基于CPLD的電磁扳機控制儀

引言

靶場(chǎng)測試領(lǐng)域中槍械的擊發(fā)是一個(gè)重要的環(huán)節。傳統的槍械擊發(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)錯指令進(jìn)行了誤操作，則可能造成靶道內人員安全事故，而在有些應用場(chǎng)合，如防彈頭盔穿甲實(shí)驗，射擊人員必須面對防彈頭盔進(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內靶場(chǎng)都曾發(fā)生過(guò)。其二，隨著(zhù)靶場(chǎng)測試技術(shù)的不斷發(fā)展，靶場(chǎng)測試所用的設備種類(lèi)越來(lái)越多，精度也越來(lái)越高，因此，不同的測試設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)現同步性要求。

基于以上考慮，有人提出了基于電磁效應的控制方法，由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、簧片等組成，當需要控制槍械擊發(fā)時(shí)，向線(xiàn)圈兩端加上一定電壓，線(xiàn)圈中便會(huì )流經(jīng)電流，從而產(chǎn)生電磁效應，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)扳機運動(dòng)。當需要釋放扳機時(shí)，斷開(kāi)線(xiàn)圈兩端電壓，電磁力消失，銜鐵在彈簧拉力的作用下，恢復原位釋放扳機。多次試驗后，證實(shí)該方法可行，但存在一定的弊端。如銜鐵位置的恢復依賴(lài)于彈簧的拉力，長(cháng)時(shí)間使用后彈簧會(huì )產(chǎn)生疲勞現象，另一方面，線(xiàn)圈方式工作時(shí)，會(huì )有較大的沖擊電流，這會(huì )給電網(wǎng)及其他設備帶來(lái)干擾，甚至會(huì )引起關(guān)鍵設備誤觸發(fā)。

針對上述問(wèn)題，設計了基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機控制儀。

1電磁扳機控制儀總體構成

為了保證電磁扳機控制儀安全可靠地工作，必須設計一定的邏輯互鎖機構，設計中采用CPLD實(shí)現電路邏輯功能，步進(jìn)電機作為執行單元。

電磁扳機控制儀總體構成如圖1所示。

圖 1中，電磁扳機控制儀由CPLD邏輯控制器、RS232通訊模塊、電機驅動(dòng)器以及步進(jìn)電機構成。其中，CPLD完成邏輯控制及串口通訊功能，電機驅動(dòng)器接收邏輯指令驅動(dòng)步進(jìn)電機工作。應用CPLD在線(xiàn)可編程技術(shù)及串口通信技術(shù)，設計的控制儀具有很高的現場(chǎng)可編程功能及組網(wǎng)功能，可與其他測試設備實(shí)現整體測試系統的同步性、自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò )化。由于電磁扳機控制儀應用在靶場(chǎng)環(huán)境，因此其使用的安全性是一個(gè)關(guān)鍵指標，新設計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，現場(chǎng)可操作性以及測試安全性等因素，從設計上最大程度的保證了使用的安全性。

槍械電磁扳機控制儀控制面板示意圖如圖2所示。

從消除干擾確保穩定的角度出發(fā)，首先是在設計CPLD控制板時(shí)，在電源地之間加入了大量的濾波電容，在數據通道上加入光電隔離，控制信號的長(cháng)線(xiàn)輸出采用雙絞線(xiàn)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)電機執行單元，加入電磁屏蔽盒，消除電機動(dòng)作時(shí)帶來(lái)的電磁干擾。

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

2機械部分設計

現有的扳機控制儀大多采用電磁原理設計，存在的主要弊端有：彈簧長(cháng)時(shí)間使用后容易產(chǎn)生疲勞現象;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)穩定，而且還會(huì )影響其他測試儀器的正常工作等。針對這些問(wèn)題，設計者利用電機驅動(dòng)器驅動(dòng)步進(jìn)電機來(lái)代替原有機構，可以對扳機操作進(jìn)行精確控制。

機械部分結構圖如圖3所示。

電磁扳機控制儀的機械部分主要由步進(jìn)電機、基座、轉輪機構、扳機連桿、連線(xiàn)盒及電磁扳機屏蔽外殼構成。其工作過(guò)程為：步進(jìn)電機接收驅動(dòng)器指令進(jìn)行轉動(dòng)，帶動(dòng)轉輪機構轉動(dòng)，步進(jìn)電機旋轉一周，轉輪機構帶動(dòng)扳機實(shí)現一次行程，完成擊發(fā)動(dòng)作。

圖4為電磁扳機行程方向及行程長(cháng)度調節機構示意圖，轉輪機構上設計有扳機行程調節孔(圖中①、②、③、④，四個(gè)調節孔距轉輪機構中心半徑逐漸縮小R1>R2>R3>R4)，扳機連桿的長(cháng)度也可以調整。通過(guò)這兩個(gè)機構的調節，可以調整扳機的行程距離。

步進(jìn)電機由電機驅動(dòng)器接高壓進(jìn)行驅動(dòng)，通過(guò)CPLD控制器產(chǎn)生邏輯控制信號，實(shí)現扳機的控制?？刂破髋c電機驅動(dòng)器之間通過(guò)長(cháng)絞線(xiàn)連接，測試儀與電機等干擾源距離較遠且測試人員可以通過(guò)遠距離控制槍械的擊發(fā)，既保證了控制系統不受電磁干擾，又確保了測試人員的安全。

3控制部分設計

3.1CPLD邏輯控制部分

電磁扳機控制儀采用步進(jìn)電機作為執行單元，CPLD作為主控制器實(shí)現邏輯控制和通信功能。邏輯控制部分實(shí)現按鍵的判讀、鎖存，觸發(fā)和復位的互鎖以及步進(jìn)電機驅動(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。電機動(dòng)作由“復位”和“觸發(fā)”按鍵配合工作，當擊發(fā)允許時(shí)，按下“觸發(fā)”按鍵，槍械擊發(fā)并鎖存觸發(fā)鍵，若繼續按觸發(fā)鍵則儀器不觸發(fā);當需要再次擊發(fā)時(shí)，必須按“復位”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為系統工作時(shí)的分頻時(shí)鐘;green和red分別代表“觸發(fā)”、“復位”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。當系統閉鎖時(shí)(key=0)，按鍵按下系統不工作(圖5中1);系統解鎖后(key=1)，按“觸發(fā)”鍵，系統輸出控制信號;繼續按 “觸發(fā)”鍵，系統處于互鎖保護狀態(tài)，系統無(wú)觸發(fā)輸出(圖5中3);按“復位”鍵后，可以繼續觸發(fā)，系統能夠正常輸出(圖5中4);重復誤操作，繼續觸發(fā)，無(wú)輸出(圖5中5)。

圖5中g(shù)reen_lignt，red_light分別對應觸發(fā)燈和復位燈。系統啟動(dòng)且未解鎖，觸發(fā)燈亮，復位燈滅，解鎖燈滅(圖5中2);系統解鎖觸發(fā)后，觸發(fā)燈滅，復位燈亮，表示系統已經(jīng)觸發(fā)，需通過(guò)復位解除保護可繼續觸發(fā)。復位后，觸發(fā)燈亮，復位燈滅，表示系統可以觸發(fā)。

3.2通訊接口部分

由于目前的靶場(chǎng)測試系統由許多測試儀器組成，并且在測試過(guò)程中，數據的采集處理都要求有較高的實(shí)時(shí)性，要求電磁扳機控制儀能夠通過(guò)軟件觸發(fā)的方法來(lái)工作，而目前國內靶場(chǎng)測試領(lǐng)域中測試儀器大多留有串行RS232接口，設計者在控制電路的基礎上加入了串口通訊模塊實(shí)現系統組網(wǎng)。整個(gè)測試過(guò)程可以從槍械擊發(fā)到測試系統的數據采集處理都實(shí)現軟件控制，實(shí)時(shí)性有了很大的提高。

RS232采用負邏輯電平標準，邏輯“1”為-3～-15V，邏輯“0”為+3～+15V，容限大、數據線(xiàn)少、抗干擾能力強，可實(shí)現遠程數據傳輸。

基于CPLD的RS232通訊接口設計，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，接口與外設采用串行方式，故需要在串行接口中加入串并轉換模塊。典型的串行接口模塊如圖6所示。

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

電磁扳機控制儀中的RS232接口電路如圖7所示。

在設計基于CPLD技術(shù)的槍械電磁扳機控制儀的工作中，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)現組網(wǎng)測試等問(wèn)題，從電磁兼容性、系統工作的穩定性，安全性出發(fā)進(jìn)行設計實(shí)踐，取得了很好的效果。所設計的控制儀實(shí)物經(jīng)過(guò)靶場(chǎng)試驗，能夠適應靶場(chǎng)環(huán)境下復雜多變的電磁環(huán)境，能夠安全可靠地執行測試工作。