靶標是一種在室內(nèi)檢測光電跟蹤測量設備的裝置,，分為動態(tài)靶標和靜態(tài)靶標。一般情況下,，靜態(tài)靶標用于檢測設備的測量精度,，動態(tài)靶標用于檢測設備的跟蹤性能。結合靶場試驗和操作手訓練任務需求,，自行研制的數(shù)字動態(tài)靶標不僅可用于光電跟蹤測量設備的標校和檢測,，還可用于操作手的實物訓練。
　數(shù)字動態(tài)靶標由靶標架和靶標控制器組成,，靶標架由靶標支架,、靶標（平行光管、燈源,、星點板,、反射鏡）和執(zhí)行機構（直流電機、測速電機）組成；靶標控制器用于控制靶標按照預先設定的工作模式運動,。靶標光源穿過星點板經(jīng)平行光管后形成平行光,，再經(jīng)平面鏡反射至經(jīng)緯儀鏡頭，產(chǎn)生光電跟蹤測量設備可成像的無窮遠光斑,，即模擬一個空間運動目標,，供光電跟蹤測量設備如光電經(jīng)緯儀、紅外跟蹤測量系統(tǒng),、電視跟蹤測量系統(tǒng)進行跟蹤和性能檢測,。
1 系統(tǒng)的硬件設計
　數(shù)字動態(tài)靶標控制器以單片機為核心，其硬件原理如圖1所示,。該系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路,、信號調(diào)理電路,、燈源亮度控制電路,、報警電路、顯示電路,、時鐘電路以及各種接口電路等組成,。

　單片機除了要計算控制量、控制靶標按設定模式轉(zhuǎn)動外,，還要掃描鍵盤,、顯示系統(tǒng)狀態(tài)并與時統(tǒng)終端或者計算機通信。為了滿足設計要求,，本系統(tǒng)選擇了16位單片機80C196KB,。相比于8位單片機，80C196 KB具有更高的計算性能,，同時又具有更豐富的軟硬件資源,，例如A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器PWM和高速輸出器HSO等,。驅(qū)動裝置為大功率晶體管PWM功率放大器,，執(zhí)行電機為直流力矩電機J130LYX02B，速度檢測元件采用直流測速發(fā)電機130CYDN02C,。顯示屏采用寬溫型圖形液晶顯示模塊MGLS24064-21C,，顯示窗口大，顯示內(nèi)容多,。為了實現(xiàn)自定義工作模式,，系統(tǒng)中還設計了時鐘電路（采用芯片DS12C887），可以預先設定不同模式的訓練時間,，從而可以模擬出具有復雜運動特性的點目標,。系統(tǒng)還具有自檢功能，發(fā)現(xiàn)故障時由報警電路及時報警。為了進一步完善動態(tài)靶標的功能,，系統(tǒng)中還設計了RS-232和RS-485串行接口,用于與計算機或者B碼終端設備的通信,。
1.1 驅(qū)動電路
    為了減少外圍電路、充分利用單片機資源,，采用單片機內(nèi)部的脈寬調(diào)制器直接輸出驅(qū)動信號（PWM）,，靶標轉(zhuǎn)動方向信號（DIR）由單片機的I/O腳輸出。為了驅(qū)動功率級,，首先應對TTL電平的PWM信號和DIR信號進行預處理,，電路如圖2所示。

    光電耦合器U1,、U2用于消除地環(huán)路引起的共阻抗耦合干擾,，實現(xiàn)不同電壓信號的隔離，抑制干擾傳遞,。DIR信號經(jīng)過光電耦合隔離后首先通過D觸發(fā)器U3,，形成模擬開關U4的兩路控制信號。PWM信號經(jīng)過光電耦合隔離后直接進入U4的數(shù)據(jù)輸入端,，U4輸出信號經(jīng)過緩沖后即形成H橋式驅(qū)動電路（如圖3所示）的控制信號HL,、LR、HR和LL,。當設定轉(zhuǎn)向為“正轉(zhuǎn)”時,，HL、LR信號有效,，使管Q1,、Q5和Q4、Q8導通,，電流由電機的S2端流入S1端,，電機正轉(zhuǎn)；當設定轉(zhuǎn)向為“反轉(zhuǎn)”時,，HR,、LL信號有效，使管Q3,、Q6和Q2,、Q7導通，電流由電機的S1端流入S2端,，電機反轉(zhuǎn),。

1.2 信號調(diào)理電路
    直流測速發(fā)電機是一種模擬測速裝置，可將軸轉(zhuǎn)速信號變換為直流電壓輸出,。由電磁理論可以推導直流測速發(fā)電機的感應電動勢E與轉(zhuǎn)速n的關系為：

式中：C為與發(fā)電機結構有關的常數(shù),；Φ為磁通,。
　　測速發(fā)電機工作時要接負載電阻，負載電阻R的端電壓U即為得到的輸出電壓,該端電壓等于感應電動勢減去在它的內(nèi)阻r(發(fā)電機繞組回路電阻)上的壓降,，即：

構成分壓器,，R5和C9組成濾波環(huán)節(jié)，U11,、U12分別為同相和反相放大器,，D1、D2,、D3和D4起保護作用,。調(diào)整W3的位置，使測速發(fā)電機在最大轉(zhuǎn)速時ACH0或ACH1(分別對應正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))為+5 V,，同時調(diào)整放大器參數(shù),，以保證信號的線性。

1.3保護電路
    為了防止電流過大燒毀電機,，設計了如圖5所示的保護電路,，其中R22、R23和R24分壓形成比較電平,，U6為比較器,，U3為帶清零和置1端的D觸發(fā)器,，A點,、C點分別和圖2中的A點、C點相連,，B點和圖3中的B點相連,。在圖3中,R20為取樣電阻，流經(jīng)電機繞組的電流越大,，則B點電壓(VB)越大,。當VB小于比較電平時，U6輸出為高電平,，則U5輸出為低電平,，U3的12腳保持高電平，保護電路對驅(qū)動電路不起作用,；當VB大于比較電平時,，U6輸出為低電平,經(jīng)U5倒相后對U3置1，U3的12腳變?yōu)榈碗娖?把圖2中的A點拉為低電平,，則LL,、LR同時變?yōu)楦唠娖剑丛趫D3中同時關斷Q2,、Q7和Q4,、Q8，流經(jīng)電機繞組的電流變?yōu)榱悖姍C停止轉(zhuǎn)動,，起到保護電機的作用,。

1.4 燈源亮度控制電路
    為了模擬目標動態(tài)的明暗強弱變化，設計了燈源亮度控制電路,，如圖6所示,。利用單片機高速輸出器HSO來產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸出PWML，經(jīng)光電耦合器U7后控制場效應管U8的導通時間,，從而實現(xiàn)對燈源亮度的控制,。燈源亮度變化在經(jīng)緯儀成像時即表現(xiàn)為目標的明暗強弱變化。

2 系統(tǒng)的軟件設計
　系統(tǒng)軟件除了要完成對硬件的初始化之外,，還要完成對硬件電路的實時控制,，對數(shù)據(jù)進行輸入輸出操作和數(shù)值的分析、處理,。軟件采用MCS96匯編語言編寫,，采用模塊化結構設計，各個功能子模塊獨立,，調(diào)試方便,，并容易根據(jù)需要擴展。軟件具有計時,、鍵盤掃描處理,、顯示、速度采樣,、報警等功能,，圖7為系統(tǒng)主程序示意圖。

2.1 PID控制器
     PID控制器具有簡單而固定的形式,，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性,；同時，因為PID控制器允許工程技術人員以一種簡單而直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng),，從而使得PID控制成為工業(yè)過程控制中應用最為廣泛的一種形式,。離散的PID表達式如下：
 
由上式可以看出，如果單片機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T,，一旦確定了KP,、I、D,，只要使用前后3次測量值的偏差,，就可以由(6)式遞推求出控制量。
　本系統(tǒng)中,為了消除積分飽和帶來的不利影響,，采用了遇限削弱積分法,。具體過程是：計算uk前,，先判斷前一次的控制量uk-1是否超出了極限范圍，如果超出,，則說明已進入飽和區(qū),，這時再根據(jù)偏差的正負，來判斷控制量是使系統(tǒng)加大超調(diào)還是減小超調(diào),。如果是減小超調(diào),，則保留積分項；否則取消積分項,，程序框圖如圖8所示,。

2.2 PWM波形的生成
　將PID控制器的輸出量變換成具有一定占空比的PWM控制電壓，即可控制電機轉(zhuǎn)動,。在8096系統(tǒng)中,，可以采用兩種方法來提供模擬量輸出：一種是通過HSO提供。另一種是通過內(nèi)部脈寬調(diào)制器提供,，PWM控制電壓由第二種方法產(chǎn)生,，程序如下：
   LDB IOC1,#25H；  //選擇P2.5腳作為PWM信號輸出,；
　LDB IOC2,#00H,；   //設置PWM重復周期為256個狀態(tài)周期（12MHz晶振時為42.75 μs）；
　LDB PWM_CONTROL,Uk,；  //將控制量Uk寫入PWM寄存器即可輸出PWM控制電壓,。
　由上述分析可見：通過設置靶標的轉(zhuǎn)動速度和加速度，可以生成不同運動模式的目標,，包括勻速運動,、勻加速運動,、勻減速運動和自定義等模式,，用于訓練操作手的目標捕獲能力。通過調(diào)整靶標光源亮度,，可模擬目標動態(tài)的明暗強弱變換,，在提高訓練難度的基礎上還可訓練設備操作人員的參數(shù)設置能力。同時,，結合特定試驗條件設定訓練參數(shù),，可以仿真不同站址經(jīng)緯儀的工作情況，為經(jīng)緯儀試前布站選址提供依據(jù),。
    當數(shù)字動態(tài)靶標作為高精度測量靶標使用時,，需要準確地確定在任意時刻靶標的空間角度，即必須保證靶標的旋轉(zhuǎn)精度,，同時要消除旋轉(zhuǎn)靶標軸系跳動的影響,。因此,，需要加上位置反饋環(huán)節(jié)(如高精度編碼器)，同時,，還要進一步改進,、完善靶標的軸系和機械性能，數(shù)字動態(tài)靶標才可能用于光電跟蹤測量設備的精度測量,從而提高我部光測設備的標校和檢測能力,，使我部在設備應用的基礎上,在設備的維修,、維護和檢測方向邁出重要一步。
參考文獻
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