（通信与信息系统专业论文）多通道爆速测量仪设计.pdf

硕十论文 删删f f i | i | | i i i 删| i i i i l i i i i y 1918 9 31 摘要 在当今爆破技术的研究中，控制爆破技术起着不可忽视的重要作用。要进行有效的 爆破控制，我们就得知道炸药爆炸的性能指标以及各种爆破器材的性能指标，其中爆速 是衡量炸药爆炸性能的重要指标。所谓爆速足指爆轰波的速率，即爆轰传播的速度。准 确的爆速测定对炸药的科学研究，高质量生产以及合理的使用均有着十分重用的指导意 义。 本设计以单片机为控制核心，设计了基于c p l d 的8 通道智能爆速测量仪。整个测 量仪的系统主要分为三个模块：即包括信号产争、信号调理的前端模块：包括计数器、 自检电路、数据选通和缓存三个部分的测时模块；包括数据采集、计算、输入、无线通 信、l c d 显示的单片机控制模块。其中前端信号产生和调理模块主要是先后产生9 个 脉冲信号并整形从而得到九个规则的脉冲信号。测时模块主要是对导爆索中前后九对探 针先后导通之间的时间间隔进行测量，在测时模块的设计中用c p l d 器件来替代传统的 c m o s 电路，利用c p l d 器件可以满足较高的时钟要求，减少布线制板的麻烦，并且 在保密方面也远远优于传统电路。单片机的控制模块可以满足现代爆速仪设计小型化， 微型化的要求，且具有高稳定性。另外，采用i l i 江9 0 5 模块实现无线通信，可以在安全 距离处对测时仪进行相关设定以及测量数据的读取，从而不仪操作上方便灵活，还可以 避免在爆炸现场可能产生的一些不安全隐患。 关键词：爆速，测时，c p l d ，单片机，无线通信 a b s 仃a m 硕t 论文 a b s t r a c t mt o d a ) ，sb l a s t i n gt ec _ h n o l o g yr e s e 鲫c h ，c o n 协o l l e db l 嬲t i n gt c d m o l o g yp l a y sa ni m p o 姗t r o l et h a tc a i ln o tb ei 盟o r e d n e e df o re 虢出v eb l a s tc o 咖l ，w eh a v et 0k n o wt h ee x p l o s i v e p e r | o m 趾c co fb l a u s t i n ge q u i p m e n ta i l d av 撕e 够o fp e r f o n n a l l c ei n d i ca _ t o r s ，i 1 1w h i c h d e t o n a t i o nv e l o c i 够i sa ni n l p o r t a n ti n d i c a t o r t h es o c a l l e dd e t o n a t i o nv e l o c i t ) ri st h er a t co f d e t o n 撕0 n ， t h a ti s l es p e e do fp m p a g ；童t i o no fd e t o n a t i o n d e t e m i i l a t et h ed e t o n a t i o n v e l o c i 够a c c u r a t e l yi sv e 巧i m p o r t a i l tt 0m er e s e a r c ho fe x p l o s i v e s ，h i g l l - q u a l i t yp r o d u c t i o n a n dr a t l o n a ju s l n go te x p l o s l v e s ，、 t t l i sp a p e rt a k e sm i c r o c o n t r o l l e f 鹊t h ec o n t r o lc o r c ，w a sd e s i g n e db a s e do nc p l d8 c h 锻m e li n t c l l i g e n te ) 叩l o s i v er a t em e a s u r i n gi n s 协m l e n t t h ew h o l em e a 刚晡n gi n s t n 珊e n t s y s t e mm a i n l yd i v i d e di i l t o t 1 1 】旧em o d u l e s ：f r o n t e i l ds i 印a l lg e n e r a t i o n 锄dc 0 n d i t i o n i n g m o d u l e ；t i m em e a s u r e m tm o d u l ei n c l u d i n gc o m l t s e l f 二t e s tc i r c u i t s ，d a t as 臼o b ea l l dd a t a c a c h e ；t h em o d u l eo fd a t ac o u e c t i o n ，c a l c u l a t i o n ，i i l l u t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，l c d d i s p l a yt h a tt a k e sm i c r o c o n 仃o l l e r 嬲i t s c o n n 0 1c o r e f r o i m e n ds i 萨a 1g e n e r a t i o na i l d c o n d i t i o n i n gm o d u l eg e i l 蹦她d9p u l s e 8 锄ds h a p i i l gm e m t i m em e 孵u r e m e n tm o d u l ei su s e dt o m e a 8 u r et l l et i l n ei n t e r v a lo ft h ec o n d u c t i o no ft h en i n ep 砒晤o fp r o b e si nt h ed e t o n a t i n g c o r d i nt h ec o u n t e rd e s i 咖n go ft h e 劬n tp 越w eu s ec p l dt 0r 印l a c et h e 仃暑l d i t i o n a lc m o s c i r c u i t s c p l dm e e t sm er e q u i 崩n e n t so fh i 曲e rd o c ka n dc a nr e d u c et h et r o u b l eo ft h e p r o d u c t i o no fp c bb o a r d ，舀咖gu sa 莎e a tc o n v e n i e i l c e ，a i l di t sc o n f i d e i l t i a l i t ya r cm u c h b 酣c e rt h a nt ：h c 拓础t i o n a lc i r c u i t u s i n gm i c r o c o n t r o l l e r 嬲t h ec o n 仃o lc 0 舱c a nm e e tt h e r e q u i r e m e i l t so fm o d e md e s i g no fs m a l le x p l o s i v es p e c dd e t e c t o r m er e q u i r e m e n t s o f m i n i a t 嘶z a t i o na n dh i 曲8 讪i l 虹w cu s en r f 9 0 5m o d u i et 0a c h i e v em ew i r e l e s s c o m m u l l i c a t i o np a r t ，i ti sc o n v 肌i e n t 锄df l e x i b l e ，趾di tc 锄a v o i dt h eh i d d e nd a n g e r st h a t m a yp r o d u c ei nt h es i t eo ft h ee x p l o s i o n k e y w o r d s ：e x p l o s i v er a t e ，t i m em e a s w e ，c p l d ，m i c o n 仃o l l e r ，w i r e l e s s 洲眦证c a t i o n i i 硕l 论文多通道爆速测量仪设计 1 绪论 1 1 爆速测量技术研究的意义 爆炸的实质就是物质的物理或化学的变化。在变化过程中，能鼍发生了的快速转化， 内能转化为机械压缩能，并且使原来的物质或其变化的产物以及周围介质产生运动。由 于物质发生极迅速的化学反应，产生高温、高压而引起的爆炸称为化学性爆炸。 爆破是利用炸药爆炸时对周围介质的作用，达到预期工程目的的一项技术。爆破不 仪可以用于军事目的，而且也广泛应用于国民经济的各个部门，通常我们将前者称为军 事爆破，而后者称为工程爆破。 从1 9 世纪开始，一些猛炸药相继出现后，1 8 6 7 年瑞典科学家诺贝尔发明了雷管， 并用雷管引爆炸药，从而获得高速爆轰现象，这大大推动了爆破技术的发展。爆破对象 由上石扩展到混凝上、钢筋混凝土、金属等材料及其结构物：点火方法也由简单的火绳 点燃法逐步发展为导火索点火法、导爆索传爆法及导爆管传爆法等等。从此，爆破在民 用工程和军事渐渐得到广泛应用。 所谓控制爆破技术就是将炸药所产牛的能量控制在恰到好处的范围内，使它既能达 到预定的爆破目的，又能将炸药爆炸时所产生的飞石、地震波、冲击波以及声响控制在 理想的限度内。控制爆破技术是一项涉及爆炸物理学、爆破工程学、结构力学、震动力 学等学科领域的高新技术，具有爆破对象多样、爆破环境苛刻、起爆技术复杂等一系列 的技术特点。可以相信，控制爆破技术必将在现代化建设中发挥出越来越大的作用【i 】。 要进行有效的爆破控制，我们就得知道炸药爆炸性能指标以及各种爆破器材的性能 指标，其中工业炸药爆炸的性能指标有工业炸药的殉爆距离、工业炸药的猛度及工业炸 药的爆速。 所谓爆速是指爆轰波的速率，即爆轰传播的速度。炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能 的重要指标，准确测定爆速对炸药的科学研究、高质量生产和合理使用均有十分重用的 指导意义。之所以说爆速是衡量炸药爆破能力的重要指标之一，原因主要在于爆速的大 小除了取决于炸药本身的性能外，还与密度、约束条件、药卷的直径等密切相关r 7 1 。 第二次世界大战以后，当时一些国家因战后重建的需要，开始研究控制爆破技术并 加以应用。到了七十年代，这一技术趋于成熟并在全世界得以推广应用。因为爆速是工 业炸药非常重要的爆炸性能指标，所以准确的爆速测量对控制爆破技术有着举足轻藿的 作用。 1 2 爆速测量技术的发展与现状 l 绪论硕l 论文 炸药爆速是衡量炸药性能的重要指标之一。目前炸药爆速测试方法，可以概括地分 为直接测时法和高速摄像法两类，其中高速摄像法是利用高速摄影机，借助于爆轰时波 面的发光现象将爆轰波沿导爆索传播的轨迹连续地拍摄下来。这种方法可以测得爆轰波 通过导爆索任一点的瞬时速度，缺点是仪器操作复杂、仪器设备昂贵、测试条件要求较 高，只有在专门的实验室里才能进行。直接测时法是目前普遍采用的爆速测定方法，通 常又分为道特里什法和探针法两种。道特里什法又称导爆索法，其测试精度取决于导爆 索的爆速取值，在导爆索的爆速没有精确测定的情况下，以此为标准测得的炸药爆速就 存在一定的误差；与此原理相似的导爆管法因为其测试精度依赖于导爆管的爆速取值， 在导爆管的爆速没有精确测定的情况下，测得的炸药爆速同样存在一定的误差。探针法， 它是利用各种类型的测时仪器或装置测定爆轰波从一点传到另一点的时间间隔t ，并 且选用多点测试探针法进行导爆索的爆速测量可以更加准确地测定爆速。目前用得较多 的是测时法，测时法中用常用的是探针法。 其次，在某些电磁干扰强、对弱电离信号难以采集等情况下，目前测速技术中提出 利用光纤直径小、重量轻、电绝缘性好，而且耐腐蚀性和挠曲性都很高并且可以快速传 递光信号，对各种爆炸产牛的光信号有极高的接收和传输能力的特点对火工品的爆速进 行测试。但是光纤测试法还存在着一些诸如对光信号很敏感、对试验环境要求严格的问 题。 另外，近几十年来，有机物定量结构和性质的相关研究迅速发展，使人们有可能根 据有机物结构参数来预测有关的物化参数。人工神经网络成为近年来迅速发展的研究热 点。目前有专家提出结合炸药分子的相关结构参数，运用b p 人工神经网络构建模型， 从而预测炸药分子的爆速。该方法为估算炸药的爆速提供了一种新的途径。 1 3 爆速仪技术发展概况 近年来，我国测量炸药爆轰速度的仪表，由7 0 年代的数字式爆速仪到9 0 年代的智 能式爆速仪，由单段爆速仪到多段爆速仪，在精度和操作功能上均有了很大的提高暗1 。 所谓爆速仪是一种用来测量火药爆炸速度以及燃烧速度的仪器，其功能的优越性和 性能的稳定性对测速的结果将有直接影响，对火工产品的性能评定也产生一定的影响。 目前在用的爆速仪有测速和测时两大种类。 各类爆速仪的共同点在于接口触发电路，晶振时标电路，计数控制电路，显示，电 源电路等是其所共有的电路。由于大多数爆速仪测试的爆速时间短，对晶振的要求也不 高，一般爆速仪晶振准确度在1 0 4 至1 0 5 量级，计数控制一般采用电子门控电路、分频 技术电路，显示器一般采用l e d 或l c d 两种。而各类爆速仪的不同点在于： ( 1 ) 从结构上看，有启一停不是同一输入通道的与启一停是同一输入通道的。 ( 2 ) 从功能上看，有通道接口，断断接口、光电接口、声电接口。 2 硕卜论文 多通道爆速测量仪设计 ( 3 ) 从显示内容与方式看有直接显示速度的和直接显示时间的，有液晶显示和发光二极 管显示的。 ( 4 ) 从集成角度看，有采用大规模集成单片机电路的，大多数采用中规模集成电路，极 少数采用分立元器件。 对以上各类仪器的优劣进行比较发现，仪器中，若启停信号采用不同通道输入，各 通道使用单跳变触发，可保证触发后稳定，而启停信号若采用同一通道的输入时则容易 产生误触发，要想保证稳定，需加封门延时电路，而且封门时间要可变。另外，火药烧 断测试探头线的时间也不尽相同，具有光电，声电功能的仪器其接口输入稳定性能的优 劣取决与传感器及接口灵敏度的密切配合，而采用微机处理的爆速仪集成度高，功能强， 可直接测出速度，还可将多组数据存储，打印等。采用液晶显示比用发光二极管显示功 耗低，但没有发光二极管显示直观，醒目1 。 目前，炸药测试仪研制及生产单位很多，他们分布于北京，江苏，湖南，江西，河 南，安徽，陕西等地，这些单位研制的产品大部分是根据常见炸药产品的测试需要而设 计的，各有其特点。 1 4 本文的主要工作及论文的章节结构 本文设计中，我们就如何测定爆速进行了研究。随着科学技术的发展，对试验装置、 数据采集和处理的测试手段提出了更高的要求。计算机越来越多的应用到各种科研测试 和生产中去。现在许多火工品的生产厂家和科研单位已不满足原始的测试手段和方法， 纷纷要求得到更先进的设备来代替现有的测试设备。 随着e d a 技术发展，考虑到传统爆速仪的设计是由传统的数字电路来设计的，所以 一般分立器件比较多，而这样设计出来的电路板一般部很拥挤。专用集成电路a s c i 的 出现，给电路设计带来了很大的方便。所谓a s c i 是指应特定用户要求或特定电子系统 的需要而设计、制造的集成电路。系统级芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 就是将整个系统 集成到单一半导体芯片上。更确切的说系统级芯片是指综合数字和模拟技术，并将i 0 、 各种转换器件、存储器和c p u 集成在同一封装内，能够高效实现特定功能的i c 。 在本文中，我们使用了一些c p l d 器件来实现计时电路。由于传统的t t l 和c o m s 电路对于时钟的要求不能太高，这样必然对计数的精度有一定的限制，而c p l d 器件则 可以满足较高的时钟要求并且可以减少布线制板的麻烦，这可以给我们带来很大的方 便，且在保密方面也远远优于传统电路。 本文丰要设计一种基于c p l d 器件的多通道智能爆速仪。硬件部分毛要包括信号产 生和调理前端模块，基于c p l d 的测时模块和单片机控制模块。软件主要是用来完成相 关的控制和计数功能，本文章节安排如下； 第一章：主要介绍了选题背景与应用意义并简略介绍了爆速仪测试技术国内外 3 1 绪论 硕论文 发展与现状，同时对本文辛要研究工作进行了说明。 第二章：对各种典型爆速测量方法做简单介绍并确定出系统总体设计方案，画出总 体方框图，介绍整个系统的工作原理。 第三章：本章主要介绍系统硬件电路中前置电路的实现，数据选通、缓冲、采集电 路的实现，单片机的键盘输入、l c d 显示电路的实现以及无线通信接口电路的设计。 第四章：本章丰要介绍了系统中用单片机实现智能控制时的一些软件设计的思想以 及一些主要的程序流程。 第五章：本章主要对整个设计系统的性能做了简单评价以及对系统的测量误差做了 分析。 4 硕卜论文多通道爆速测量仪设计 2 系统方案设计 2 1 爆炸速度测量方法 爆速可用康姆莱特公式( k a m l c tf o m u l a ) 、马丁公式( m a m nf o n t l u l a ) 及其他公式估 算，实际采用测时仪法( t i m i n gm e t h o d ) 、道特利什法( d a u t r i c h em e t h o d ) 、及高速摄影法 ( o p t i c sm e t h o d ) 等测定。 ( 1 ) 道特里什法 该方法的原理是：利用和爆速已知的导爆索进行比较来测定未知炸药的爆速。道特 里什法的试验装置如图2 ll 所示。 l 一被测炸药；2 一导爆索：3 船板： 4 _ 雷管：5 一导爆索中点；嗍轰波相遇点 图2 1 1 导爆索法测定爆速装置 试验方法是：将被测炸药装在某一直径和长度的钢管或者塑料纸筒中，其两端封闭， 一端留有小空将雷管插入，另外药包上留有两个小孔a 和b ，其间距为2 0 0 m m ，将 1 o 2 5 m 长的导爆索固定在铅板上，并且使铅板上的c 的划线对准导爆索的中心，然 后起爆。当爆轰波传到a 处时，爆轰波分两路传爆，一路由a 处经导爆索a c 段先前传 爆，另一路由a 处经炸药a b 段而传入b c 段导爆索，两个方向的爆轰波在d 处相遇时 会留下显著的痕迹。测出c d 间的距离l l ，按下式计算就可得出炸药的爆速： 。2 壶一 亿。， 上式中 d ：被测炸药的爆速 d 1 ：爆索的爆速 l ：插入导爆索两点间( c 、d ) 的距离 l 1 ：导爆索中点至爆痕间的距离。 传统的导爆索测试方法虽然简单，但准确性差，并且自动化程度低，不易说明问题， 2 系统方案设计 硕r l 论文 同时也无法从中分析出导爆索爆速的稳定性n 3 。 ( 2 ) 高速摄影法 它是利用高速摄影机，借助于爆轰时波面的发光现象将暴轰波沿导爆索传播的轨迹 连续的拍摄下来，这种方法可以测得爆轰波通过导爆索任一点的瞬时速度，缺点是仪器 操作复杂，测试精度也比测时法中的探针法低。 ( 3 ) 测时法 该方法也称为测时仪法，在国外也叫离子探针法。其测试原理是：利用炸药爆轰时 爆轰波阵面的电离特性和压力变化，测定爆轰波依次通过各个探针所需要的时间而求出 爆速。如图2 1 2 所示：测试时，在药卷上的c 、d 两点各插入一对电离探针，当爆 图2 1 2 爆速测定的i = 作原理图 轰波沿药卷传播至c 点时，因为爆轰波阵面上的产物处于高温高压状态，电离为正、 负离子，具有很好的导电性，因而使c 点处互相绝缘的一对探针瞬间被导通，从而形 成启动信号，开启计数闸门，于是计数器开始计数。当爆轰波传至d 点时，导通d 点 探针则形成停止信号，关闭计数闸门，于是计数器停止计数，从而可以得到爆轰波通过 长度为l 的药卷所需要的时间仁n t ( n ：计数值，t ：晶振周期) 及爆速 矿：导：去 ( 2 2 ) tn t 因为计时法测定炸药的爆速，具有操作简单，分辨率高、重现性好和对药卷尺寸没 有特殊要求等优点，所以该方法在生产、科研工作中获得了较为广泛的应用。 6 硕l 论文 多通道爆速测量仪设计 2 2 测时爆速仪系统设计方案 2 2 1 系统总体方案 系统的整体设计包括三个模块，分别为前端信号产牛和调理模块、测时模块以及单 片机的控制模块。其中测时模块部分是通过c p l d 实现的，具体结构图如图2 2 1 所示。 图2 2 1 系统结构方框图 2 2 2 系统工作原理 本设计丰要是通过测时法实现爆炸速度的测定。系统中主要是用了8 段共9 对断开 探针实现对连续8 段导爆索的爆炸速度的测量，电路 要分成三大模块：分别为前端信 号产生和调理模块、测时电路模块以及以单片机为中心的键盘输入、液晶显示、无线通 信、外部存储器扩展单片机控制模块。 ( 1 ) 前端信号产生和调理模块 本仪器采用计时法测定爆速，其实质就是快速、精确的分别测量多个相邻脉冲之间 7 单片机控制部分 测时电路部分 2 系统方案设计硕l 论文 微小时间间隔。 图2 2 2 所示为前端信号产生和调理结构图，如图所示沿药包轴向安置9 对常开探针 t o t 8 ，则8 段间距( l l l 8 ) 可分别测知。药包起爆后，沿轴向传播的爆轰波使9 对 常开探针一次接通获得信号，通过各施密特触发器整形电路整形。相继得到9 个脉冲波。 由它们分别去控制各路计数器的开启和结束。 罱罱 t ot lt 7 t 8 i 探i o探 十十 ： 信号形成电路 s m ： 脉冲整形电路 图2 2 2 前端计数原理结构图 ( 2 ) 测时电路模块 在各路计数器开始到结束时间内，时标脉冲便通过计数电路进入相应的计数器，计 数器开始计数嘲。当探针t 1 被接通时，第一个整形电路输出一个单脉冲作为第一路计 数器的计数开启信号。第9 号探针t 9 被接通时产生的信号经过整形电路输出的单脉冲 作为第8 路计数器的计数结束信号，同时向单片机发送一个计数结束信号供单片机查 询。其余各探针及其电路产生的单一脉冲有两个作用：既是本路计数器计数开始信号， 又是前一路计数器计数的结束信号。 计数电路手要对各对探针导通后到下一对探针导通之间的时间间隔做一个脉冲计 数，计数器计数的个数n 乘以时钟脉冲的周期t 就是两对探针导通之间的时间间隔。采 用这种控制电路，便可达到连续测量多段时间间隔的目的。 爆轰完毕后，各段时间间隔数据分别存储于对应的各路计数器中，在仪器没有复位 之前，由单片机对8 个计数器进行选通和数据采集。 自检电路丰要是用串行移入，并行移出寄存器输出9 个等间隔的脉冲信号给计数器 计数，从而检测计数电路是否能够正常工作。 ( 3 ) 以单片机为中心的控制模块 当仪器开机自检并显示正常工作之后，则通过键盘按靶距键输入预先测量好的8 段 靶距值，然后等待起爆，爆轰完毕后，前端测时计数结束，而第9 号探针t 9 被接通时 产生的信号则会向单片机发送一个供单片机查询信号，当单片机检测到这个信号后便对 8 硕l 论文 多通道爆速测量仪设计 计数结束并保存在各路计数器中的计数结果进行选通数据采集，采集的数据经过计算、 保存，然后由键盘控制通过l c d 显示出来或者通过无线通信芯片n r f 9 0 5 传送出去。 系统显示用m z l h 0 4 1 2 8 6 4 l c d 模组显示，该模组显示功耗小，结构灵活且串行通信 所需单片机的i o 资源少。键盘输入采用c h 4 5 2 键盘控制芯片，该芯片可以通过2 个 i o 口线实现和单片机的串行通信，主要完成靶距的输入、结果输出和远程命令的输入。 通信接口采用n r f 9 0 5 模块实现和单片机的无线通信，采用这种通信技术，可以在安全 距离处对测时仪进行相关设定以及测量数据的读取，从而不仅操作上方便灵活，还可以 避免在爆炸现场可能产生的一些不安全隐患。 另外，计时法测定爆速，其实质就是快速、精确的分别测量多个相邻脉冲之间微小 时间间隔，所以为了提高计时法测定的精度，我们给1 6 位计数器提供的计数频率为 1 0 m h z ，最小计时单位为1 0 0 n s 。 9 3 硬件的设计 硕卜论交 3 硬件的实现 3 1 信号产生与调理模块的设计 3 1 1 前端探针装置设计n 们 原材料：f ( o 3 o 5 ) 姗的漆包线。探针有两种形式：“断一通、“通一断”探 头。t 通一断探头：当爆炸物爆炸时，使探头漆包线由原来的短路状态炸断开来，获 得一个正跃变信号。 取适当长的漆包线如o 6 米，对折而不绞缠，将一端两线头用刀刮好。如图3 1 1 所示。 图3 1 1 通断探针，两头漆皮去掉 “断通，探头：当爆炸燃烧时，使空气电离，使原来断开的探头漆包线电离短 路，获得一个负跃变信号。 取适当长如0 6 米的漆包线，对折并缠绞在一起，将一端两线头用刀刮好，如图3 1 2 所示。 端去掉漆皮b 图3 1 2 断通探针 做好的探头线绕在爆破器材上，炸药可插入其中，取信号更可靠些，刮漆皮的线头 留在外边，连上信号传输线用胶带纸缠好，即可完成。单个炸药卷的连接方法参见图 3 1 3 。 b 端去掉漆皮 1 0 h 应大于1 5 0 m m 探针l探针2 图3 1 3 探针线沿着爆炸方向布置 本仪器采用两种方法皆可，但是本文中采用了后面的方法( 断一通探头) ，因为此 硕t 论文多通道爆速测量仪设计 法从理论上分析更准确、可靠。 3 1 2 信号产生电路设计 图3 1 4 信号形成电路 如图3 1 4 可知，探针采用断通式，即探针开始是断路的，在爆轰波来临前探针没有导 通，则没有触发脉冲输入，三极管基极处于反向偏置，高压直流电源v c c 经过大阻值限 流电阻i k 加到三极管的集电极，并经过r c 给c 充电。此时，三极管处于截止状态和临 界导通状态。储能电容c 进入稳态后两端电压为u c e 约为v c c 。当爆轰波到达时，探 针由于炸药的电离特性而短路( 或接近短路) ，脉冲被接了进来。随着正极性触发脉冲 的上升沿输入，三极管迅速进入导通状态，储能电容c 通过三极管迅速放电。c 两端电压 很快降低，当c 的放电电流不足以维持导通状态时，由于基极输入触发脉冲的宽度比较 宽，上升时间长，所以三极管进入饱和状态。当输入触发脉冲结束以后，基极重新处于反 偏，三极管进入截止状态，v c c 通过限流电阻r c 向c 充电，经过大约( 3 5 ) ( r c + r l ) c 的恢复时间，储能电容c 进入稳态，两端电压近似为v c c 。 3 1 3 信号调理模块设计 由上一节电路分析可知，经过信号形成电路后得到一个不规则的负向尖脉冲信号， 但是在计数时，我们需要一个规则的脉冲信号来启动和停止计数器，所以我们要对这个 负向尖脉冲进行整形处理。本电路中我们采用施密特触发器进行整形。数字电路中的矩 形波幅度、宽度都有一定的要求，而实际波形由于来源不同，有的规则，有的不规则， 这就需要一种电路将这些不规则波形变成良好的矩形波再送入控制系统中。施密特触发 器就是一种这样的电路。 3 1 4 信号产生和调理模块仿真 为确保设计的可靠性，借助n i 公司的m u l t i s i m 软件按照信号产生电路及调理电路 v 卜 ，纠式 咒 3 硬件的设计 硕士论文 元件参数搭建电路进行仿真。 鬻誊薯鹬 + ，l j ， ：1 ：i ! ( 酊a ：；：+ ：_ ；一攀 上 图3 1 5 信号产生、调理模块仿真电路图 如图3 1 5 所示，在m u l t i s 妇中利用一个2 s c 9 4 5 三极管和相关的电容电阻构成信 号产生电路，用一个n e 5 5 3 2 p 反向放大器和一个7 4 h c l 4 构成信号调理电路。并且 图3 1 6 信号产生电路的仿真波形图 为了便于观察，在仿真电路中使用了三个示波器来观察每段电路的输出波形。图3 1 6 为示波器x s c l 观测到的信号产生电路产生的一个负脉冲波形。图3 1 。7 为示波器x s c 3 观测到的反相放大器反向后仿真波形。图3 1 8 为示波器x s c 2 观测到的经过反向的脉 冲整形之后的规则脉冲仿真波形。通过仿真验证设计的参数可行，设计的信号调理电路 满足系统要求。 1 2 硕士论文 多通道爆速测量仪设计 渡嚣- x s c 3 8 图3 1 7 负脉冲经过反向放大器之后的仿真波形图 一。? 一。? 。：一一；一z 一 葶示渡器一罩s c 2 漂墓豢荔毒蕊纛篆藉。浚瀵堪菇。蓉凰冀女蘸謦篱藏毫毒瀑豫羞；_ ；i _ 臀孵m 磊巍瓣j ，。黟。巷j l 曼盟 3 2 测时模块设计 图3 1 8 整形后的脉冲波形 3 2 1 测时模块工作原理 测时电路主要包括计数电路、自检电路以及数据缓存、选通电路三个部分。 ( 1 ) 计数电路 由前面的调理电路我们得到9 个规则的正脉冲，我们用第一个脉冲作为第一路计数 器计数的启动信号，用第二个脉冲作为第一个计数器停止计数的信号；与此同时第二个 脉冲还作为第二路计数器的启动信号，而第三个脉冲则作为第二路计数器的计数停止信 号，依次类推，第八个信号和第九个信号分别作为第八路计数器的启动和停止信号。每 3 硬件的设计硕士论文 路计数器计数的时间正好是两个规则脉冲之间的时间间隔，即各段导爆索爆炸的时间。 如图3 2 1 所示为1 6 路计数器的结构框图以及启动和停止信号的波形示意图。另外第九 个信号还作为计数器全部计数结束的标志信号送给单片机查询。当单片机检测到这个查 询信号后便知计数器计数结束，则单片机便可以进行数据的采集。 ( t i t ( i + 1 ) ) q q _ _ q i q q _ _ 图3 2 11 6 位计数器的结构框图及启动和停止信号的波形示意图 ( 2 ) 数据缓存选通电路 当计数器计数结束后，每一路计数器的数据都是保持状态，又由于单片机的数据线 只有8 位，只能顺次的对各路数据采集，这就要求测时电路具备一定的数据缓存和选通 功能。所以缓存电路部分中就有8 路1 6 位的输入信号，三位的选通信号，一路1 6 位的 输出信号。另外，由于单片机每次只能传送8 位数据，所以测时电路还必须具有译码选 通功能对每路数据的高8 位和低8 位的进行分时数据采集。其电路的结构框图如图3 - 2 2 所示。 l k v 2 n l 数 n 0 缓 据 d 存c l k 分 l 和 q i ( 1 铷) 时 ， 选 输 ； 通 出 1 模 f l a g 模 ) 块 ) 块 7 图3 2 2 数据缓存、选通的电路结构框图 ( 3 ) 自检电路 为了确保测时电路测量数据的准确，所以仪器每次在开机上电之后都要进行自检。 自检主要是通过自检电路给8 个计数器提供9 个等时间间隔的脉冲，如果计数器计数正 确，则计数结果应该和已知的数据相等。所以自检电路的任务就是要产生9 个等间隔的 脉冲，在电路设计中我们用一个带有复位端的串行输入，并行输出的移位寄存器来实现。 寄存器的时钟脉冲的宽度即为各个输出脉冲之间的时间间隔。 3 2 2 测时模块c p l d 设计 ( 1 ) e d a 技术及c p l d 的介绍 1 4 硕卜论文多通道爆速测量仪设计 e d a 技术就是以计算机为工具，在e d a 软件平台上，根据硬件描述语言h d l 完 成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局线、仿真，直至 对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。它与电子技术、微电子技 术的发展密切相关。设计者只要利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在e d a 工具的帮助下应用相应的f p g c p l d 器件，就可以得出设计结果。虽然其目标系统是 硬件，但整个的设计和修改的过程如同完成软件设计一样的方便高效。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o 酉cd e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件，主要是由可编程 逻辑宏单元( m c ，m a c r oc e l l ) 围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中m c 结构较复 杂，并具有复杂的i o 单元瓦连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一 定的功能。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、 设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大 众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生 产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。 ( 2 ) 基于e d a 工具的c p l d 开发流程 曰 圈 图3 2 3c p l d 开发流程图 如图3 2 3 所示c p l d 的开发流程为 源程序的编辑和编译 逻辑综合和优化 目标器件的布线适配 目标器件的编程下载 设计过程中的有关仿真 国 圈 1 5 3 硬件的设计硕 论文 硬件仿真硬件测试 ( 3 ) d l 语言及仿真软件简介 v h d l 是超高速集成电路硬件描述语言的英文字头缩写简称，它的英文全名是 v e f y - h i 曲一s p o c di n t e 伊砷耐c 概i th a r d w a r ed e s 嘶p t i o nl a n g u a g e 。19 8 7 年底，d l 被i e e e ( 1 1 1 ei n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c 仃d n i c se n 西n e e r s ) 确认为标准硬件描述语言。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适用于可编程逻辑芯片的 应用设计。与其它的h d l 相比，d l 具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为 系统设计领域最佳的硬件描述语言。 利用v h d l 语言进行设计可分为以下几个步骤： 设计要求的定义 用v h d l 语言进行设计描述 用d l 仿真器对v h d l 原代码进行功能仿真 利用d l 综合优化软件对v h d l 原代码进行综合优化处理 配置 本设计的仿真环境采用的是趾t e r a 公司在m a x + p l u si i 基础上推出的新一代功能强 大的w 斟d o w s 环境下c p l d f p g a 的开发软件q u a r t l l si i 。该开发软件是一个完全集 成化、易学易用的可编程逻辑器件设计环境，可以在多种平台上运用。它所提供的灵活 性和高效性是无可比拟的，其丰富的图形界面，辅之以完整的、可及时访问的在线文档， 使用者能够轻松掌握和使用该软件。利用该软件进行系统设计的流程图如图3 2 4 所示。 1 6 图3 2 4m a r t i l si i 系统设计流程图 硕t 论文 多通道爆速测量仪设计 ( 4 ) 测时电路的c p l d 实现 系统中有两处使用了c p l d 芯片，一处是利用e p m 7 1 2 8 芯片产生9 路相同时间间隔 的自检信号。另一处是用e p m 7 1 2 8 芯片来实现计数和数据的缓存选通。 自检信号的产牛 仪器上电之后要进行开机自检，仪器的自检是由单片机通过内部定时计数器产生 2 m s 的方波来作为一个串行移入，并行移出的移位寄存器的时钟脉冲输入信号，则在移 位器的输出端产生9 个等间隔的脉冲信号，并且时间间隔为2 m s ，该2 m s 的时钟脉冲由 e p m 7 1 2 8 芯片的工作主频分频之后得到。对应的结构框图如图3 2 5 所示。 | ；y ；w 萌一曩 r t ：“a i 【j a 叠： - 譬讯i - - 耐8 旬 图3 2 5 自检信号产生电路的结构图 当开机自检后，如果计数结果为2 0 0 则说明计数电路能够正常工作，则仪器显示 “o k p l e a s ei i l p u t ”，程序的时序仿真波形图如图3 2 6 所示。 1 7 5 葛m ：o 粕r 竹劬辑憎 i m - 岫i i 旺驰憎9 t 玳o 弭e ，吐0 啊 圈堕；c 重匦亟：o 蘑蜜匹】j 里蜜二x 逼塑巫= x 耍匦巫 r 赢丽t 玎一x 1 l i l im 1 1 l i i1 1 1 i l i i i l _ j 图3 2 6 自检信号波形仿真图 计数器、数据缓存和选通电路的实现 由前面测时电路的描述可知，整个测时电路主要包括计数、缓存、数据选择三个模 块，在用q u a 咖si i 软件设计过程中可以用层次化设计的方法来实现把这三个模块做成 个完整测时模块，并且选用e p m 7 1 2 8 芯片来实现。为了提高测时的精度，给e p m 7 1 2 8 提供l o m h z 的时钟信号。具体实现如下： 1 6 位计数器 1 7 3 硬件的设计 硕士论文 计数器在开始和停止两路脉冲信号的控制下进行计数，计数的时钟频率为1 0 m h z ， 对应的仿真效果图如图3 2 7 所示。 h 删t - 哺b 脚；9 甜k 二j p 坤衄 ” 1 1 ，恤， _ r h -减7 憎s i te n 吐f 弓巨 艘p 茹11 警 。o 、一 ! 5 一m ，一 二、蔓e 。 1 3 n j q 广 广1 广l 厂l 厂1 _ j _ 1 _ j _ _ l 1 二广l 厂 【也) z2i h 气 一 吼 e l 图3 2 71 6 位计数器仿真时序图 图3 2 8 数据缓存器时序仿真图 缓存模块 缓存模块主要是根据单片机的地址选择信号选择输出对应的计数结果，对应仿真效 果图如图3 2 8 所示。 数据高低选通模块 由于计数器的计数结果为1 6 位，而单片机每次采集数据只能有8 位，所以由缓存 器送出的1 6 位数据还需要经过高低两次选择采集，高低数据选择器对应的时序仿真图 如图3 2 9 所示。 晗 a 篑 啄 帕 帕 m a s t e ft i m eba r 一一一一一互j 子i 鬲一一二p 。i n t e r ： i 一一一一 i j l v d u e h o 4 8 8 痧oc l k b 痧1f 1 & g b 画2田l i n h4 e 函1 9田q o u t m 丁p s 2 0 早n s4 0 9 n s 4 8 7；n s j j _ 。广 厂 厂 厂 n 厂 厂 厂 广 l ( 4 5 d a x q 9 ( 4 5 x d a x 图3 2 9 数据选择器时序仿真图 最后用原理图输入法得到这三个模块的顶层实体的设计如图3 2 1 0 所示。 硕士论文 多通道爆速测量仪设计 图3 2 1 0 测时电路整体原理图 对应的整体电路的仿真波形如图3 2 1 1 所示。 r 一 卜i 碍器： 1i一 - o mj 0 口一，lr n b l 掣2i i l p bn 嶙 b 0 妒ti bo 驴8h _10 p ih 柚2l0 廿 o l 扣柚3l0 i 1 11 扣“ l0 p 1 2 1 l0 廿1 3 i dlo p i l 时bo 驴l s l 神l0 谤l t “ih 。一 iid l oxo l lil y埘ij j 0xl l l】 。、- j l 一 ，j1 ji _ 一i _ jui _ j n n 月 n n n n n 哺0 回副! 舡 x 鲤z翌x 鲤x 望 鲤x 星x鲤 翌 塑x 芝鲤x! ! 3 3 单片机系统及接口 3 3 1 单片机最小系统 图3 2 1l 测时电路整体功能时序仿真图 1 9 3 硬件的设计 硕士论文 可可亨 图3 3 1单片机最小系统图 单片机的最小系统是指用最少的元件组成的可以工作的单片机系统。一般单片机系 统包括单片机、晶振电路、复位电路，如图3 - 3 1 所示，e a 引脚为片内片外存储器的选 择端，由于系统中要外扩一片e e p r o m ，所以e a 接地。复位电路部分由电容c 1 ，电阻 r 1 和开关k 1 构成。上电瞬间r s t 引脚获得高电平，随着电容c l 充电，r s t 引脚的高 电平将逐渐下降。r s t 引脚的高电平只要能并保持足够的时间( 2 个机器周期) ，单片 机就可以进行复位操作。该电路的参数已经在图中标出。晶振电路由电容c 2 、c 3 和晶 振构成，采用内部震荡方式。 3 3 2 单片机显示接口设计 液晶显示器具有显示信息车富，功耗低，体积小，重量轻等优点，因而是单片机应 用系统中最理想的显示器件。本系统中的单片机由于外接设备较多，i o 资源相对紧张， 所以系统的显示选择了m z l h 0 41 2 8 6 4 这样一块点阵的l c d 显示模组“ 。 ( 1 ) 模块简介 该模组自带两种字号的汉字库以及两种字号的a s c i i 码西文字库；此外该模块特色 的地方就是还自带有直接数字显示。模组为串行s p i 接口，接口简单、操作方便；与各 种m c u 均可进行方便简单的接口操作。图3 3 2 为该模组的结构及引脚示意图。