基于CPLD技术的q械电磁扳机控制仪

　　O 引言

　　靶场测试领域中q械的击发是一个重要的环节。传统的q械击发采用人工方式，即射击人员听到射击指令后手工扣动q械扳机进行击发，这种方式存在两方面的问题：其一，无法保证安全性。人员 *** 作时有可能由于疲劳或者听错指令进行了误 *** 作，则可能造成靶道内人员安全事故，而在有些应用场合，如防d头盔穿甲实验，射击人员必须面对防d头盔进行射击，d头有可能反d回来伤及射击人员。上述两种安全事故在国内靶场都曾发生过。其二，随着靶场测试技术的不断发展，靶场测试所用的设备种类越来越多，精度也越来越高，因此，不同的测试设备如何保持一定的同步性显得越来越重要。显然，手工击发q械方式难以实现同步性要求。

　　基于以上考虑，有人提出了基于电磁效应的控制方法，由铁芯、线圈、衔铁、簧片等组成，当需要控制q械击发时，向线圈两端加上一定电压，线圈中便会流经电流，从而产生电磁效应，衔铁就在电磁力的作用下克服d簧的拉力吸紧铁芯，以带动扳机运动。当需要释放扳机

　　时，断开线圈两端电压，电磁力消失，衔铁在d簧拉力的作用下，恢复原位释放扳机。多次试验后，证实该方法可行，但存在一定的弊端。如衔铁位置的恢复依赖于d簧的拉力，长时间使用后d簧会产生疲劳现象，另一方面，线圈方式工作时，会有较大的冲击电流，这会给电网

　　及其他设备带来干扰，甚至会引起关键设备误触发。

　　针对上述问题，设计了基于CPLD技术的q械电磁扳机控制仪。

　　1 电磁扳机控制仪总体构成

　　为了保证电磁扳机控制仪安全可靠地工作，必须设计一定的逻辑互锁机构，设计中采用CPLD实现电路逻辑功能，步进电机作为执行单元。

　　电磁扳机控制仪总体构成如图1所示。

　　

　　图1中，电磁扳机控制仪由CPLD逻辑控制器、RS 232通讯模块、电机驱动器以及步进电机构成。其中，CPLD完成逻辑控制及串口通讯功能，电机驱动器接收逻辑指令驱动步进电机工作。应用CPLD在线可编程技术及串口通信技术，设计的控制仪具有很高的现场可编程功能及组网功能，可与其他测试设备实现整体测试系统的同步性、自动化及网络化。由于电磁扳机控制仪应用在靶场环境，因此其使用的安全性是一个关键指标，新设计的控制仪克服了旧仪器的诸多问题，充分考虑了电磁兼容性，现场可 *** 作性以及测试安全性等因素，从设计上最大程度的保证了使用的安全性。

　　q械电磁扳机控制仪控制面板示意图如图2所示。

　　

 

　　从消除干扰确保稳定的角度出发，首先是在设计CPLD控制板时，在电源地之间加入了大量的滤波电容，在数据通道上加入光电隔离，控制信号的长线输出采用双绞线输出并且接口均采用军品航空插头，以避免在传播路径中引入干扰;在步进电机执行单元，加入电磁屏蔽盒，消除电机动作时带来的电磁干扰。

　　从测试安全的角度出发，在控制面板上加入了解闭锁开关，确保了系统的总体控制;同时在“触发”和“复位”按键的逻辑上加入互锁功能，保证 *** 作的正确性，从而消除误 *** 作现象。

　　2 机械部分设计

　　现有的扳机控制仪大多采用电磁原理设计，存在的主要弊端有：d簧长时间使用后容易产生疲劳现象;衔铁在吸合过程中容易产生较大的冲击电流，影响电网稳定，而且还会影响其他测试仪器的正常工作等。针对这些问题，设计者利用电机驱动器驱动步进电机来代替原有机构，可以对扳机 *** 作进行精确控制。

　　机械部分结构图如图3所示。

　　

 

　　电磁扳机控制仪的机械部分主要由步进电机、基座、转轮机构、扳机连杆、连线盒及电磁扳机屏蔽外壳构成。其工作过程为：步进电机接收驱动器指令进行转动，带动转轮机构转动，步进电机旋转一周，转轮机构带动扳机实现一次行程，完成击发动作。

　　图4为电磁扳机行程方向及行程长度调节机构示意图，转轮机构上设计有扳机行程调节孔(图中①、②、③、④，四个调节孔距转轮机构中心半径逐渐缩小R1>R2>R3>R4)，扳机连杆的长度也可以调整。通过这两个机构的调节，可以调整扳机的行程距离。

　　

 

　　步进电机由电机驱动器接高压进行驱动，通过CPLD控制器产生逻辑控制信号，实现扳机的控制。控制器与电机驱动器之间通过长绞线连接，测试仪与电机等干扰源距离较远且测试人员可以通过远距离控制q械的击发，既保证了控制系统不受电磁干扰，又确保了测试人员的安全。

　　3 控制部分设计

　　3.1 CPLD逻辑控制部分

　　电磁扳机控制仪采用步进电机作为执行单元，CPLD作为主控制器实现逻辑控制和通信功能。逻辑控制部分实现按键的判读、锁存，触发和复位的互锁以及步进电机驱动器的控制功能。

　　控制仪由“解闭锁开关”作为仪器功能的总开关，闭锁时，仪器面板所有按键不工作;解锁后，控制仪工作正常。电机动作由“复位”和“触发”按键配合工作，当击发允许时，按下“触发”按键，q械击发并锁存触发键，若继续按触发键则仪器不触发;当需要再次击发时，必须按“复位”键后，解除触发锁存，然后按下触发按键触发仪器。通过“复位”和“触发”按键的相互锁存，来确保控制仪的安全触发。图5为CPLD电路逻辑功能仿真时序图。

　　

 

　　图5中左边Name栏定义管脚：clk为CPLD输入时钟1 MHz;feng为系统工作时的分频时钟;green和red分别代表“触发”、“复位”按键;out为逻辑输出端;key为解闭锁开关。

　　控制仪逻辑功能见图5。当系统闭锁时(key=0)，按键按下系统不工作(图5中1);系统解锁后(key=1)，按“触发”键，系统输出控制信号;继续按“触发”键，系统处于互锁保护状态，系统无触发输出(图5中3);按“复位”键后，可以继续触发，系统能够正常输出(图5中4);重复误 *** 作，继续触发，无输出(图5中5)。

　　图5中green_lignt，red_light分别对应触发灯和复位灯。系统启动且未解锁，触发灯亮，复位灯灭，解锁灯灭(图5中2);系统解锁触发后，触发灯灭，复位灯亮，表示系统已经触发，需通过复位解除保护可继续触发。复位后，触发灯亮，复位灯灭，表示系统可以触发。

　　3.2 通讯接口部分

　　由于目前的靶场测试系统由许多测试仪器组成，并且在测试过程中，数据的采集处理都要求有较高的实时性，要求电磁扳机控制仪能够通过软件触发的方法来工作，而目前国内靶场测试领域中测试仪器大多留有串行RS 232接口，设计者在控制电路的基础上加入了串口通讯模块实现系统组网。整个测试过程可以从q械击发到测试系统的数据采集处理都实现软件控制，实时性有了很大的提高。

　　RS 232采用负逻辑电平标准，逻辑“1”为-3～-15 V，逻辑“0”为+3～+15 V，容限大、数据线少、抗干扰能力强，可实现远程数据传输。

　　基于CPLD的RS 232通讯接口设计，采用MAX232进行电平和逻辑关系的变换，由于CPLD与接口之间按并行方式传输，接口与外设采用串行方式，故需要在串行接口中加入串并转换模块。典型的串行接口模块如图6所示。

　　

 

　　在数据输入过程中，串行数据按位进入模块的“接收移位寄存器”，当接收一个完整字符后，数据从“接收移位寄存器”送入“数据输入寄存器”再通过并行总线DATA[7：O]将数据并行取走。数据输出过程刚好相反。数据的传输速度由接收/发送时钟决定。

　　电磁扳机控制仪中的RS 232接口电路如图7所示。

　　

 

　　图7为采用MAX232芯片实现串口通讯电路，该芯片可以适应+5 V单电源供电环境，硬件接口简单，易于实现。MAX232包含了两路接收器和驱动器，内部有一个倍压器和一个电压反相器，可以将输入的+5 V电源电压，变换成RS 232的输出电平±10 V。图7中的4个电容可以采用0.1 μF非极性瓷片电容代替1μF/16 V电解电容，并且尽量靠近芯片，以提高抗干扰能力。

　　4 结语

　　在设计基于CPLD技术的q械电磁扳机控制仪的工作中，充分了解原有控制仪中存在的诸如安全性差、无法精确控制、无法实现组网测试等问题，从电磁兼容性、系统工作的稳定性，安全性出发进行设计实践，取得了很好的效果。所设计的控制仪实物经过靶场试验，能够适应靶场环境下复杂多变的电磁环境，能够安全可靠地执行测试工作。