CN104991084A - 一种高速弹丸测速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速弹丸测速装置，包含弹丸捕捉器、光纤、设备盒，其特证在于所述光纤一端连接在设备盒上，别一端连接在弹丸捕捉器的二个探测口上；设备盒内部包含有激光器、光电检测模块、单片机主控模块、计数模块、脉冲发生模块、显示模块；激光器通过光纤向弹丸捕捉器发射光源；光电检测模块根据弹丸经过二个探测口时的光通量变化，转换为电信号，作为计数模块的外部中断源；脉冲发生模块用于产生高频脉冲；计数模块对用于对脉冲进行计数，并向单片机主控模块输出高频脉冲计数；所述单片机主控模块用于与根据计数模块提供的二个高频脉冲计数完成速度计算，以及与显示模块通讯完成显示功能。本发明能够测量各种口径炮弹的速度，且精度较高。

Description

一种高速弹丸测速装置

技术领域

本发明属于分析及测量控制技术领域，特别涉及一种高速弹丸的测速装置。

背景技术

由于现代飞机的速度快，噪音更低，发动机更大，因此发生与飞鸟相撞的可能性日益增大。那么在飞机设计过程中考虑鸟撞因素，提高飞机的抗撞击能力，就显得至关重要。因此，在飞机设计中有专门的鸟撞实验。鸟撞实验的目的一般有两个：一是确定破损时飞机的临界速度；二是测量撞击过程中有关应变、位移、撞击力等数据，供设计及生产使用。高速撞击实验中，速度是一个重要参数，因此在地面超高速撞击模拟实验中必须准确测得实验弹丸的速度。

要说明的是：对速度超过1km·s-1的高速弹丸，以往基于光线遮断的光电法已不能满足需求，原因是光电管电流时间曲线下降沿时间约为几个ms量级，因此，基于光线遮断的测速方法只适合于几十到几百米每秒的速度范围。对速度超过1km·s-1的小尺寸弹丸(直径小于10mm)，需要利用反射光来触发光电管，其电流时间曲线的上升沿约为5ns。因此，设计了一种速度大于1km·s-1的弹速测量系统。

发明内容

针对现有技术中缺乏对速度大于1km·s-1的小尺寸弹丸的测速装置，本发明的发明目的在于提供一种高速弹丸测速装置，采用发射光触发GT101光电管，能够对小尺寸且速度大于km·s-1的弹丸速度准确测量。

一种高速弹丸测速装置，包含弹丸捕捉器、光纤、设备盒，所述光纤一端连接在设备盒上，别一端连接在弹丸捕捉器的二个探测口上；

所述设备盒内部包含有激光器、光电检测模块、单片机主控模块、计数模块、脉冲发生模块、电源模块和显示模块；

所述激光器通过光纤向弹丸捕捉器发射光源；

所述光电检测模块用于根据光纤采集到的弹丸经过二个探测口时的光通量变化，转换为电信号，作为计数模块的外部中断源；

所述脉冲发生模块用于产生高频脉冲；

计数模块对用于对脉冲发生模块产生的脉冲进行计数，并根据所述外部中断源向单片机主控模块输出高频脉冲计数；

所述单片机主控模块用于与根据计数模块提供的二个高频脉冲计数完成速度计算，以及与显示模块通讯完成显示功能。

优选地，所述弹丸捕捉器固定在炮口，所述弹丸捕捉器由一个弹丸出口通道组成，所述弹丸出口通道上设有二个探测口。

优选地，所述光纤为一路发射多路接收的铠装光纤。

优选地，所述光纤的一端采用SMA905接口连接到设备盒。

优选地，所述光电检测模块由比较器和放大电路组成；

所述放大电路主要包含光电二极管，所述光电二极管上接有用于调整放大倍数的电阻R1和电阻R2、用于改善光电二极管的频谱特性的偏置电压以及退偶电容C1和C2；

所述比较器采用所述光电二极管的反馈电压作同相输入，另一输入端加一个固定电压做参考电压。

优选地，所述计数模块采用DSP芯片，采用DSP片内事件捕获单元实现脉冲计数功能。

优选地，所述计数模块与单片机主控模块通过串行通信接口的SCI方式通讯。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)能够准确、方便有效的测量弹丸的出炮口速度。

2)采用非接触式测速技术，无需对靶网布线，减少工作人员劳动量。

3)采用光电检测技术，并设计了多芯铠装光缆和专用前置放大电路，在恶劣环境下，比如野外和存在爆炸冲击、烟雾等干扰因素具有抗干扰能力强，测量精度高等优越性。

4)本发明将脉冲发生器的频率提高到100MHz，速度的绝对误差可达±1.2m·s^-1；

5)选用激光器的输出功率稳定性，信号的波动小，确保每次发射弹丸都能够准确检测信号。

6)本发明提供的弹丸捕捉器(安装在炮口处)，该装置紧凑简单，无需采用防震措施，在捕捉器的定长两点间安装两个光纤探头，弹丸经过时只是切断光路，对弹丸的出口速度和弹丸的姿态不会产生影响。同时只要给测速电路持续供电，一次安装可支持连续多次测量，无需人工维护。

附图说明

图1为本发明高速弹丸测速装置的结构示意图。

图2为本发明中弹丸捕捉器的结构示意图。

图3为本发明设备盒中各模块的连接示意图。

图4为本发明中光电检测模块的结构示意图。

图5为本发明中单片机控制模块的结构示意图。

图6为本发明中脉冲发生模块的电路图。

图7为本发明中计时模块的流程示意图。

图8为本发明系统原理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1和图3所示，本发明一种基于DSP的高速弹丸测速装置，包含弹丸捕捉器、光纤、设备盒，所述光纤一端连接在设备盒上，别一端连接在弹丸捕捉器的二个探测口上。设备盒内部有光电检测模块、单片机控制模块、计数模块、脉冲发生模块、电源模块和显示模块。

下面对本发明的各个部件作详细说明。

(一)弹丸捕捉器

如图2所示，弹丸捕捉器由一个弹丸出口通道组成，弹丸出口通道上设有二个探测口。弹丸捕捉器固定在炮口，通过螺纹或法兰接口将光纤的一端安装到弹丸捕捉器的探测口中。弹丸捕捉器的作用是在不改变炮体机械结构基础上的给光线探头提供稳定的安装支撑，以防止开炮时震动对测速的影响。

(二)光纤

由于探头安装位置也要起到耐高压和密封效果，所以探测口的孔径非常小(直径4mm)，这样弹丸反射的光信号能够回到光纤中的非常少。考虑到光路本身的损耗，光电检测模块可能无法检测到信号。本发明优选了一种一路发射多路接收的铠装光纤，避免了分立光学元件复杂的调节和准直过程，且结构简单、成本低、体积小、易于调试。光纤中心为一路发射芯，环绕周围6路接收芯。为减少光路损耗，采用专用SMA905接口(接到设备盒的接口)。与其他光纤测速系统相比，本发明在接收端排列多根光纤回路以扩大接收孔径，其前置准直透镜既能获得良好的出射光束，又可以将反射回的光信号通过透镜会聚到后焦面的多根光纤中传送至光电检测模块。

(三)激光器

弹丸发射过程中，会伴随气体发光现象。所以本发明优选采用了波长为650nm的激光器，同时加装对应波长的滤光片可以滤除掉其他频段的杂光。

(四)光电检测模块

如图4所示，光电检测模块用于检测弹丸经过时的光通量变化，转换为电信号，作为计数模块的外部中断源，主要由放大电路、比较器电路组成。

放大电路主要采用光电二极管，由于激光器产生的光束经弹丸捕捉器内壁的光滑面漫反射，因此光电二极管一直受到反射光的照射，处于导通状态，经实验测试，光电二极管的反馈电压为200mV。当弹丸穿过光纤探头时，由于弹丸表面经过处理，反射芯的光通量变大，使得光电二极管的反馈电压突升(该光电二极管上升沿反应时间是ns级)到600mV。

在实际应用中，对于微弱的反射光产生的电信号，需要对光电信号进行放大处理，放大电路的放大倍数由R1和R2决定，大小为(R1+R2)/R2，放大倍数不宜过高，否则对运算放大器的增益带宽的影响，一般低于20倍。本发明设为可调，R1为滑阻，大小为150K，R2大小为10K。对于光电二极管，弹丸的速度较高，通过探头时光通量变化持续时间极短，所以光电二极管响应时间是测速电路首要考虑的问题。在实验时可以通过给二极管加反偏电压来提高其响应速度，原因是反偏电压使得二极管的结电容变小，响应速度增快，本设计采用15V的偏置电压改善光电二极管的频谱特性，防止电源受到干扰，特地设计了退偶电容C1和C2，

比较器电器采用光电二极管的反馈电压作同相输入，另一输入端加一个固定电压做参考电压，触发前u_in电压显示0.2V，触发后显示0.6V，将参考电压u_ref调至0.4V。当u_in小于u_ref时，也就是子弹未到达探头，输出导通，v_out输出为0V低电平；u_in大于u_ref时，输出截止相当于开路，v_out输出为5V高电平。两端电压相差10mv以上就能使得该芯片的输出状态发生变化，本发明是检测微弱电压变化，所以选用LM339芯片是很合适的。光电二极管检测弹丸通过时光通量的变化，比较器的作用是根据二极管反馈电压给捕获单元开始计数信号。

为了避免系统受到外部噪声的干扰，光电测检模块应和设备盒有效接地，减少电磁干扰。

(五)单片机控制模块

以AT89S51单片机为控制核心，来完成与计数模块的通信，和显示计数模块发来的脉冲个数以及对脉冲发生模块频率控制字的写入控制。

半导体技术发展的同时，数字信号处理器(DSP)的应用越来越普遍。相比于微控制器(MCU)，DSP无论在运算速度和精度方面都有着极大的优势，为此在一些高速和复杂信号处理的情况下，DSP非常实用。但是系统同时存在慢速设备比如串口通信，数据显示等，DSP会加入大量的延时周期，降低系统性能。所以选用MCU和DSP合作的方式，DSP负责高频脉冲计数，MCU负责数据写入，显示和通信。

该测速系统中单片机起到重要作用，如附图5所示，通过改写DDS芯片AD9851的频率控制字(由P1端口写入)，调节脉冲信号的输出频率，与DSP通信，得到计数脉冲个数。显示检测到的脉冲个数，然后根据距离时间关系计算弹丸速度并显示。单片机控制模块由脉冲发生器模块和单片机主控模块组成，脉冲发生器提供10MHz频率的脉冲，主控模块完成速度计算、与DSP通讯和显示功能。

(六)计数模块

基于DSP2812，采用其片内外设事件管理器捕获功能，对外部输入稳定的高频脉冲计数。

本发明计数功能以芯片TM320F2812为主处理器，通信有串行和并行两种方式，串行通信方式为SCI和外设接口SPI，并行通信方式为HPI。并行电路设计复杂且成本较高，本文选择容易实现且电路设计简单的串行通信方式。考虑到单片机大多使用异步串行通信方式，且软硬件两方面实现都较为简便，故选用串行通信接口的SCI方式。可采用单片机的RXD和TXD与TM320F2812的SCITXD和SCIRXD相连，计数功能主要由DSP片内事件捕获单元完成。

区截时间的计量方式是弹丸经过第一探测器时比较器输出高电平，接入DSP外部中断引脚，第一次捕获并记录数据，当弹丸经过第二个探头时另一路比较器输出高电平，第二次捕获同样记录数据。

F2812是TI公司新型DSP芯片，150MHz主频，中断响应与处理能力突出。其片内外设事件管理器有两个模块(EVA和EVB)，每个模块有2个定时器、3个捕捉单元。本发明应用到EVA的捕捉单元。如图7所示，计数的流程如下：

1.初始化CAP(捕获单元)模块，将CAP中断的触发方式设置为上升沿有效。CAP模块捕捉单元接入是AD9851产生的方波。然后定义一个16位无符号全局变量的计数器temp。

2.配置两个外部中断，首先是在硬件上要将中断信号引到DSP2812外部引脚上，2812处理器只有XINT1、XINT2和XNMI这三个外部中断可以使用，同时它们也都是专门的信号引脚。其次通过软件配置，通过XINT1CR和XINT2CR将GBIO0和GBIO1口都设置为上升沿触发。编写中断服务程序并将入口地址赋给中断向量表。弹丸经过第一个探头时设置为外部中断1，经过第二个探头时设置为外部中断2。第一个的中断优先级要高于第二个中断的优先级。同时两个外部中断的优先级也要都高于CAP中断优先级。

3.在CAP中断服务程序里面用计数器来计外部方波脉冲的上升沿个数。每次进入中断计数器都加一。

4.在外部中断服务程序中，分别读取一次计数器值，最后进入数据处理程序。也就是说当XINT1到来时，在XINT1中断服务程序中读一次CAP计数器的值，记为cap_previous，当XINT2到来时，到XINT2的中断服务程序中再读一次CAP的值，记为cap_current。正常情况下，计数个数temp＝cap_current-cap_previous，如果第二次捕捉的计数值小于第一次捕捉的计数值的时候，计数溢出,则temp＝0xffff-cap_previous+cap_current。这是因为计数器不断加一操作，在一次计数过程中可能会大于0xffff，所以需将其清0。计算出计数值temp，在脉冲频率为10MHz的情况下，根据关系式t＝(temp*(1/10))μs计算出时间。计数流程图见附图7。

(七)脉冲发生模块

本发明使用一种基于单片机AT89S51脉冲发生器的设计方法，该系统区截时间的测量是μs级，由于单片机产生的脉冲频率较低，不能够满足本文要求，所以脉冲发生模块采用美国AD公司DDS芯片AD9851。

图4中单片机引脚P1.0～P1.7与AD9851的D0～D7相连，作为AD9851的并行控制字输入端口，P2.2、P2.1分别对AD9851的W_CLK和Fq_UD口控制。并行装载是通过8位数据总线D0～D7完成40位(W0～W4)控制数据的输入，Reset有效使输入数据地址指针指向第一个寄存器，每一个W_CLK上升沿写入一组8位数据，5个连续W_CLK上升沿后，完成全部40位控制字的输入。此时控制Fq_UD为上升沿，当上升沿到来之时40位数据会从输入寄存器写入频率和相位控制寄存器，更新DDS的输出频率和相位。

图6为脉冲发生器AD9851的电路图，电路说明：J1-J2为数据总线和控制线的引出端口，D0～D7和单片机P1口连接。U2为有源晶振，为能充分利用AD9851的高时钟频率特性，晶振选用30.0000MHz。R2为AD9851内部DAC的参考电阻。R7为正弦波幅度调节，系统设计的可调节范围为200mv～3.5V。电感L1，L2，L3与周边的电容构成7阶椭圆低通滤波器，通过70MHz低通滤波，波形的信噪比更好。输入电阻R9/R10都为200Ω，使输出频谱更干净。J3为脉冲输出引出端口，RF_OUT为正弦波输出，VOUT_P和VOUT_N为两路方波输出。R1为10K的电位器，可以调节方波的占空比，本发明中一般将占空比调节到1:2。脉冲发生模块中各器件的连接关系如图6所示。

(八)显示模块。

为了显示字符信息，采用普遍使用的具有背景光电源的字符液晶LCD1602。

如图8所示，测试时，将弹丸捕捉器固定在炮口，一般以螺纹或法兰接口，将光纤螺纹口一端安装到弹丸捕捉器的探测口中，光纤的另一端分为光源入射芯和反射芯，将入射芯连接上激光笔，反射芯连接到设备盒上。给设备供电，可观察无弹丸经过时背景光反馈电压大小，经放大后约0.2V。在弹丸捕捉器中，置入一枚弹丸，经放大后约0.6V。调整灵敏度调节旋钮，设定参考电压为0.4V。

在弹丸未来之前CAP中断服务程序一直在对外部脉冲计数，当外部中断XINT1到来后，因为XINT1的优先级高于CAP中断，所以会进入XINT1中断服务程序读一次值，在XINT2到来前CAP捕获单元计数模块一直计外部脉冲的数目。由于外部中断XINT2优先级高于CAP中断，所以，当第二次外部XINT2中断到来时，再进XINT2服务程序读第二次值。根据计数差值和外部脉冲的频率算出时间，从而根据弹丸捕捉器上两探头间距离算的速度。最后，通过LCD1602显示记录脉冲个数和弹丸速度。本发明误差主要来源探头距离测量和区截时间的计量，通过提高外部脉冲的频率可以有效减少区截时间计量误差。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种高速弹丸测速装置，包含弹丸捕捉器、光纤、设备盒，其特证在于所述光纤一端连接在设备盒上，别一端连接在弹丸捕捉器的二个探测口上；

所述设备盒内部包含有激光器、光电检测模块、单片机主控模块、计数模块、脉冲发生模块、电源模块和显示模块；

所述激光器通过光纤向弹丸捕捉器发射光源；

所述光电检测模块用于根据光纤采集到的弹丸经过二个探测口时的光通量变化，转换为电信号，作为计数模块的外部中断源；

所述脉冲发生模块用于产生高频脉冲；

计数模块对用于对脉冲发生模块产生的脉冲进行计数，并根据所述外部中断源向单片机主控模块输出高频脉冲计数；

所述单片机主控模块用于与根据计数模块提供的二个高频脉冲计数完成速度计算，以及与显示模块通讯完成显示功能。

2.根据权利要求1所述的高速弹丸测速装置，其特征在于所述弹丸捕捉器固定在炮口，所述弹丸捕捉器由一个弹丸出口通道组成，所述弹丸出口通道上设有二个探测口。

3.根据权利要求1所述的高速弹丸测速装置，其特征在于所述光纤为一路发射多路接收的铠装光纤。

4.根据权利要求1或3所述的高速弹丸测速装置，其特征在于所述光纤的一端采用SMA905接口连接到设备盒。

5.根据权利要求1所述的高速弹丸测速装置，其特征在于所述光电检测模块由比较器和放大电路组成；

所述放大电路主要包含光电二极管，所述光电二极管上接有用于调整放大倍数的电阻R1和电阻R2、用于改善光电二极管的频谱特性的偏置电压以及退偶电容C1和C2；

所述比较器采用所述光电二极管的反馈电压作同相输入，另一输入端加一个固定电压做参考电压。

6.根据权利要求1所述的高速弹丸测速装置，其特征在于所述计数模块采用DSP芯片，采用DSP片内事件捕获单元实现脉冲计数功能。

7.根据权利要求1或6所述的高速弹丸测速装置，其特征在于所述计数模块与单片机主控模块通过串行通信接口的SCI方式通讯。