靶標是一種在室內檢測光電跟蹤測量設備的裝置，分為動態靶標和靜態靶標。一般情況下，靜態靶標用于檢測設備的測量精度，動態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，自行研制的數字動態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。
　數字動態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平行光管后形成平行光，再經平面鏡反射至經緯儀鏡頭，產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緯儀、紅外跟蹤測量系統、電視跟蹤測量系統進行跟蹤和性能檢測。
1 系統的硬件設計
　數字動態靶標控制器以單片機為核心，其硬件原理如圖1所示。該系統主要由驅動電路、信號調理電路、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動外，還要掃描鍵盤、顯示系統狀態并與時統終端或者計算機通信。為了滿足設計要求，本系統選擇了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轉換器、脈寬調制器PWM和高速輸出器HSO等。驅動裝置為大功率晶體管PWM功率放大器，執行電機為直流力矩電機J130LYX02B，速度檢測元件采用直流測速發電機130CYDN02C。顯示屏采用寬溫型圖形液晶顯示模塊MGLS24064-21C，顯示窗口大，顯示內容多。為了實現自定義工作模式，系統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。系統還具有自檢功能，發現故障時由報警電路及時報警。為了進一步完善動態靶標的功能，系統中還設計了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，采用單片機內部的脈寬調制器直接輸出驅動信號（PWM），靶標轉動方向信號（DIR）由單片機的I/O腳輸出。為了驅動功率級，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用于消除地環路引起的共阻抗耦合干擾，實現不同電壓信號的隔離，抑制干擾傳遞。DIR信號經過光電耦合隔離后首先通過D觸發器U3，形成模擬開關U4的兩路控制信號。PWM信號經過光電耦合隔離后直接進入U4的數據輸入端，U4輸出信號經過緩沖后即形成H橋式驅動電路（如圖3所示）的控制信號HL、LR、HR和LL。當設定轉向為“正轉”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；當設定轉向為“反轉”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。

1.2 信號調理電路
    直流測速發電機是一種模擬測速裝置，可將軸轉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電機的感應電動勢E與轉速n的關系為：

式中：C為與發電機結構有關的常數；Φ為磁通。
　　測速發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阻r(發電機繞組回路電阻)上的壓降，即：

構成分壓器，R5和C9組成濾波環節，U11、U12分別為同相和反相放大器，D1、D2、D3和D4起保護作用。調整W3的位置，使測速發電機在最大轉速時ACH0或ACH1(分別對應正轉和反轉)為+5 V，同時調整放大器參數，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，保護電路對驅動電路不起作用；當VB大于比較電平時，U6輸出為低電平,經U5倒相后對U3置1，U3的12腳變為低電平,把圖2中的A點拉為低電平，則LL、LR同時變為高電平，即在圖3中同時關斷Q2、Q7和Q4、Q8，流經電機繞組的電流變為零，電機停止轉動，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來產生脈寬調制輸出PWML，經光電耦合器U7后控制場效應管U8的導通時間，從而實現對燈源亮度的控制。燈源亮度變化在經緯儀成像時即表現為目標的明暗強弱變化。

2 系統的軟件設計
　系統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，對數據進行輸入輸出操作和數值的分析、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，調試方便，并容易根據需要擴展。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節系統，從而使得PID控制成為工業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，這時再根據偏差的正負，來判斷控制量是使系統加大超調還是減小超調。如果是減小超調，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，即可控制電機轉動。在8096系統中，可以采用兩種方法來提供模擬量輸出：一種是通過HSO提供。另一種是通過內部脈寬調制器提供，PWM控制電壓由第二種方法產生，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。通過調整靶標光源亮度，可模擬目標動態的明暗強弱變換，在提高訓練難度的基礎上還可訓練設備操作人員的參數設置能力。同時，結合特定試驗條件設定訓練參數，可以仿真不同站址經緯儀的工作情況，為經緯儀試前布站選址提供依據。
    當數字動態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精度，同時要消除旋轉靶標軸系跳動的影響。因此，需要加上位置反饋環節(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，數字動態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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