基于ARM的激光集群射擊訓練器設計

黃光磊，安志勇，張光偉，惠菲，裴景洋

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

激光模擬對抗技術是七十年代中期發展起來的一種新型的訓練方法，以美國陸軍研制的 MILES（多功能激光交戰訓練模擬）系統為代表的激光模擬對抗訓練器材，它可以模擬36種武器，性能好、精度高，大大推動了部隊的訓練工作。八十年代以來，我國有一些單位在從事激光模擬訓練器的研究和探索工作，也相繼出現一些類似的產品。但這些產品并不能完全符合軍事訓練的要求，未在部隊大范圍使用。

常見的激光集群射擊訓練器有明顯的一個缺點，激光發射系統和信號處理系統之間通過一根線連接，這根控制線降低了激光集群訓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的激光集群射擊訓練器，該訓練器運用藍牙技術實現了激光發射系統和信號處理系統的分離。以ARM7為控制核心，結合光電技術和單片機技術實現激光發射與接收，真實地模擬陣地戰的對抗，不僅能鍛煉訓練者的射擊能力，還能有效的鍛煉團隊合作能力，是和平時期有效的訓練手段。

1 激光集群射擊訓練器原理

激光集群射擊訓練器包括激光發射系統、光信號接收系統、信號處理系統三部分組成，基本結構如圖1所示。

在模擬對抗訓練中，利用激光發射系統發出的激光脈沖模擬真實子彈的發射，參訓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換為電信號，接收到激光脈沖相當于被擊中。經過濾波、放大、整形后的脈沖信號，送入信號處理系統，信號處理系統對脈沖信號進行計數并實時顯示。當計數值達到設定值時，即代表參訓人員已陣亡。同時，通過藍牙模塊發送指令，控制激光發射系統不能發射激光脈沖［1，2］。

圖1 系統原理圖Fig.1 Principle diagram of the system

2 系統硬件設計

2.1 激光發射系統

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

圖2 激光發射系統框圖Fig.2 Block diagram of laser emission system

發射系統是由LPC2106單片機、藍牙模塊、語音模塊、扳機、半導體激光器及其驅動電路組成。藍牙模塊選用金甌科技的BTM0704C2P的藍牙內嵌模塊，需要一個主設備與一個從設備配套使用。當藍牙內嵌式模塊連接正確的電路，并且加電啟動之后，主從設備會自動建立連接，識別對方設備，之后，藍牙內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：系統上電時，藍牙模塊主動與信號處理系統的藍牙模塊相連接。當扣動扳機時，其產生的脈沖信號送入 LPC2106，以下降沿觸發外部中斷，LPC2106響應中斷請求，通過P0.10的電平變化，送到驅動電路中驅動半導體激光器發出激光脈沖，同時使語音模塊發出射擊聲。當接收到信號處理系統通過藍牙發送的指令時，關閉外部中斷，使其不能發射激光脈沖。

2.2 光信號接收系統

光信號接收系統是由光電傳感器、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的LPC2106單片機電平匹配，必須放大約1000倍。由于放大倍數太高，采用二級放大級聯來實現。傳感器輸出的脈沖并不是規則的矩形脈沖，采用施密特觸發器實現整形，改善后的脈沖輸入到信號處理系統［4］。

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

2.3 信號處理系統

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

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

3 系統軟件設計

本系統采用ARM控制器LPC2106，系統軟件設計主要包括兩部分：激光發射系統程序與信號處理系統程序。鑒于ARM控制器強大的中斷功能，為了保證系統響應的實時性，整個系統主要采用中斷處理方式［5］。

激光發射系統程序框圖如圖 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，并設置串口中斷優先級高于外部中斷0。扳機采用外部中斷0，設置下降沿觸發，當外部中斷觸發時，驅動激光器發出激光和語音模塊發出槍聲，模擬射擊效果。當收到信號處理系統通過藍牙發出的命令時，關閉外部中斷0，使激光器不能發出激光。

圖5 激光發射系統程序設計Fig.5 Laser emission system programming

信號處理系統程序框圖如圖 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，并設置串口中斷高于外部中斷0的優先級。外部中斷0設置為下降沿觸發，通過光信號接收系統產生脈沖，觸發外部中斷時，驅動電機產生振動，并在數碼管上顯示產生中斷的次數，以模擬中槍的次數。當次數達到設定值時，通過藍牙發送關閉指令到激光發射系統，并關閉信號處理系統的外部中斷0，系統不再響應脈沖。

4 結論

圖6 信號處理系統程序設計Fig.6 Signal processing system programming

采用ARM控制器與藍牙模塊設計出一種激光模擬射擊訓練器，此系統實現了激光發射系統與信號處理系統的分離，更加真實地模擬了集群對抗訓練；實現了激光信號的檢測、整形、以及結果的顯示。實際應用表明此系統可以用于作戰模擬演習，能逼真的演示大規模作戰的戰術效果，進行無彈藥無污染的軍事訓練，具有一定的實際應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計［J］.激光技術，2001（1）：32-34.

［2］趙舒迪，徐熙平，王維.基于ARM嵌入式技術和模糊控制的光學調制系統設計［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2010，33（3）：40-43.

［3］劉建，秦會斌.激光打靶系統的設計［J］.傳感技術學報，2003，12（4）：513-516.

［4］童詩白.模擬電子技術基礎（第四版）［M］.高等教育出版社，2007.

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