\chapter{硬件设计} \section{信号放大电路} 在光电探测系统中,探测器输出的电信号非常微弱,一般为毫伏级。为记录每一次打靶的结果,信号放大与处理电路是打靶系统中不可或缺的。在探测器上直接进行信号处理十分困 难,一种常用的解决办法是在探测器后接前置放大器,用来放大探测器的输出信号,然后成 功地传输到信号处理系统的有关电路部分。前置放大器的设计要求是低噪声,高增益,低输 出阻抗,大的动态范围,和较好的抗噪声能力。 在激光打靶系统中,对光电池产生的脉冲信号的具体大小值要求不高,只需检测出有效的脉 冲信号,因此可选用集成运放来组成运算放大电路。 通过测试,得到光电探测器对的激光脉冲的响应幅度典型值约为$\qty5\mV$,若激光击中 在两块或多块探测器边界处,则任何一块光电探测器的响应幅度会减少,因此所检测的脉冲 幅度范围大约是$\num3\sim\qty5\mV$.为使每块光电探测器均能检测出信号,使之达到 TTL 电平要求,实现信号检测,必须对信号放大约 1000 倍。单级运放难以达到这么高的 放大倍数,因此采用二级运放进行放大,第一级为前置放大器。为减少前级放大器的偏移对 后级放大器的影响,设计其放大倍数$A_1=100$;从而次级放大器的放大倍数$A_2=10$。 \subsection{集成运算放大器(LM324)} 集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件\cite{cn9},早期主要用来实现对模拟量进行 数学运算的功能,目前随着器件性能的改进,它已成为通用的增益器件,应用范围非常广泛。 从电特性来看,集成运放接近理想的电压放大器件,它不仅有很大的输入电阻和很小的输出 电阻,而且还有很高的电压增益,此外,静态工作时,它的输入和输出电位均为零,这样, 在与其它集成运放连接时,就不需要考虑它们之间的电平配置问题。 LM324 是四通道的低功耗运算放大器,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电 源共用外,四组运放相互独立,其性能参数有以下几个方面: \begin{enumerate} \item 单电源工作方式,工作电平$\qty3\V\sim\qty{30}\V$ \item 低消耗电流:约$\qty{0.8}\mA$ \item 低输入偏移:输入电压偏移:$\qty3\mV$(Typ);输入电流偏移:$\qty2\nA$(Typ) \item 开环增益:$\qty{100}\V/\unit\mV=\qty{100}\dB$(Typ) \item 宽响应频带 \end{enumerate} \newpage \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .595\linewidth]{image-0162} \caption{LM324内部结构} \label{4-1} \end{figure} \subsection{放大电路图} \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .93\linewidth]{image-0163} \caption{运算放大器电路图} \label{4-2} \end{figure} 放大器电路如\cref{4-2} 所示。它由两级结构相同的同相放大器组成,集成放大器选用 LM324(\cref{4-1})。信号经隔直流电容C1从第一级放大器的正端 ``\ensuremath+''输入,经过放大后输出,再经过级间耦合电容C2输入第二级放大器 的正端。前级的放大倍数$A_1=R_2/R_1=100$,后级的放大倍数$A_2=R_6/R_5=10$, $R_3$和$R_7$为输入匹配电阻。 \subsection{电路原理} \begin{enumerate} \item 同相放大器\cite{cn10}(\cref{4-3}) 集成运放是一种十分理想的增益器件,性能好,使用方便。该电路采用 2 级放大器级 联,每级的放大器均采用同相放大。 由集成运放构成的同相放大器,其特点是输入信号加在同相输入端,而反馈信号加在反相端。根据理想化条件,由于$v_+=v_s$,因而$v_-\approx v_s$。更具$i\to0$(虚断),$v_-$又是$v_o$在$R_1$上的分压值,即: \begin{equation} v_-=v_o\frac{R_1}{R_1+R_f} \end{equation} 因而,放大器的增益: \begin{equation} A_{V_f}=\frac{v_o}{v_s}=\frac{R_1+R_f}{R_1}=1+\frac{R_f}{R_1} \end{equation} $\because A_{V_f}>0$,所以$v_o$与$v_s$同相。 \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .54\linewidth]{image-0236} \caption{同相放大器} \label{4-3} \end{figure} \item 外围电路 光电传感器对外部光线也有响应,因此必须滤除这种干扰。由于背景光线是持续信号,其 响应主要是直流量,在第一级放大器输入端的前面设计接入一个$\qty1\uF$电容C1起到 隔离直流作用,能起到很好的效果。第二级的$\qty1\uF$电容C2用于两级放大器的耦合。 第一级放大器输入端和地之间接 R3;第二级放大器输入端和地之间接 R7。使得: \begin{equation} \begin{cases} R_3\approx R_1//R_2\\ R_7\approx R_5//R_6 \end{cases} \end{equation} 这样,运放的正、负输入端对地的等效电阻相等,从而降低运放的电压偏移。 \end{enumerate} \subsection{电路参数} \begin{enumerate} \item \makebox[9em][l]{输入脉冲幅度:} $U_i\approx\num3\sim\qty5\mV$ \item \makebox[9em][l]{输入电阻:} $R_i\approx\qty{10}\kohm$ \item \makebox[9em][l]{输出电阻:} $R_o\approx\qty1\kohm$ \item \makebox[9em][l]{放大倍数:} $A=A_1\cdot A_2\approx10\times100=1000$ \item \makebox[9em][l]{放大器级数:} 两级,前级$A_1\approx100$;后级$A_2\approx10$ \item \makebox[9em][l]{耦合方法:} 电容耦合 \end{enumerate} \clearpage \vspace*{-1.5em} \section[整形电路]{整形电路\cite{cn11}} 光电池的输出脉冲并不是规则的矩形脉冲信号,而是类似升余弦信号。再经放大后也会产生 失真,因此必须对信号进行整形。采用常用的 CD4093 施密特触发器便可实现整形功能,改 善脉冲波形,确保后续编码器的正常编码。 施密特触发器不仅可以进行波形整形,它的迟滞特性还可以有效地克服噪声和干扰的影响,只要噪声和干扰的大小处在迟滞宽度内,就不会有错误的输出。施密特触发器属于电平触 发,对于缓慢变化的信号仍然适用,当输入信号达到阈值电压时,电路状态发生转换,通过 电路内部的正反馈过程使得输出电压的波形的边沿变得很陡峭。利用施密特触发器可以实现 有效脉冲的识别见\cref{4-5}。 \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .65\linewidth]{image-0284} \caption{施密特触发器的电压传输特性\quad (a) 同相输出;(b) 反相输出} \label{4-4} \end{figure} \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .95\linewidth]{image-0285} \caption{利用施密特触发器实现有效脉冲的识别} \label{4-5} \end{figure} \section[编码电路]{编码电路\cite{cn11}} 对于 38 路信号通道,必须对其进行编码以便于信号识别和传输。38 路信号按照设计方案 编码为 1--38 号,脱靶无信号记为 0 号。对多个探测器同时接收到信号的情况,对应于 探测器的码号就是取码号大的探测器为有效,采用优先编码器便可实现编码的优先选择。 商用的单个优先编码器的编码输入最多只有 8 路,要构成更多路的优先编码 器,可以采用 6 片 8-3 优先编码器进行扩展为 40-6 优先编码器。 \subsection{编码电路图} \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .93\linewidth]{image-0289} \caption{40-6 优先编码器电路图} \label{4-6} \end{figure} \subsection{电路原理} \begin{enumerate} \item 优先编码器(74HC148) 8-3 线优先编码器的功能表如\cref{4-7}。待编码的 8 条输入线 采用 8 中取 1 码,逻辑 0 有效,编码后的输出 用反码表示。可以看出,编码器是以输入为 0 的最高 优先编码的,而低位若同时输入 0,则是无意义的。此外,电路还设有选通输入,即使能 端 EI,它也是逻辑 0 有效;输出还设有允许输出端 Eo 及允许扩展端 Gs,利用它们 可判断出 是否有效,以及是否允许扩展编码。根据真值表,写出编码器的逻辑表达式如下: \begin{equation} \begin{aligned} \overline{A_2}&=\overline{EI}\cdot I_7+\overline{EI}\cdot I_7\cdot I_6\cdot\overline{I_5}+\overline{EI}\cdot I_7\cdot I_6\cdot I_5\cdot\overline{I_4}\\ &=\overline{EI}(\overline{I_7}+I_7\overline{I_6}+I_7I_6I_5\overline{I_4})=\overline{EI}(\overline{I_7}+\overline{I_6}+\overline{I_5}+\overline{I_4}) \end{aligned} \end{equation} 故: \begin{equation} A_2=\overline{\overline{EI}(\overline{I_7}+\overline{I_6}+\overline{I_5}+\overline{I_4})} \end{equation} 同理: \begin{gather} A_1=\overline{\overline{EI}(\overline{I_7}+\overline{I_6}+I_5I_4\overline{I_3}+I_5I_4I_2)}\\ A_0=\overline{\overline{EI}(\overline{I_7}+I_6\overline{I_5}+I_6I_4\overline{I_3}+I_6I_4I_2\overline{I_1})} \end{gather} 而允许输出为: \begin{equation} E_OE_0=\overline{\overline{EI}\cdot I_7I_6I_5I_4I_3I_2I_1I_0} \end{equation} 允许扩展端是: \begin{equation} Gs=EI+\overline{EI}\cdot I_7\;I_6\;I_5\;I_4\;I_3\;I_2\;I_1\;I_0=\overline{\overline{EI}\cdot E_O} \end{equation} \begin{table}[htbp] \centering\scriptsize \renewcommand\arraystretch{1.12} \begin{tabular}{|>{\centering\arraybackslash\sffamily}p{.04\linewidth}|*{8}{>{\centering\arraybackslash\sffamily}p{.04\linewidth}}|*{3}{>{\centering\arraybackslash\sffamily}p{.04\linewidth}}|*{2}{>{\centering\arraybackslash\sffamily}p{.04\linewidth}}|} \hline \multicolumn{9}{|>{\sffamily\bfseries}c|}{INPUTS} & \multicolumn{5}{>{\sffamily\bfseries}c|}{OUTPUTS}\\ \hline EI & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & A2 & A1 & A0 & GS & EO\\ \hline H & X & X & X & X & X & X & X & X & H & H & H & H & H\\ L & H & H & H & H & H & H & H & H & H & H & H & H & L\\ L & X & X & X & X & X & X & X & L & L & L & L & L & H\\ L & X & X & X & X & X & X & L & H & L & L & H & L & H\\ L & X & X & X & X & X & L & H & H & L & H & L & L & H\\ L & X & X & X & X & L & H & H & H & L & H & H & L & H\\ L & X & X & X & L & H & H & H & H & X & L & L & L & H\\ L & X & X & L & H & H & H & H & H & X & L & H & L & H\\ L & X & L & H & H & H & H & H & H & X & H & L & L & H\\ L & L & H & H & H & H & H & H & H & X & H & H & L & H\\ \hline \end{tabular} \caption{8-3 线优先编码器真值表(74HC148)} \label{4-7} \end{table} \item 8-3 线优先编码器扩展为 40-6 线优先编码器(\cref{4-6}) 5 片 74HC148 并排用作输入,其输入从低位片到高位片排列为 $I_0\sim I_{39}$ 。每一个高位片的输出允许端 Eo 接其相对低位片的使能端 EI。这样,当总使能$\text{EI}=0$时,允许电路进行编码工作,若高位片的诸输入中有一 个为$0$时,该片的 $\text{Eo}=1$,$\text{Gs}=0$,这样就禁止了低位片的编 码,以此类推,5 片 74HC148 的输入端编码便具有了优先性。 5 片 74HC148 的允许扩展端 Gs 按低位片至高位片的顺序分别接到第六片74HC148 的$I_0$、$I_1$、$I_2$、$I_3$、$I_4$输入端,而$I_5$、$I_6$、$I_7$端则接 高电平(表示无输入)。这样第六片 74HC148 的三位输出便表示整个 40-6 线优先编 码器的高三位$A_5$、$A_4$、$A_3$。而 40-6 线优先编码器的低三位输出$A_2$、$A_1$、$A_0$与前 5 片 74HC148 的输出端一致。 由于 74HC148 的输出端不是三态门,不能直接连接在一起。而把 5 片 74HC148的同 名输出端接到 74LS30(8 输入的与非门)取与非便可以解决这个问题。同时输出取反, 输出为逻辑 1 有效。为使高三位输出与低三位输出一致,用 CD4049反相器对高三位取 反。 40-6 线优先编码器的六个输出均为逻辑 1 有效,可以接到后续的 2051 单片机进行串 行传输。 \end{enumerate} \section{串行传送} 为实现将编码器输出的 6 位并行信号串行传送,同时实现数据发送和打靶射击的同步性。采 用 89C2051 单片机便可实现要求。 \subsection{单片机及外围电路图} \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .9\linewidth]{image-0419} \caption{2051 单片机及其外围电路图}\label{4-8} \end{figure} \subsection{电路原理} \begin{enumerate} \item 编码器的输出通过 2051 P1 口的低 6 位(高 2 位接地为逻辑 0)输入。 \item 选用 $\qty{11.0592}\MHz$ 的晶振构成单片机的时钟,这样在串口工作方式 1 下可得到准确的 $\qty{9600}{bps}$ 的串行波特率,方便计算机的接收。 \item 单片机接有复位开关按钮。 \item 实现打靶和信号采集传送的同步化。 \end{enumerate} 由于采用单片机的外部中断 0($\overline{INTO}$)作为数据串行传送的使能端,且 $\overline{INTO}$设为下降的跳变沿有效。使能开关(激光枪的开关)一端接地,另一 端接$\overline{INTO}$,又经上拉电阻接到电源,这样当开关按下时,便有下降沿的跳变信号输入$\overline{INTO}$,产生中断。 同时,开关又要同步控制激光枪的发射。因此开关又接激光头的负端,从而控制激光头负端 的接地,只有当开关按下时,激光头两端才有工作电压。 这样,同一个开关既控制单片机的中断,又同时控制激光枪的发射,从而达到打靶和信号采 集传送这两个“动作”的同步化。 \subsection{AT89C2051 单片机\cite{cn12}} AT89C2051 单片机是 AT89C51 的简化型号,其指令系统和内部 RAM 均与 AT89C51相 同。不同的是它的内部 ROM 为 2k,而 89C51 为 4k,而且 2051 比 89C51 少了 P0 和 P2 输入/输出口以及外部 ROM、RAM 的扩展端,因此在引脚上 2051 只有 20 个脚。 AT89C2051 单片机主要适用于较为简单的微控制系统。在本系统中,用到 AT89C2051的 6 个外部 I/O 口,一个外部中断和串行输出口。 \newpage \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .53\linewidth]{image-0439} \caption{2051 信号引脚图} \label{4-9} \end{figure} \section{电平转换} 在不同的数字系统中,其电平标准是不同的。该系统中就包括了 TTL 电平标准和 RS-232 电平标准,要实现两个标准的正常通信,必须进行电平转换。该系统采用使用简单的 MAX232CPE 芯片。 一片MAX232CPE芯片可完成2路TTL/CMOS~RS-23 的电平转换和2路RS-232~TTL/CMOS 的电平转换。实际电路中只有一路单片机的 TXD 串口输出,不进行RXD串口输入。因此,选 用引脚 11 接 2051 TXD 串口输出;而对应的 14 脚则接到计算机的串口输入端。 \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width = .52\linewidth]{image-0440} \caption{MAX232CPE 芯片内部结构} \label{4-10} \end{figure}