基于CPLD的電磁扳機控制儀設計

引言

靶場測試領域中槍械的擊發(fā)是一個重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的槍械擊發(fā)采用人工方式，即射擊人員聽到射擊指令后手工扣動槍械扳機進行擊發(fā)，這種方式存在兩方面的問題：其一，無法保證安全性。人員操作時有可能由于疲勞或者聽錯指令進行了誤操作，則可能造成靶道內(nèi)人員安全事故，而在有些應用場合，如防彈頭盔穿甲實驗，射擊人員必須面對防彈頭盔進行射擊，彈頭有可能反彈回來傷及射擊人員。上述兩種安全事故在國內(nèi)靶場都曾發(fā)生過。其二，隨著靶場測試技術的不斷發(fā)展，靶場測試所用的設備種類越來越多，精度也越來越高，因此，不同的測試設備如何保持一定的同步性顯得越來越重要。顯然，手工擊發(fā)槍械方式難以實現(xiàn)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、線圈、銜鐵、簧片等組成，當需要控制槍械擊發(fā)時，向線圈兩端加上一定電壓，線圈中便會流經(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，以帶動扳機運動。當需要釋放扳機時，斷開線圈兩端電壓，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，證實該方法可行，但存在一定的弊端。如銜鐵位置的恢復依賴于彈簧的拉力，長時間使用后彈簧會產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，另一方面，線圈方式工作時，會有較大的沖擊電流，這會給電網(wǎng)及其他設備帶來干擾，甚至會引起關鍵設備誤觸發(fā)。

針對上述問題，設計了基于CPLD技術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實現(xiàn)電路邏輯功能，步進電機作為執(zhí)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(qū)動器以及步進電機構成。其中，CPLD完成邏輯控制及串口通訊功能，電機驅(qū)動器接收邏輯指令驅(qū)動步進電機工作。應用CPLD在線可編程技術及串口通信技術，設計的控制儀具有很高的現(xiàn)場可編程功能及組網(wǎng)功能，可與其他測試設備實現(xiàn)整體測試系統(tǒng)的同步性、自動化及網(wǎng)絡化。由于電磁扳機控制儀應用在靶場環(huán)境，因此其使用的安全性是一個關鍵指標，新設計的控制儀克服了舊儀器的諸多問題，充分考慮了電磁兼容性，現(xiàn)場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(wěn)定的角度出發(fā)，首先是在設計CPLD控制板時，在電源地之間加入了大量的濾波電容，在數(shù)據(jù)通道上加入光電隔離，控制信號的長線輸出采用雙絞線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;在步進電機執(zhí)行單元，加入電磁屏蔽盒，消除電機動作時帶來的電磁干擾。

從測試安全的角度出發(fā)，在控制面板上加入了解閉鎖開關，確保了系統(tǒng)的總體控制;同時在“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(xiàn)象。

2機械部分設計

現(xiàn)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：彈簧長時間使用后容易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象;銜鐵在吸合過程中容易產(chǎn)生較大的沖擊電流，影響電網(wǎng)穩(wěn)定，而且還會影響其他測試儀器的正常工作等。針對這些問題，設計者利用電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機來代替原有機構，可以對扳機操作進行精確控制。

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電機、基座、轉(zhuǎn)輪機構、扳機連桿、連線盒及電磁扳機屏蔽外殼構成。其工作過程為：步進電機接收驅(qū)動器指令進行轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)輪機構轉(zhuǎn)動，步進電機旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)輪機構帶動扳機實現(xiàn)一次行程，完成擊發(fā)動作。

圖4為電磁扳機行程方向及行程長度調(diào)節(jié)機構示意圖，轉(zhuǎn)輪機構上設計有扳機行程調(diào)節(jié)孔(圖中①、②、③、④，四個調(diào)節(jié)孔距轉(zhuǎn)輪機構中心半徑逐漸縮小R1>R2>R3>R4)，扳機連桿的長度也可以調(diào)整。通過這兩個機構的調(diào)節(jié)，可以調(diào)整扳機的行程距離。

步進電機由電機驅(qū)動器接高壓進行驅(qū)動，通過CPLD控制器產(chǎn)生邏輯控制信號，實現(xiàn)扳機的控制。控制器與電機驅(qū)動器之間通過長絞線連接，測試儀與電機等干擾源距離較遠且測試人員可以通過遠距離控制槍械的擊發(fā)，既保證了控制系統(tǒng)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電機作為執(zhí)行單元，CPLD作為主控制器實現(xiàn)邏輯控制和通信功能。邏輯控制部分實現(xiàn)按鍵的判讀、鎖存，觸發(fā)和復位的互鎖以及步進電機驅(qū)動器的控制功能。

控制儀由“解閉鎖開關”作為儀器功能的總開關，閉鎖時，儀器面板所有按鍵不工作;解鎖后，控制儀工作正常。電機動作由“復位”和“觸發(fā)”按鍵配合工作，當擊發(fā)允許時，按下“觸發(fā)”按鍵，槍械擊發(fā)并鎖存觸發(fā)鍵，若繼續(xù)按觸發(fā)鍵則儀器不觸發(fā);當需要再次擊發(fā)時，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“復位”和“觸發(fā)”按鍵的相互鎖存，來確?？刂苾x的安全觸發(fā)。圖5為CPLD電路邏輯功能仿真時序圖。

圖5中左邊Name欄定義管腳：clk為CPLD輸入時鐘1MHz;feng為系統(tǒng)工作時的分頻時鐘;green和red分別代表“觸發(fā)”、“復位”按鍵;out為邏輯輸出端;key為解閉鎖開關。