基于CPLD的電磁扳機(jī)控制儀

引言

靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域中槍械的擊發(fā)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的槍械擊發(fā)采用人工方式，即射擊人員聽(tīng)到射擊指令后手工扣動(dòng)槍械扳機(jī)進(jìn)行擊發(fā)，這種方式存在兩方面的問(wèn)題：其一，無(wú)法保證安全性。人員操作時(shí)有可能由于疲勞或者聽(tīng)錯(cuò)指令進(jìn)行了誤操作，則可能造成靶道內(nèi)人員安全事故，而在有些應(yīng)用場(chǎng)合，如防彈頭盔穿甲實(shí)驗(yàn)，射擊人員必須面對(duì)防彈頭盔進(jìn)行射擊，彈頭有可能反彈回來(lái)傷及射擊人員。上述兩種安全事故在國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)都曾發(fā)生過(guò)。其二，隨著靶場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，靶場(chǎng)測(cè)試所用的設(shè)備種類越來(lái)越多，精度也越來(lái)越高，因此，不同的測(cè)試設(shè)備如何保持一定的同步性顯得越來(lái)越重要。顯然，手工擊發(fā)槍械方式難以實(shí)現(xiàn)同步性要求。

基于以上考慮，有人提出了基于電磁效應(yīng)的控制方法，由鐵芯、線圈、銜鐵、簧片等組成，當(dāng)需要控制槍械擊發(fā)時(shí)，向線圈兩端加上一定電壓，線圈中便會(huì)流經(jīng)電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就在電磁力的作用下克服彈簧的拉力吸緊鐵芯，以帶動(dòng)扳機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要釋放扳機(jī)時(shí)，斷開(kāi)線圈兩端電壓，電磁力消失，銜鐵在彈簧拉力的作用下，恢復(fù)原位釋放扳機(jī)。多次試驗(yàn)后，證實(shí)該方法可行，但存在一定的弊端。如銜鐵位置的恢復(fù)依賴于彈簧的拉力，長(zhǎng)時(shí)間使用后彈簧會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，另一方面，線圈方式工作時(shí)，會(huì)有較大的沖擊電流，這會(huì)給電網(wǎng)及其他設(shè)備帶來(lái)干擾，甚至?xí)痍P(guān)鍵設(shè)備誤觸發(fā)。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機(jī)控制儀。

1電磁扳機(jī)控制儀總體構(gòu)成

為了保證電磁扳機(jī)控制儀安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)一定的邏輯互鎖機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用CPLD實(shí)現(xiàn)電路邏輯功能，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元。

電磁扳機(jī)控制儀總體構(gòu)成如圖1所示。

圖 1中，電磁扳機(jī)控制儀由CPLD邏輯控制器、RS232通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。其中，CPLD完成邏輯控制及串口通訊功能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收邏輯指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。應(yīng)用CPLD在線可編程技術(shù)及串口通信技術(shù)，設(shè)計(jì)的控制儀具有很高的現(xiàn)場(chǎng)可編程功能及組網(wǎng)功能，可與其他測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)整體測(cè)試系統(tǒng)的同步性、自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò)化。由于電磁扳機(jī)控制儀應(yīng)用在靶場(chǎng)環(huán)境，因此其使用的安全性是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，新設(shè)計(jì)的控制儀克服了舊儀器的諸多問(wèn)題，充分考慮了電磁兼容性，現(xiàn)場(chǎng)可操作性以及測(cè)試安全性等因素，從設(shè)計(jì)上最大程度的保證了使用的安全性。

槍械電磁扳機(jī)控制儀控制面板示意圖如圖2所示。

從消除干擾確保穩(wěn)定的角度出發(fā)，首先是在設(shè)計(jì)CPLD控制板時(shí)，在電源地之間加入了大量的濾波電容，在數(shù)據(jù)通道上加入光電隔離，控制信號(hào)的長(zhǎng)線輸出采用雙絞線輸出并且接口均采用軍品航空插頭，以避免在傳播路徑中引入干擾;在步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行單元，加入電磁屏蔽盒，消除電機(jī)動(dòng)作時(shí)帶來(lái)的電磁干擾。

從測(cè)試安全的角度出發(fā)，在控制面板上加入了解閉鎖開(kāi)關(guān)，確保了系統(tǒng)的總體控制;同時(shí)在“觸發(fā)”和“復(fù)位”按鍵的邏輯上加入互鎖功能，保證操作的正確性，從而消除誤操作現(xiàn)象。

2機(jī)械部分設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的扳機(jī)控制儀大多采用電磁原理設(shè)計(jì)，存在的主要弊端有：彈簧長(zhǎng)時(shí)間使用后容易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象;銜鐵在吸合過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的沖擊電流，影響電網(wǎng)穩(wěn)定，而且還會(huì)影響其他測(cè)試儀器的正常工作等。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)者利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來(lái)代替原有機(jī)構(gòu)，可以對(duì)扳機(jī)操作進(jìn)行精確控制。

機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

電磁扳機(jī)控制儀的機(jī)械部分主要由步進(jìn)電機(jī)、基座、轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)、扳機(jī)連桿、連線盒及電磁扳機(jī)屏蔽外殼構(gòu)成。其工作過(guò)程為：步進(jìn)電機(jī)接收驅(qū)動(dòng)器指令進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)扳機(jī)實(shí)現(xiàn)一次行程，完成擊發(fā)動(dòng)作。

圖4為電磁扳機(jī)行程方向及行程長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有扳機(jī)行程調(diào)節(jié)孔(圖中①、②、③、④，四個(gè)調(diào)節(jié)孔距轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)中心半徑逐漸縮小R1>R2>R3>R4)，扳機(jī)連桿的長(zhǎng)度也可以調(diào)整。通過(guò)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，可以調(diào)整扳機(jī)的行程距離。

步進(jìn)電機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接高壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)CPLD控制器產(chǎn)生邏輯控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)扳機(jī)的控制?？刂破髋c電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)長(zhǎng)絞線連接，測(cè)試儀與電機(jī)等干擾源距離較遠(yuǎn)且測(cè)試人員可以通過(guò)遠(yuǎn)距離控制槍械的擊發(fā)，既保證了控制系統(tǒng)不受電磁干擾，又確保了測(cè)試人員的安全。

3控制部分設(shè)計(jì)

3.1CPLD邏輯控制部分

電磁扳機(jī)控制儀采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行單元，CPLD作為主控制器實(shí)現(xiàn)邏輯控制和通信功能。邏輯控制部分實(shí)現(xiàn)按鍵的判讀、鎖存，觸發(fā)和復(fù)位的互鎖以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制功能。

控制儀由“解閉鎖開(kāi)關(guān)”作為儀器功能的總開(kāi)關(guān)，閉鎖時(shí)，儀器面板所有按鍵不工作;解鎖后，控制儀工作正常。電機(jī)動(dòng)作由“復(fù)位”和“觸發(fā)”按鍵配合工作，當(dāng)擊發(fā)允許時(shí)，按下“觸發(fā)”按鍵，槍械擊發(fā)并鎖存觸發(fā)鍵，若繼續(xù)按觸發(fā)鍵則儀器不觸發(fā);當(dāng)需要再次擊發(fā)時(shí)，必須按“復(fù)位”鍵后，解除觸發(fā)鎖存，然后按下觸發(fā)按鍵觸發(fā)儀器。通過(guò)“復(fù)位”和“觸發(fā)”按鍵的相互鎖存，來(lái)確?？刂苾x的安全觸發(fā)。圖5為CPLD電路邏輯功能仿真時(shí)序圖。

圖5中左邊Name欄定義管腳：clk為CPLD輸入時(shí)鐘1MHz;feng為系統(tǒng)工作時(shí)的分頻時(shí)鐘;green和red分別代表“觸發(fā)”、“復(fù)位”按鍵;out為邏輯輸出端;key為解閉鎖開(kāi)關(guān)。

控制儀邏輯功能見(jiàn)圖5。當(dāng)系統(tǒng)閉鎖時(shí)(key=0)，按鍵按下系統(tǒng)不工作(圖5中1);系統(tǒng)解鎖后(key=1)，按“觸發(fā)”鍵，系統(tǒng)輸出控制信號(hào);繼續(xù)按 “觸發(fā)”鍵，系統(tǒng)處于互鎖保護(hù)狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)觸發(fā)輸出(圖5中3);按“復(fù)位”鍵后，可以繼續(xù)觸發(fā)，系統(tǒng)能夠正常輸出(圖5中4);重復(fù)誤操作，繼續(xù)觸發(fā)，無(wú)輸出(圖5中5)。

圖5中g(shù)reen_lignt，red_light分別對(duì)應(yīng)觸發(fā)燈和復(fù)位燈。系統(tǒng)啟動(dòng)且未解鎖，觸發(fā)燈亮，復(fù)位燈滅，解鎖燈滅(圖5中2);系統(tǒng)解鎖觸發(fā)后，觸發(fā)燈滅，復(fù)位燈亮，表示系統(tǒng)已經(jīng)觸發(fā)，需通過(guò)復(fù)位解除保護(hù)可繼續(xù)觸發(fā)。復(fù)位后，觸發(fā)燈亮，復(fù)位燈滅，表示系統(tǒng)可以觸發(fā)。

3.2通訊接口部分

由于目前的靶場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)由許多測(cè)試儀器組成，并且在測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)的采集處理都要求有較高的實(shí)時(shí)性，要求電磁扳機(jī)控制儀能夠通過(guò)軟件觸發(fā)的方法來(lái)工作，而目前國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域中測(cè)試儀器大多留有串行RS232接口，設(shè)計(jì)者在控制電路的基礎(chǔ)上加入了串口通訊模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)。整個(gè)測(cè)試過(guò)程可以從槍械擊發(fā)到測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理都實(shí)現(xiàn)軟件控制，實(shí)時(shí)性有了很大的提高。

RS232采用負(fù)邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)，邏輯“1”為-3～-15V，邏輯“0”為+3～+15V，容限大、數(shù)據(jù)線少、抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

基于CPLD的RS232通訊接口設(shè)計(jì)，采用MAX232進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換，由于CPLD與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設(shè)采用串行方式，故需要在串行接口中加入串并轉(zhuǎn)換模塊。典型的串行接口模塊如圖6所示。

在數(shù)據(jù)輸入過(guò)程中，串行數(shù)據(jù)按位進(jìn)入模塊的“接收移位寄存器”，當(dāng)接收一個(gè)完整字符后，數(shù)據(jù)從“接收移位寄存器”送入“數(shù)據(jù)輸入寄存器”再通過(guò)并行總線DATA[7：O]將數(shù)據(jù)并行取走。數(shù)據(jù)輸出過(guò)程剛好相反。數(shù)據(jù)的傳輸速度由接收/發(fā)送時(shí)鐘決定。

電磁扳機(jī)控制儀中的RS232接口電路如圖7所示。

在設(shè)計(jì)基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機(jī)控制儀的工作中，充分了解原有控制儀中存在的諸如安全性差、無(wú)法精確控制、無(wú)法實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)測(cè)試等問(wèn)題，從電磁兼容性、系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，安全性出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，取得了很好的效果。所設(shè)計(jì)的控制儀實(shí)物經(jīng)過(guò)靶場(chǎng)試驗(yàn)，能夠適應(yīng)靶場(chǎng)環(huán)境下復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，能夠安全可靠地執(zhí)行測(cè)試工作。