用于进行电磁线圈炮测速的光纤单片机测速系统的设计

1 引 言

炮口初速是衡量火炮、弹丸的综合性能的重要参量之一。测量初速的值，是衡量内弹道理论的正确性和计算方法准确性的重要标准之一，而对外弹道来说，弹丸初速也是研究弹丸在空气中飞行规律和计算火炮射表的原始数据之一。通常炮口初速的测量，可以通过传统的测速方法得到。传统测速方法从原理上可分为测瞬时速度法（如弹头激波测速法）和测平均速度法（如通断靶，线圈靶和光幕靶等测速法）两类。

近年来，伴随着电磁线圈炮的发展，其炮口测速已引起了人们的关注。电磁发射领域是一个全新的武器系统，他在发射机理、工作环境以及工作特点等方面与传统的以火药为能源的火炮系统有着根本的不同，发射时电磁炮的强电磁环境、超高的弹丸初速等特点，势必造成传统的测速方法灵敏度降低，易受外界电磁场的干扰等现象，导致结果数据与实际不符。因此，寻求一种全新的测速方法已迫在眉睫。

基于这个目的，我们设计了光纤单片机测速系统来解决电磁线圈炮的测速难题。光纤单片机测速系统反应灵敏，比较适合电磁线圈炮高初速弹丸速度的测量，且光信号的传输和接收不受外界环境的干扰，能够在电磁线圈炮恶劣的发射环境下工作，此外光纤传输信号损耗较小，能够将信号引离强电磁环境，使信号处理系统避免强电磁的干扰，提高测量的精度。

2 光纤单片机测速系统的组成

本文所研究的光纤单片机测速系统由光信号发生电路、光信号的导出、光电信号转换电路、单片机计算系统、LED显示电路等组成。其主要原理图如图1所示。

光纤单片机测速系统相对来说结构比较简单，使用方便，更重要的是他能够避免电磁线圈炮强电磁环境的干扰，灵敏度高、测速精确，能够满足电磁线圈炮的测速要求。

3 硬件设计

光纤单片机测速系统主要由光电转换系统、单片机系统和速度显示系统3部分构成。其主要是以单片机为核心，配以一定的外围电路，实现特定的检测功能的应用系统。

3.1 光信号发生电路设计

通过激光管发出束状光线照射在光纤上，再由光纤传导装置把光信号引出，传输至光电转换装置。其原理如图2所示。

当激光管和光纤之间有弹丸经过时，弹丸会挡住激光管发出的光束，使光电转换装置处光信号发生中断，引起电信号的改变。若将两套此装置平行放置在炮口位置，弹丸经过时使两套装置处光信号依次发生跳变，引起电信号的改变，单片机依据此信号的改变而计算出平均速度。

3.1.1 光信号发生系统的硬件组成

为了保证光信号很好地传输至光纤，须采用发散度小、穿透力强的束状光线或激光照在光纤一端，通过光纤把光信号引到光电转换装置。考虑到电磁炮的强电磁干扰，将3 V干电池供电系统与电磁发射系统隔离，使激光管正常发光。这里采用了西安华科光电有限公司生产的D1650型激光管，其工作波长为650 nm，光束发散度为0.1～0.5 mrad，功率5 mW，稳定性好，使用寿命大于5000 h，能满足系统需要。

光纤可以让光信号传输至预定位置，在传输过程中损耗小，且不易受外界条件的干扰。在选择光纤的材料时，需要注意的一个问题是所采用的光纤传播的波长范围必须适合所采用激光管发出的光波长。这里我们采用普通塑料光纤。塑料光纤灵活柔韧，适用温度范围较大，并不易断裂，可承受较大的应力载荷、挠曲与振动等，并且可以传输可见光与近红外光，适合应用在本通信网络中，也是最经济的解决方案。

3.1.2 光电转换系统的设计与选择

光电转换电路的目的是将光纤传输的光信号的变化转换为电信号的变化，并对电信号进行放大、整形，使其成为适合于单片机工作环境的TTL电平，用来给单片机跳变信号。采用的光敏二极管主要是通过感应光纤光信号变化，自身导通或截止引起电路变化，这里采用2DUB型光敏二极管，其光谱范围为0.4～1.1μm，响应时间短，足够系统响应需要。其原理如图3所示。

3.2 单片机计算系统电路设计

单片机计算系统是指以单片机为核心，配以一定的外围电路，能实现特定的检测和控制功能的应用系统。根据本系统的需求，采用ATMEL公司的AT89C518位单片机。采用内部时钟，选用12 MHz的晶振，并采用了上电复位的方式。

3.2.1 单片机计算系统工作原理

该系统是根据两个输入信号1、2输入的时间差和两光信号触发点的距离，来计算平均速度的。鉴于本系统中单片机的实现任务，主要运用定时器TO，采用方式1进行工作，测出两触发信号的时间差。速度计算过程和数据输出过程由程序控制。

3.2.2 单片机接口设计及分析

信号1接P1.0，信号2接INT0。在单片机计算系统中我们选用GATE--门控位：GATE=1时，由外部中断引脚INT0和TR0来启动定时器。GATE=0时，仅由TR0置位来启动T0。

定时器/计数器工作方式1:TMON中的M1=O，M0=1，选定方式1工作。

PO口负载驱动能力强，能驱动8个TTL负载做段选。选用P1.1，P1.2，P1.3，P1.4，P1.5，P1.6分别连接6个共阳极LED数码管的位选管脚。

3.3 LED显示电路连接设计

鉴于目前的炮口速度，采用6位数码管已满足要求。这里我们采用动态显示方式，数码管选用共阳极。动态显示简化了硬件电路，即通常将所有位的段选线并联在一起，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极分别由相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。采用S8050驱动，其过程如图4所示。

4 光纤单片机测速电路工作分析

在测速过程中，当弹丸运动到第一个激光管与光纤之间时，光线被弹丸遮住。光敏二极管由于光信号输入截止的情况下且输出高电平，信号经放大整形接在单片机P1.0接口。此时，单片机开始计时。同理，当弹丸运动到第二个激光管与光纤之间时，单片机INT0口处变为高电平，单片机停止计时，从而测出弹丸经过两光纤（10.2 cm）所需的时间。然后根据程序计算出弹丸的运动速度，再由P0口输出到数码管进行显示。

5 光纤单片机测速系统软件设计

5.1 主程序设计

首先确定检测速度值的范围，两个传感器距离为l0.2 cm。所测弹丸的初速在0.00～2 000.00 m/s之间。计数器/定时器基本定时时间为1μs。本系统中计数器/定时器采用方式1工作。主程序流程图如图5所示。

5.2 速度计算除法子程序

把计数器所计的数值当作除数存于50H，51H，把被除数（10.2 cm）转换为二进制码分别存于57H，56H，55H，54H中。若将被除数记为R5R4R3R2。相应除法步骤如下：

（1）判断除数是否为零，若为零，则转出错处理程序ERR执行。

（2）若除数不为零，则判断商是否大于双字节，即R5R4是否大于R1R0，若大于，则商大于双字节，使F0=1并结束除法运算。

（3）若R5R4小于R1R0，则采用重复比较法求商。由于是十六位除法，故比较法求商时比较次数16送B寄存器，以控制除法的循环次数。

（4）使32位被除数R5R4R3R2左移1位，即扩大2倍，R2最低位空出。

（5）使被除数高16位减去除数。若够减，则在R2最低位上商“1”；若不够减，则R2最低位上商“0”。

（6）判断除法是否完成（B=0），若未完成，则重复执行第（4）步；若已完成，则令F0=0，然后结束除法运算。

重复减法法则的除法程序流程如图6所示。

5.3 速度千、百、十、个位数字分离程序

计算所得的商存放在57H，56H寄存器。此程序的作用是将双字节二进制商转换为6位BCD码，所得BCD码存于R4R5R6，本电路显示弹丸炮口初速的千、百、十、个、十分位、百分位数字的BCD码，分别储存在58H，59H，5AH，5BH，5CH，5DH寄存器中。

6 结 语

电磁发射技术是近年来新兴起的一种推进技术，是发射理论和技术领域的一次飞跃。他为解决人们对超高速、大质量发射的要求开辟了一条新的途径。我们研究电磁发射炮口测速，从基本的测速原理开始，系统地分析了测速方法并设计了光纤单片机测速系统。鉴于当前应用中的各种测速方法的原理和其使用上存在的局限性，结合电磁线圈炮炮口测速强电磁场、高初速的特点，提出了综合光纤、单片机优点的光纤单片机测速系统。根据测速的要求，通过测速模型的建立，具体设计了实验电路以及软件的编写，实现了电磁线圈炮炮口测速的可行性。此装置目前应用于实验室，效果达到了要求。