一种非接触式弹丸速度测量系统设计

姜 飞,王 浩

（1．宿州学院 智能信息处理实验室，安徽 宿州 234000；2．宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000；3.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

一种非接触式弹丸速度测量系统设计

姜 飞1,2,王 浩3

（1．宿州学院 智能信息处理实验室，安徽 宿州 234000；2．宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000；3.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

设计了一种速度大于1km/s的高速弹丸测速装置.用光纤将入射光导入至弹丸表面，将其反射光导出至光电二极管（GT101），利用光电转换后的信号触发STC12C5A60S2单片机计时器两路外部中断实现计时，根据两测量点间距和弹丸飞行的时间差，可计算弹丸速度值.利用单片机控制LCD显示速度值并作为下位机与上位机进行串行通信.将软硬件系统经集成为光电测速装置，并用于二级轻气炮的高速弹丸速度测量.结果表明：该测速装置具有简单可靠，可满足二级轻气炮宽范围速度测量的要求.

弹丸速度；单片机；串行通信

轻气炮是一种利用较轻的气体(氢或氦)作工质推进弹丸的武器，而弹丸速度就是其性能参数之一.目前常用的测量技术主要分为接触式和非接触式两类.接触式速度测量方法（如打靶法和断线法）都是通过与弹片接触测得数据，直接干扰弹丸运行方向和速度，也不能作为连发测试.非接触式速度测量方法中：电磁法通过弹丸运动对电磁场产生变化测得数据，易受测量环境周围电磁场的干扰，要求较高；多普勒法通过激光测量弹丸运动速度，主要针对超高速弹丸速度测量，通过获取信号频差（频移）来实现计算，相关的设备安装校准比较麻烦.在非接触式测量方法中应用最为普遍的就是光电法，该方法不改变弹丸运行轨迹，设备安装较为简单，可以也适用较恶劣环境的弹丸速度测量.由于光电管性能指标中时间曲线下降沿时间约为几个ms数量级在轻气炮实验中，基于光线遮断测速原理不能实现测量速度为1km/s以上的飞行弹丸.针对直径小于10mm的小尺寸弹丸速度超过1km/s，测量方式为利用反射光触发光电管，一般采用的二极管型号为GT101光电二极管.本弹丸速度测量系统设计针对在电磁干扰较大的复杂外部环境，运行速度大于1km/s、不超过5km/s的弹丸速度测量.

1 总体方案设计

基本测试环境如图1所示，在弹丸发射管上设置两个测试点，分别在两个测试点插入两根外径3mm光纤，标识为光纤1、2、3、4.光纤3和光纤4为一组与光线1、光线2一组的作用相同.光纤2功能是光的射入信号通道，把入射光投射到弹丸发射管内，根据反射原理，当弹丸经过对应测点时，弹丸表面对入射光进行漫反射，光纤1负责采集，发送信号到光电转换单元.通过高频响应数字示波器获取到两组测点光信号强度时间曲线，在通过光信号时间差和两测点间距，从而计算得到弹丸在发射管内的平均速度.为了提高信号强度，本设计在弹丸表面进行电镀处理，提高漫反射光信号的强度，增加系统准确性.

图1 弹丸发射管测点和光纤布置示意图

上述方案获取的光纤1和光纤4光信号采集进行光电转换模块处理，通过运放单元模块、数据计算处理模块，最后显示或输出弹丸速度值.为了保存和优化等处理，设计中采用RS232标准串口通信技术，上位机数据采集处理软件保存等操作.弹丸测速系统组成原理示意图如图2所示.

2 硬件设计

2.1 光电转换单元

系统设计目的是测量高速弹丸（>1km/s），这就要求光电转换单元的响应速率要快.另一个元器件性能指标是较高的灵敏度.选择了GT101作为光电转换器件作为核心转换元器件.单元电路如图3所示，根据单片机端口及其参数要求，选择下拉电阻阻抗值是51K.

图2 高速弹丸测速系统原理示意图

图3 光电转换单元电路图

2.2 放大电路单元

采集到的基本信号经过光电单元转换后，需要进行适当放大和电平转换.系统设计中为了解决环境热噪声和干扰数据，设计了调零电路，使的输出信号初始化.系统采用二级放大方式，其中一级13倍的放大倍数、二级可调倍数.图4给出了一级放大电路图.对无输入状态通过调节电位器RV1使一级放大单元输出端?T1输出值为零，进行校准.二级放大倍数默认设定为152倍，通过调节电位器RV4可以调整放大倍数，以适用不同弹丸不同反射环境，从?P1端口输出的信号为CMOS信号直接提供给单片机或示波器使用，也可以直接进行模数转换.

2.3 单片机和外围电路

图6给出了CMOS信号转换成TTL电平的单片机核心与接口示意图.为了系统运行状态与结果的查看，给单片机添加了外围显示模块（LCD1602）.为了数据保存与处理需求，配备了串口通信模块.有了串口通信模块，上位机就可以获得数据，为下一步处理做好准备.

图4 一级放大单元电路图

图5 二级放大单元电路图

图6 单片机核心与接口示意图

3 软件设计

本系统设计包括单片机控制程序设计和上位机处理软件设计两部分.其中单片机控制程序主要是硬件获取信号后，需要进行预处理，排除干扰信号，完成基本运算.

3.1 单片机控制程序

控制程序是针对STC12系列单片机编写的.实际测量电信号时间历程曲线如图7所示.根据经验，干扰信号和测量有效信号的持续时间不同，通常小于15μs可以认定为干扰信号.30μs以上数据看作有效数据.例如图7中信号1描述曲线中的箭头所指位置认定为短时干扰光产生的信号，经过一个震荡后，第二个较宽的稍显稳定的波峰为弹丸经过测量点所产生的信号.第二个较宽波峰开始后，延时超过15μs，如果外部信号持续低电平，认定为有效信号，此时触发单片机计时，并计入前15μs.否则，认定信号为干扰信号.具体测速程序编写结构流程见图8.

图7 弹丸对应的光信号电压时间曲线

图8 弹丸测速程序流程图

3.2 上位机处理软件设计

上位机处理软件编写环境采用VisualBasic 6.0编写，利用comm_control控件实现单片机与计算机之间串口通信.软件设计界面中增加系统通信设置界面可以选择通信端口，修改通信速度参数，以增加软件通信灵活性.利用串口线可进行远距离数据采集和存储大量实验数据.上位机处理软件运行主界面示例图如图9所示.为了提高稳定性和实用性，上位机和下位机间的通信参数和工作模式通过一个命令字来传递.

4 实验结果及分析

用2路标准光信号模拟实际弹丸表面的漫反射光，实验验证此系统的可靠性及响应特性.示波器检测实际光信号上升沿约为1us，具体验证参数：设定该2路光信号时间差为400us时，通过本测速采集系统运行处理后显示时间为401.6us，误差为0.4%；设定光信号时间差为200us时，采集系统运行处理后显示时间为201.4us，误差为0.7%.有上述数据可见，本系统的响应度和测量精度都完全能满足高速弹丸速度测量的要求.

图9 上位机软件界面示例

5 结束语

本弹丸速度测量系统设计了一种速度大于1km/s的高速弹丸测速装置，较为系统的实现了高速弹丸速度非接触式测量问题.并从软硬件设计方面避免了环境强电磁的影响，有效的去除了干扰光的数据，适合高速飞行物体速度现场即时数据测量.

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TP273

A

1673-260X（2014）12-0052-03

安徽高校省级自然科学研究项目重大项目（KJ2014ZD31）；安徽高校省级自然科学研究项目重大项目（KJ2014A247）