基于ARM 7 的激光测距机性能检测仪的研制
基于ARM 7 的激光测距机性能检测仪的研制
作者:万强;张晶;孙斌;王琦;逄磊
激光测距仪机的测距能力是激光测距机综合性能好坏的最主要指标 , 随时检测并掌握激光测距机的测距能力是部队战备训练和装备管理中的重要环节, 也是在部队条件下开展激光测距机维修保障的必备环节。但是在部队条件下, 受天候和场地的制约, 很难全面考核激光测距机的测程指标 , 严重影响了部队的战备训练, 从而制约了激光测距机装备战斗力的形成。因此本文在无靶板消光比检测技术基础上, 设计并实现了一套便携式的激光测距机性能检测仪, 可以克服现行激光测距机测距能力检测方法的缺点, 方便精确地对我军现役多种型号激光测距机的主要技术性能进行定量或定性的检测, 包括激光能量、测距精度、接收灵敏度、最大测程、三轴平行性等。既满足野外抢修的需要, 也为常规条件下的维修提供快捷方便的检修平台。
1 系统工作原理
无靶板消光比法已有文献报道 , 其实质是借鉴消光比原理, 将测距机的激光发射能力和激光接收能力分开进行测量, 综合进行计算获得结果。该检测方法的思路是用电路模拟激光在大气的衰减, 通过直接测量激光发射能量的大小获得激光发射能力的强弱, 控制激光回波功率的大小获得激光接收能力的强弱。
将检测仪的接收窗口和发射窗口分别对准待检激光测距机的激光发射物镜和激光接收物镜。当检测仪内部可调反光镜调到接收位置时, 被检装备发射激光, 经检测仪内部接收物镜压缩聚焦, 并通过三胶合棱镜调整方向、高低及转向, 再经可调反光镜将其压缩聚焦, 反射到检测仪内部接收, 经光电转换放大, 一路送多级高速比较器比较后检测被检装备的激光能量值, 另一路经可调延时电路驱动 1106 Λm半导体激光器发光, 再通过可调反光镜反射到三胶合棱镜, 经物镜送至检测仪发射窗口, 被检仪器的接收器接收到检测仪发射窗口发送的微弱激光脉冲,经被检装备内的接收系统放大处理, 在其显示中可判断测距精度、接收灵敏度、多目标及最大测程; 当将检测仪内部可调反光镜调到三轴校正位置时, 激光经检测仪内部系统压缩聚焦后, 反射到检测仪后部的感光靶板上, 通过被检装备内的分划与感光到靶板上的激光斑点可判断出被检装备的光路变化。
2 电路系统的硬件组成及原理
激光能量探测和激光回波的延时、发射主要通过电路来实现, 如何保证激光能量探测的准确性、时间的延时精度和激光回波的稳定度, 是基于消光比原理的无靶板检测技术得以实现的关键性问题。本系统采用基于A RM 7 嵌入式处理器的测试方案, 其系统整体框架如图 2 所示。主要包括光电转换、放大整形、电压采样保持、AD 转换、精确延时、数模转换、光电驱动等部分。
测试系统的工作原理是: 中央处理器响应键盘输入操作的同时, 首先根据被检激光测距机的型号自动选择合适的能量测量量程和延时编码, 以保证最佳能量测量精度和测距机接收系统在接收模拟激光脉冲时处于最大增益状态, 同时为被测电路提供工作时序。完成这些初始化过程后, 由被检激光测距机的发射系统发出激光, 该光束参量由检测仪能量接收电路转换成标准电压信号, 并保持以等待单片机系统采用。微量的散射光由同步取样器转换成启动脉冲使 CPLD 的计数电路开始计数, 计数的个数由键盘输入的距离转换而成。计数越多, 相当于延时模拟的距离越远, 此时测距机的接收系统处于最大增益状态, 即其探测灵敏度最高。它计数满后溢出,生成一个脉冲使快速驱动电路工作, 便产生一个相应的模拟激光脉冲, 使测距机的接收系统接收, 此时单片机系统便从测距机的电信号接口上读得它的译码显示结果。
如果单片机系统读得的结果与选择的延时编码相符, 单片机便通过驱动控制电路将激光器发出的模拟激光脉冲减少一级。重复上述过程, 直至读得的译码显示结果与选择的延时编码不相符为止。说明此时模拟激光功率小到了测距机刚好探测不到的那一级, 计算机将此级的模拟激光功率记录下来, 同时通过AD 采集模块和A RM 系统将代表测距机输出能量的保持电压值换算为激光能量值, 通过液晶屏显示数据信息。
2.1 ARM 7 中央处理器
A RM 7TDM I2S 核是通用 32 位微处理器内核[4 ] , 采用冯·诺依曼结构, 具有高性能和低功耗的特性。A RM 结构是基于精简指令集计算机 (R ISC)原理而设计的, 具有很高的指令吞吐量和出色的实时中断响应。本系统选用的L PC2138 是 PHL IPS 公司生产的A RM 7TDM I2S 系列产品中应用很广的一款芯片, 通过片内 PLL 可实现最大为 60 M H z 的CPU 工作频率, 片内资源丰富: 集成了 2 个 8 路 10位A D 及 1 个 10 路DA , A D 单通道转换时间短至 2144 Λs; 含有 512 k 的片内 F lash 程序存储器; 2个 32 位定时器计数器、6 路 PWM 输出和看门狗;对外接口包括 2 个 16C550 工业标准UA R T、2 个高速 I2C、SP I 和 SSP 等。分析表明, L PC2138 完全能满足本系统的设计需求, 而且无需扩展专门的信号采集模块, 简化了硬件设计。
2.2 光电转换模块
激光测距机的一个重要的指标是激光能量, 激光能量决定了激光传输的距离, 将直接影响测距机的测距能力[5 ]。检测仪对激光测距机激光能量的检测是通过光电转换模块将光信号转化为电信号, 通过电信号的强弱来判断激光测距机的激光能量。本系统采用的是硅光电二极管, 相对于雪崩光电二极管而言, 具有信噪比高、热噪声系数小、价格低廉等优点。为了准确测量硅光电二极管的输出电压, 采用两个高速电压比较器电路进行多次比较, 通过改变比较器的比较电压即可以得到不同的比较范围。比较器电路根据前一次的比较结果来改变当前的比较范围, 使之逐渐缩小并逼近电信号的值。当多次比较后就可以得到一定精度的电信号的数值, 则数值的大小就量化地反映了激光发射能力。
2.3 光电驱动模块
该模块作用是在适当的时间点亮激光二极管,将电信号转换为激光测距机探测所需的 1106 Λm的回波激光, 模拟回波信号传输给测距机, 以此检测测距机的接收灵敏度。这就要求激光二极管能够按要求变化, 并且其点亮的时间应可以控制。为保证激光回波的稳定性, 采用特制的 1106 Λm 二级管发光管, 其输出能量稳定度在 5% 范围内, 激光二极管发出的激光经过检测仪光学系统, 输出到激光测距机的接收物镜。通过采用高精度DA 控制激光二极管电流的强弱, 使激光测距机刚好能显示模拟的数值,此时, 驱动电流的高低反映了激光接收能力的强弱。
2.4 精确模拟延时模块
该模块主要由 CPLD 芯片、IO 口保护电路及必要的外围电路构成。一方面实现模拟激光回波波形, 为被测电路提供测试激励, 另一方面可以提高电路设计灵活性和可靠性, 简化电路结构, 减小体积和功耗, 易于实现小型化。
CPLD 可以产生极高的时钟振荡频率, 用软件计数, 达到设定脉冲数立即发出一个脉冲信号, 且模拟的距离值相当稳定, 可以根据需要从软件上随时更改。由于被检测仪器的晶振频率为 291971M H z,在大气中对应的精度为±5 m , 因此检测仪使用的50 M H z 晶振完全可以满足精度要求。本机 CPLD内部时序的设计, 采用硬件描述语言V erilogHDL语言编制而成[6 ] , 用于模拟某些集成芯片的功能, 实现对被测电路输出信息的锁存、译码及获取, 其设计流程如图 3。此模块通过 SP I 接口传输协议实现与A RM 处理器间的信息交互。
3 实 验
检测仪对激光测距机精度的检测, 就是通过精确延时电路将信号精确地延时一段时间, 通过比较测距机显示的数值与设定的延时数值是否一致来判断激光测距机是否达到要求的测量精度。因此时间的测量精度十分重要, 这是考核测距精度的主要技术。
本系统是通过采用 CPLD 记录振荡脉冲的个数, 实现精确模拟激光回波信号。被检测距机的晶振频率为 291971 M H z, 即光在大气的传播速度平均值为 21997 1×108 m s。本机采用 50M 晶振, 即单脉冲延时 20 n s。由 s= ct, 所以单脉冲延时的距离为51994 2 m。
这里挑选 10 250 m 处的目标, 理论计算值为:
t= sc= 2×10 2501997 1×108= 681394 5 Λs。
在MA XPLU S 环境下的仿真结果, 仿真得到的上升沿时刻为 681375 Λs, 加上实际电路延时 20 n s, 则回波激光的脉冲时间间隔为681395 Λs, 与理论值仅相差 015 n s, 目前部队现役的激光测距机精度一般在±5 m , 达到了精确模拟的设计要求。
4 结 论
本文立足于检测激光测距机测距能力的工程实践要求, 探讨了基于消光比原理的无靶板检测技术的崭新思路, 实现了全天候条件下检测军用脉冲激光测距机测距能力, 该思路体现了计算机控制技术、准激光技术、空间距离延时模拟技术的完美结合。应用和实践表明: 该便携式激光测距机性能检测仪解决了部队条件下激光测距机维修保障难题, 对测距机的调试、维修具有现实的指导意义, 特别适用于部队条件下的快速检测和维修保障。
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