基于红外线光电开关的测速系统设计与应用

　　随着科学技术的快速发展，测速系统的设计应用已渗透到了武器、航天、工业等诸多领域。如在武器系统的研制、定型、生产质量控制、产品检验等研究 中，需要测定弹丸的飞行速度;在高速机车的研制开发过程中，同样需要对其速度加以检测。面对各种各样的测速试验，形形色色的测速方法也随之而来，如多普勒 雷达精度高，但设备庞大，价格昂贵;照相测速方法简单直观，精度较高，但工序繁琐，周期较长;网靶可靠性好，但测试精度低，成本高且测速效率低;相比之下 红外线光电开关利用光通断产生的边沿触发是良好的非接触性测速手段，它成本低廉，在常温或测试环境温度不太高的情况下测速效率高、精度高、测试范围大，在 常规测速中具有显着优势。本文提出一种运用NI6251 高速数据采集卡与LabVIEW 软件相结合的方法替代了传统的基于单片机或FPGA 等自行设计的硬件电路所组成的数据采集分析系统，提高了测速系统的可靠性和测量精度。

　　1 测速系统工作原理

　　红外光电开关测速是通过2 个光电开关之间的距离s 以及测量运动物体通过2 个光电开关的时间间隔t 然后做除法而得到其平均速度的测速方法。

　　当无运动物体遮挡光电开关时，光电开关的接收端输出高电平信号，当有物体经过遮挡时，光电开关的接收端输出低电平信号。即当高速物体经过一对光电开关时会先后形成2 个高电平到低电平的脉冲信号。通过计时周期的方式测出这2 个下降沿之间的计数周期个数n，计时原理如图1 所示。

图1 计时原理图

　　根据计时原理可得到计时时间t：

　　运动物体在s 上的平均速度：

　　2 系统设计

　　通过对测速原理的分析可知，s 可以由刻度尺直接测量得出，因此测速系统主要由计时电路和软件除法运算单元构成。计数器在第1 个脉冲信号的下降沿开始计时，在第2 个脉冲信号的下降沿停止计时，而后将得到的计时时间传送给上位机软件进行处理得到测量值。

　　2.1 计时电路设计

　　计时电路是基于NI6251 内部时钟计数器来设计的， 相比较一般51 单片机12MHz 的晶振和FPGA的50MHz 的晶振，NI6251 所提的80MHz 晶振计数精度更高，测速时2 个光电开关所产生的脉冲信号时间间隔会被更准确地记录。计时电路设计如图2 所示。

图2 计时电路设计图

　　2.2 软件设计

　　LabView 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，由NI 公司研制开发。现被广泛应用于虚拟仪器设计相关的科研领域。根据测速系统原理和人机交互优化原则设计软件流程如图3所示。