激光發射接收裝置控制系統設計

尤 棟，王 喆，張 敏，王晉安

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

激光發射接收裝置是某火炮系統的一個重要組成部分，該裝置與光學系統共同作用，可以完成對海上目標、陸上目標及低空飛行目標的測距。

激光發射接收裝置安裝于露天平臺上，工作現場和工作環境惡劣。原控制系統由分立電子元器件組成，線路復雜，故障率高，故障定位困難，嚴重影響了裝置的正常使用?；诖耍P者通過借鑒和吸收原控制系統的設計思想，設計了一種新型的控制系統，采用控制電路與PC/104總線工控機[1-3]相結合，實現對激光發射接收裝置的控制和與火炮系統的信號匹配。其功能與原系統保持一致，但線路簡單，可靠性高，性能指標不低于原系統。

1 組成及控制原理

1.1 組成及功能

激光發射接收裝置控制系統由激光電源模塊、環境保護蓋控制電路、控制裝置和主箱體等組成，其中控制裝置包括PC/104總線工控機和OCL互補功率放大電路。如圖1所示。

1.2 控制原理

激光發射接收裝置控制系統的控制原理框圖如圖2所示。

主要完成以下控制功能：

1)工控機的初始化及自檢。激光發射接收裝置啟動后，完成系統自檢，經由串口1發送自檢信息給主炮系統。

2)環境保護蓋打開。自檢完成后，通過操控面板發送“開蓋”信號給環境保護蓋控制電路，環境保護蓋打開；開蓋置位后，激光電源模塊工作，啟動激光器。

3)激光器觸發。激光器啟動后，工控機通過I/O口輸出TTL脈沖觸發信號，用以觸發激光器；測距完成后，激光器將距離信息經串口2傳送給工控機；當進行連續測距時，激光器以2 Hz進行觸發。

4)碼型轉換及數據傳輸。根據激光測距通訊協議，工控機將十六進制距離信息轉換成雙階雙極性不歸零碼；根據主炮系統通訊協議，工控機將包含距離信息的20位雙階雙極性不歸零碼由串口1輸出，經OCL互補功率放大電路，發送給主炮系統。

5)自保護功能。 發出“開蓋”信號3.5 s后，工控機如未讀到“開蓋置位”信號，則斷開環境保護蓋控制電路電源；激光器啟動90 s后，如未收到“激光觸發”信號，激光器電源自動斷電，關閉環境保護蓋。

2 控制系統的設計

激光發射接收裝置控制系統采用時序控制方式，由軟件和硬件兩部分共同配合完成。其中軟件部分通過PC/104總線工控機來實現，CPU板為LX-3160，信號調理板為OEM-XA-001，系統為DOS 7.1，編程環境為BC31；硬件部分由工控機(含CPU板與信號調理板)、環境保護蓋控制電路和OCL互補功率放大電路三部分組成。

2.1 控制系統工作流程圖

激光發射接收裝置控制系統工作流程如圖3所示。結合圖3，對控制系統的工作流程進行具體分析：

1)控制系統加電后，首先進行計時器、I/O口等的初始化設置。

2)初始化完成后，系統自檢，發出距離信息為1 500的20位雙階雙極性不歸零自檢碼。

3)自檢通過后，主程序以10 ms的周期反復讀I/O口，直到讀到“開蓋”指令。

4)工控機給出“開蓋”指令后，環境保護蓋打開，同時開始計時，如3.5 s內，讀到“開蓋置位”信號，則發送“激光電源控制”指令到激光電源模塊，啟動激光器；如3.5 s內未讀到“開蓋置位”信號，則關閉環境保護蓋，退出程序。

5)激光器啟動后，處于待機狀態，如90 s內讀到“激光觸發”信號，激光器進行觸發測距，激光器將測得的十六進制距離信息經串口2發送給工控機，經解算，工控機將收到的距離信息轉換為20位雙階雙極性不歸零碼。如90 s內未讀到“激光觸發”信號，則斷開激光電源模塊，關閉環境保護蓋，退出程序。

6)工控機經串口1發送20位雙階雙極性不歸零碼至OCL互補功率放大電路；然后等待下一次“激光觸發”，如90 s內讀到該信號，執行激光觸發，直到執行完第120次激光觸發后，斷開激光電源模塊，關閉環境保護蓋，退出程序。

2.2 雙階雙極性不歸零碼轉換

工控機與激光器之間采用RS422通訊協議，波特率為9 600 bit/s，激光器將距離信息發送給工控機。根據協議格式，工控機將十六進制距離信息解算為二進制碼[4]，然后將二進制碼轉換為雙階雙極性不歸零碼[5-6]。雙階雙極性不歸零碼幅值為4～5 V、單脈沖寬度為2 μs，由正脈沖到負脈沖表示數字量“1”，由負脈沖到正脈沖表示數字量“0”，碼型數字量表示如圖4所示。

根據主炮系統通訊協議，激光發射接收裝置發送給主炮系統的距離信息為20位雙階雙極性不歸零碼，20位碼定義如表1所示。

表1 20位雙階雙極性不歸零碼

起始位用數字量“1”表示，狀態標志位用數字量“0”表示，如果有溢出，則用數字量“1”表示，校驗位為偶校驗，即當距離信息中數字量“1”的個數為偶數，校驗位用“0”表示，當數字量“1”的個數為奇數，校驗位用“1”表示。

2.3 環境保護蓋控制電路設計

環境保護蓋控制電路由開蓋電路、關蓋電路、自保護電路三部分組成，其控制電路原理圖如圖5所示。

當環境保護蓋處于初態時，行程開關S1常開觸點閉合，行程開關S2常開觸點斷開，工控機輸出開蓋指令，三極管VT1的開關電路接通，繼電器K1通電動作，電機順時針方向旋轉，環境保護蓋打開，當行至水平位置時，行程開關S2動作，常開觸點閉合，電機電源被切斷，停止工作，與此同時輸出開蓋置位信號給工控機。

當工控機輸出關蓋指令，行程開關S1常閉觸點給電機供電，電壓的極性與開蓋時極性相反，電機逆時針方向旋轉，環境保護蓋關閉，當到達初態位置時，行程開關S1動作，常開觸點閉合，電機電源被切斷，停止工作。

在開蓋或關蓋的過程中，如果發生堵轉，電機瞬時電流增大，可控硅VS1導通，自保護電路接通，斷開電機電源，避免電機因發生堵轉而造成燒損。此外，在軟件設計上也對電機加以保護，當開蓋指令發出后，如果在3.5 s內工控機未收到開蓋置位信號，控制系統將自動切斷電機電源。

2.4 功率放大電路

在激光發射接收裝置向火炮系統傳送20位串行碼時，由于傳輸距離較遠，導致信息傳輸不可靠。基于此，在輸出端增加功率放大電路。根據雙階雙極性不歸零碼的特性，設計OCL互補功率放大電路[7]，如圖6所示。

在輸出端引入了信號隔離變壓器T1，以消除系統干擾對輸出的20位雙階雙極性不歸零碼的影響，A1為±5 V雙路輸出DC/DC電源模塊，單路輸出電流為2 A。

當輸入端電壓Ui>0且逐漸增大時，V1管基極電流也隨之增大，輸出端RL得到正方向電流；當Ui<0且逐漸減小時，V2管基極電流也隨之增大，輸出端RL上得到負方向電流。綜上，輸入信號在正半周主要是V1管發射極驅動負載，而負半周期主要是V2管發射極驅動負載。

功率放大電路最大不失真輸出電壓的有效值為

(1)

最大輸出功率為

(2)

平均輸出功率為

(3)

轉換效率為

(4)

3 試驗

將激光發射接收裝置與試驗工裝對接；通電后，控制系統進行自檢，自檢通過，向主炮系統發送值為1 500的20位雙階雙極性不歸零碼自檢信號，如圖7所示。

從圖7可見，20位雙階雙極性不歸零碼的第1位起始位“1”，第2位到第13位距離信息“010111011100”，第14位到第18位狀態標志位“00000”，第19位溢出位“0”，第20位偶校驗位“1”。計算距離信息所表示的距離值：

0101： 22+20

1101： 23+22+20

1100： 23+22

自檢距離值L0：

L0=(22+20)×162+(23+22+20)×16+(23+22)×160=1 500

將激光發射接收裝置瞄準遠處目標，實物目標標定為879 m，扳動“開蓋”開關，環境保護蓋打開；開蓋置位后，輸出開蓋置位信號，工裝上信號指示燈點亮，開蓋正常；接通激光器電源控制信號，激光器工作，按下“激光觸發”按鈕，進行激光測距，通過示波器讀取20位雙節雙極性不歸零碼，如圖8所示。

計算20位雙階雙極性不歸零碼，得到實測距離值L：

L=(21+20)×162+(22+21)×16+(23+22+21+20)×160=879

4 結束語

筆者在對原激光發射接收裝置控制原理分析的基礎上，設計了新型控制系統，給出了該系統的組成、工作原理、工作流程，具體分析了設計中的3個關鍵點，雙階雙極性不歸零碼轉換、環境保護蓋控制電路的設計和功率放大電路的設計。通過試驗，分析并得出了20位雙階雙極性不歸零碼與實測距離之間的算法。經試驗驗證和設備實裝工作，新型激光發射接收裝置控制系統工作穩定、可靠。