基于单片机的数字动态靶标控制器的设计与实现

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                    　　摘? 要： 介绍一种数字动态靶标控制器的设计方法。重点说明了该控制器的硬件组成、工作原理和软件算法。结果表明该设计实现了动态靶标的多种工作模式，扩展了动态靶标的应用范围，使其不仅可以用于设备检测，同时又可用于设备训练。
　　靶标是一种在室内检测光电跟踪测量设备的装置，分为动态靶标和静态靶标。一般情况下，静态靶标用于检测设备的测量精度，动态靶标用于检测设备的跟踪性能。结合靶场试验和操作手训练任务需求，自行研制的数字动态靶标不仅可用于光电跟踪测量设备的标校和检测，还可用于操作手的实物训练。
　　数字动态靶标由靶标架和靶标控制器组成，靶标架由靶标支架、靶标（平行光管、灯源、星点板、反射镜）和执行机构（直流电机、测速电机）组成；靶标控制器用于控制靶标按照预先设定的工作模式运动。靶标光源穿过星点板经平行光管后形成平行光，再经平面镜反射至经纬仪镜头，产生光电跟踪测量设备可成像的无穷远光斑，即模拟一个空间运动目标，供光电跟踪测量设备如光电经纬仪、红外跟踪测量系统、电视跟踪测量系统进行跟踪和性能检测。
　　1 系统的硬件设计
　　数字动态靶标控制器以单片机为核心，其硬件原理如图1所示。该系统主要由驱动电路、信号调理电路、灯源亮度控制电路、报警电路、显示电路、时钟电路以及各种接口电路等组成。



　　单片机除了要计算控制量、控制靶标按设定模式转动外，还要扫描键盘、显示系统状态并与时统终端或者计算机通信。为了满足设计要求，本系统选择了16位单片机80C196KB。相比于8位单片机，80C196 KB具有更高的计算性能，同时又具有更丰富的软硬件资源，例如A/D转换器、脉宽调制器PWM和高速输出器HSO等。为了实现自定义工作模式，系统中还设计了时钟电路（采用芯片DS12C887），可以预先设定不同模式的训练时间，从而可以模拟出具有复杂运动特性的点目标。为了进一步完善动态靶标的功能，系统中还设计了RS-232和RS-485串行接口，用于与计算机或者B码终端设备的通信。
　　1.1 驱动电路
　　主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。
　　为了减少外围电路、充分利用单片机资源，采用单片机内部的脉宽调制器直接输出驱动信号（PWM），靶标转动方向信号（DIR）由单片机的I/O脚输出。为了驱动功率级，首先应对TTL电平的PWM信号和DIR信号进行预处理，电路如图2所示。



　　光电耦合器U1、U2用于消除地环路引起的共阻抗耦合干扰，实现不同电压信号的隔离，抑制干扰传递。PWM信号经过光电耦合隔离后直接进入U4的数据输入端，U4输出信号经过缓冲后即形成H桥式驱动电路（如图3所示）的控制信号HL、LR、HR和LL。当设定转向为“正转”时，电流由电机的S2端流入S1端，电机正转；当设定转向为“反转”时，HR、LL信号有效，使管Q3、Q6和Q2、Q7导通，电流由电机的S1端流入S2端，电机反转。



　　脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
　　模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。
　　1.2 信号调理电路
　　信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等…但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
　　信号调理将您的数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过帮助您直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。
　　信号调理将您的数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过帮助您直接连接到广泛的传感器和信号类型（从热电偶到高电压信号）来实现的。关键的信号调理技术可以将数据采集系统的总体性能和精度提高10倍。
　　直流测速发电机是一种模拟测速装置，可将轴转速信号变换为直流电压输出。由电磁理论可以推导直流测速发电机的感应电动势E与转速n的关系为：
　　式中：C为与发电机结构有关的常数；Φ为磁通。
　　测速发电机工作时要接负载电阻，负载电阻R的端电压U即为得到的输出电压，该端电压等于感应电动势减去在它的内阻r（发电机绕组回路电阻）上的压降，即：




　　构成分压器，R5和C9组成滤波环节，U11、U12分别为同相和反相放大器，D1、D2、D3和D4起保护作用。调整W3的位置，使测速发电机在最大转速时ACH0或ACH1（分别对应正转和反转）为+5 V，同时调整放大器参数，以保证信号的线性。



　　1.3保护电路
　　一个保护电路可以是多级的，一个保护器可以由火花间隙，压敏电阻和半导体组成。在级与级之间有时需用退耦元件以达到能量匹配。
　　为了防止电流过大烧毁电机，设计了如图5所示的保护电路，其中R22、R23和R24分压形成比较电平，U6为比较器，U3为带清零和置1端的D触发器，A点、C点分别和图2中的A点、C点相连，B点和图3中的B点相连。在图3中，R20为取样电阻，流经电机绕组的电流越大，则B点电压（VB）越大。当VB大于比较电平时，U6输出为低电平，经U5倒相后对U3置1，U3的12脚变为低电平，把图2中的A点拉为低电平，则LL、LR同时变为高电平，即在图3中同时关断Q2、Q7和Q4、Q8，流经电机绕组的电流变为零，电机停止转动，起到保护电机的作用。



　　1.4 灯源亮度控制电路
　　为了模拟目标动态的明暗强弱变化，设计了灯源亮度控制电路，如图6所示。利用单片机高速输出器HSO来产生脉宽调制输出PWML，经光电耦合器U7后控制场效应管U8的导通时间，从而实现对灯源亮度的控制。灯源亮度变化在经纬仪成像时即表现为目标的明暗强弱变化。



　　2 系统的软件设计
　　系统软件除了要完成对硬件的初始化之外，还要完成对硬件电路的实时控制，对数据进行输入输出操作和数值的分析、处理。软件采用MCS96汇编语言编写，采用模块化结构设计，各个功能子模块独立，调试方便，并容易根据需要扩展。软件具有计时、键盘扫描处理、显示、速度采样、报警等功能，图7为系统主程序示意图。



　　2.1 PID控制器
　　PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
　　PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。
　　PID控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性；同时，因为PID控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统，从而使得PID控制成为工业过程控制中应用最为广泛的一种形式。离散的PID表达式如下：




　　由上式可以看出，如果单片机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP、I、D，只要使用前后3次测量值的偏差，就可以由（6）式递推求出控制量。
　　本系统中，为了消除积分饱和带来的不利影响，采用了遇限削弱积分法。具体过程是：计算uk前，先判断前一次的控制量uk-1是否超出了极限范围，这时再根据偏差的正负，来判断控制量是使系统加大超调还是减小超调。如果是减小超调，则保留积分项；否则取消积分项，程序框图如图8所示。



　　2.2 PWM波形的生成
　　变频器原理中有：变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
　　将PID控制器的输出量变换成具有一定占空比的PWM控制电压，即可控制电机转动。在8096系统中，可以采用两种方法来提供模拟量输出：一种是通过HSO提供。另一种是通过内部脉宽调制器提供，PWM控制电压由第二种方法产生，程序如下：
　　LDB IOC1,#25H；? //选择P2.5脚作为PWM信号输出；
　　LDB IOC2,#00H；?? //设置PWM重复周期为256个状态周期（12MHz晶振时为42.75 μs）；
　　LDB PWM_CONTROL,Uk；? //将控制量Uk写入PWM寄存器即可输出PWM控制电压。
　　由上述分析可见：通过设置靶标的转动速度和加速度，包括匀速运动、匀加速运动、匀减速运动和自定义等模式，用于训练操作手的目标捕获能力。同时，结合特定试验条件设定训练参数，可以仿真不同站址经纬仪的工作情况，为经纬仪试前布站选址提供依据。
　　当数字动态靶标作为高精度测量靶标使用时，需要准确地确定在任意时刻靶标的空间角度，即必须保证靶标的旋转精度，同时要消除旋转靶标轴系跳动的影响。因此，需要加上位置反馈环节（如高精度编码器），同时，还要进一步改进、完善靶标的轴系和机械性能，数字动态靶标才可能用于光电跟踪测量设备的精度测量，从而提高我部光测设备的标校和检测能力，使我部在设备应用的基础上，在设备的维修、维护和检测方向迈出重要一步。