光学雷达扫描机构测试系统的设计与实现.doc

光学雷达扫描机构测控系统的设计与实现
张震生 于盛林 刘文波
(南京航空航天大学自动化学院测试工程系 南京210016)
摘要　本文主要阐述了基于单片机的光学雷达扫描机构测试系统的设计方法与实现过程，包括系统的原理组成、硬件电路和软件设计，其中着重介绍了硬件电路的设计。
关键词　光学雷达　扫描机构　单片机　液晶显示器
1．引言
光学雷达是战斗机火控系统的重要组成部分。其功能是根据空中目标的热辐射，搜索、发现和自动跟踪目标，并测量到空中目标的距离。用光学雷达获得的有关目标的信息，在光学—电子瞄准系统中，解决瞄准任务。扫描机构是光学雷达中的一个光学机械部件，它由光圈部件扫描镜、角位置转换器、方位转换器和扭矩传感器等部件组成，可以实现扫描镜在俯仰和方位两个方向上的扫描和光圈的转动。它用于给定扫描场的扫描，在自动跟踪状态下，使光学轴线对准目标，对用方位——角位置坐标确定光学轴线位置的信号进行处理。本测试系统主要是用来在维护或检修光学雷达过程中，模拟上位机向扫描机构发出使扫描镜扫描或光圈转动的信号，并读入扫描机构反馈的角度值信号，转换成二进制码，显示在液晶显示屏上，通过与扫描机构的实际动作的比较分析，对扫描机构进行维护或故障诊断。

2．测试系统原理组成
测试系统由两台仪器组成：方位／俯仰测试仪和倾斜／光圈测试仪。方位／俯仰测试仪主要用来实现：读入方位角和俯仰角的角度码，转换成二进制码，并实时显示角度值和二进制码，产生指定频率的控制信号，按照键盘命令控制方位和俯仰电动机完成角度复零、大场扫描、固定角度、单步运动等动作。倾斜／光圈测试仪主要用来实现：读入倾斜角的角度值和光圈的状态，转换成二进制码，并实时显示倾斜角度值和二进制码，用发光管表示光圈状态，产生指定频率的控制信号，按照键盘命令控制倾斜装置完成角度复零、大场扫描、固定角度、单步运动等动作，并根据光圈的状态控制光圈的转动。
测试系统要求模拟上位机向扫描机构提供指定频率的信号。方位／俯仰测试仪需要提供100KHz和2.5KHz的同步信号，以及5KHz的电机驱动信号，5KHz信号的占空比决定了电机转动的快慢。倾斜／光圈测试仪需要提供20KHz和0.5KHz的同步信号，及125Hz的电机驱动信号。由于两台仪器所需产生的频率满足一定的比例关系，因而两台仪器的频率发生电路有很大部分相同，所以设计时决定两台仪器使用同一主板，通过跳线实现方位／俯仰测试仪和倾斜／光圈测试仪的选择。
　　为了实现上述结构功能，系统主板有以下几部分组成，如图1所示：
频率发生电路

频率输出与控制电路
单片机
系 统

角度码输入电路

LED显示电路

液晶显示模块

图1 系统主板结构
3．硬件电路设计
　　测试系统通过液晶显示模块将系统需要实现的测控功能以菜单列表形式显示出来，操作人员通过按键完成功能选择。测试系统需要能够将各个角度传感器的输出角度码和光圈的状态读入系统，同时可以查询按键命令，还要能够发出让各电动机动作的控制信号。在设计各部分硬件电路时，就是始终围绕如何准确实现上述功能要求而进行的。
3.1　角度码输入电路
扫描机构发出的16位的角度码按照奇数位和偶数位分为两个8位串行码，按先高位后低位的顺序从两个端口发送，发送的时序满足如图2所示的时序要求。
图2　角度码发送时序
因此在设计电路时，主要任务是将串行信号转换成并行信号，再还原成16位角度码。电路图如图3所示：
图3　角度码输入电路
　　首先使用两级非门（74LS04）对输入的串行码信号整形并增加驱动能力。经过整形的信号通过8位移位寄存器（74LS164）由串行信号转换为8位并行信号。通过产生满足时序要求的特定的移位触发脉冲SHIFT，来保证接受与发送的同步（详见2.4.3）。转换后的并行信号通过缓冲器（74LS244）锁存在数据总线上。控制电路在总线上读到信号后，通过软件方法，将两个8位并行信号（奇数位和偶数位信号）交替插位，重新组合成16位角度码。再按照转换公式将格雷码转换成二进制码，并按各位的权计算出角度值，显示在屏幕上。

3.2　控制电路
测试系统采用8031单片机作为控制器。电路图如图4所示。
其中，P1.0～P1.3用于控制各个继电器；P1.5～P1.7用于检测各个按钮的状态；P1.4用于检测角度码发送状态信号，判断角度码是否正在发送中，防止将没有接收完全的角度码读入内部寄存器。
　　系统还通过3 / 8译码器（74LS138）扩展了一些I/O口地址，用于角度码读入（HIGHS，LOWS）、LED显示（HOUT，LOUT）、液晶显示屏（LCDE）的地址信号。
图4 控制电路

3.3　频率发生电路
　　测试系统要提供100KHz、2.5KHz（或20KHz、0.5KHz）的同步信号，以及5KHz（或125Hz）的电机驱动信号。所以系统使用多级分频器（4017，4018）将晶振产生的高频信号（2MHz）分频得到所需的频率，并通过单稳态多谐振荡器（74LS123）将信号调成所需的占空比后输出。5KHz的电机驱动信号通过继电器后输出。这样通过控制继电器，就可实现电机的转动与停止。电路图如图5所示：
图5 频率发生电路图
其中，J1和J2是跳线：当中心头与1连通时，U6实现10分频，输出的频率为20KHz和0.5KHz；当中心头与2连时，U6实现2分频，则输出频率为100KHz和2.5KHz。
由于扫描机构发出的角度码是按照如图2所示的时序发送的，所以为了保证准确将角度码读入内存，系统需要产生两个特别的信号：一个是提供给移位寄存器的符合图2所示的时序关系的移位脉冲信号（SHIFT）；一个是提供给单片机从总线上读入角度码时用来查询是否正在从扫描机构读取角度码的信号（GATE）。电路图如图6所示：

图6 移位脉冲发生电路图
　　其中，端口1和端口2分别与图5中的端口1和端口2相连。端口1提供的是100KHz / 20KHz信号，而端口2则是由反向端输出的2.5KHz / 0.5KHz信号。2.5KHz / 0.5KHz信号有效（低电平）时，D触发器置位，GATE为高电平，此时与门U17A（74LS08）打开，100KHz / 20KHz信号加在D触发器的CLK端上，开始分频。时序关系如图7所示：
图7　时序图
　　所以只要保证2.5KHz / 0.5KHz信号的负脉冲宽度小于100KHz / 20KHz信号的一个周期，就可得到图2.7所示的SHIFT信号。用SHIFT作为移位寄存器的移位触发脉冲，同时用反向的2.5KHz / 0.5KHz信号作为移位寄存器的清零信号，就可以从SHIFT信号的第2个脉冲开始移位，每次移8位，这和角度码发送时序完全吻合。当GATE为高电平时，表示正在接受角度码；当GATE为低电平时，表示角度码已接受完，单片机可以从数据总线上读取角度码到内存中。

4．软件设计
　　程序将功能菜单显示在屏幕上，通过查询“选择”按键完成菜单选择，又根据“确认”按键的请求和当前选中的菜单控制相应的电动机动作，并由软件定时决定动作时间。程序还将转换得出的当前角度值实时显示在屏幕上。

5．结束语
　　实践证明，本测试系统已经成功的用于光学雷达扫描机构的维修检测中。在工业控制领域，单片机，特别是8位单片机，在性能、价格两个方面都有较好的兼顾，仍将是设计人员在设计中的首选控制器件之一。

参考文献
[1] 王福瑞　单片微机测控系统设计大全　北京航空航天大学出版社　1998年
[2] 薛钧义，张彦斌　MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用　西安交通大学出版社　1990年
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