得到極大提高，下一步可通過(guò)在網(wǎng)靶和平衡炮實(shí)際測(cè)試中進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

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