基于FPGA的高速運動目標單光幕測速系統(tǒng)設(shè)計

馬學林 嚴仲明 董 亮 廖文婷 李海濤 王 豫

摘 要:在對高速運動物體的速度量進行測量時,雙光幕平均速度測量法是目前應(yīng)用較為廣泛的測量物體速度的方法,但是在此方法中可能存在由于兩路信號傳輸時間不一致和雙光幕無法絕對平行而產(chǎn)生的誤差,從而直接或間接地影響測量結(jié)果的精度。提出一種使用單光幕對運動物體速度進行測量的方法,避免了上述誤差的產(chǎn)生,節(jié)約成本且實現(xiàn)簡單,理論上可以達到更高的精度。基于FPGA的速度測量系統(tǒng)設(shè)計,以 QuartusⅡ為軟件平臺,采用模塊化設(shè)計并通過數(shù)碼管驅(qū)動電路動態(tài)顯示最終結(jié)果。具有外圍電路少,集成度高,可靠性強等特點。

關(guān)鍵詞:速度測量;單光幕;FPGA;精度分析

中圖分類號:TP21文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)12-001-03

Design of Velocity Measuring System with Single Light Curtain Based on FPGA

MA Xuelin1,2,YAN Zhongming1,2,DONG Liang1,2,LIAO Wenting1,2,LI Haitao1,2,WANG Yu1,2

(1.MOE Key Lab of Magler Technology and Vehicle,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China;

2.Superconductivity R&D; Center,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract:The popular method of measuring velocity is usually use two light curtains.But the two signals from each light curtain can not be syncsignals for the signals transmit though the different path and the two light curtains can not be parallelled absolutely both cause messuring errors.In this paper the velocity measuring system is designed based on single light curtain,avoiding most of the error mention above and easy to be realized,the result is more accurate in the abstract.The velocity measuring system based on FPGA with virtue of few periphery electric circuit.High intergration and high reliability is modular designed with QUARTUSⅡsoftware and can be displayed with the digital driving circuit.

Keywords:velocity measurement;single light curtain;FPGA;precision analysis

0 引 言

高速運動物體的物理狀態(tài)檢測分析一直以來都是一項重要的研究內(nèi)容,特別是對于高速運動物體瞬時運動速度的檢測。這是瞬態(tài)過程及效應(yīng)物理研究中的一個有待發(fā)展的領(lǐng)域,可能會導致極端條件下的新物理效應(yīng),在高速碰撞等方面有著直接的應(yīng)用背景,也給檢測和控制技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。

1 測量方法

對于高速運動的物體,常用的速度測量方法按測量原理可分成三類,即瞬時速度測量法、平均速度測量法和多普勒原理測量法。瞬時速度測量法采用彈道擺或微波傾角法,可以換算出物體的瞬時飛行速度,但測試誤差較大,目前很難達到高的精度。多普勒測速法是利用波傳播中多普勒效應(yīng)進行測速的方法,也是一種比較有效的測量速度方法。平均速度測量法是在測量目標前進方向放置兩道光幕;通過測量兩光幕之間的距離S和測量目標通過兩光幕之間的時間t;然后利用平均速度公式v=S/t計算測量目標的速度,如圖1所示。

圖1 雙光幕平均測速法原理

但在使用雙光幕的平均速度測量法中,由于每個光幕及其后處理電路在工作中的處理速度和延時不可能完全一致,這樣就會造成難以避免的誤差。在要求高精度的測量中,這些誤差會對結(jié)果產(chǎn)生附加的負面的影響。另外,兩個光幕射出的光要求嚴格平行,否則測量結(jié)果也會產(chǎn)生誤差,而嚴格平行在現(xiàn)實測量中也很難做到。

基于此,這里提出一種單光幕的速度測量系統(tǒng)。在避免兩路信號通過光幕及其后的電路時由于處理時間不一致而在產(chǎn)生誤差的同時,也避免了因兩束光線不平行產(chǎn)生的誤差。

2 測量系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)采用單光頭測量,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。將光源置于發(fā)射器出口處的上方,并在其下方固定光敏器件,使光敏器件可以準確接收到光源所發(fā)出的光束。測量開始后,當目標前端擋住光源發(fā)出的光時,光敏器件因接收不到光而輸出低電壓信號;當目標通過后,光敏器件重新接收到光源所發(fā)出的光后,輸出變回高電壓信號。被測目標的長度L可以事先通過矩陣鍵盤輸入到測速度系統(tǒng),根據(jù)電信號的變化觸發(fā)和停止計數(shù)單元,可以記錄到目標通過光源下方的時間t,在假設(shè)目標運動方向與光束垂直時,可近似取L計算目標在這段時間內(nèi)的平均速度v=L/t。此時,目標不受運動方向上力的作用,所以速度變化微小,此速度可看作目標的出口速度。

圖2 單光幕平均速度測量法原理圖

從以上過程可以看出,在保證整套系統(tǒng)具有高精度的同時,對光電轉(zhuǎn)換器件性能的依賴大大降低。同時因為兩路信號均經(jīng)過同一套處理電路,所以信號在路徑上的延時幾乎完全一致,提高了測量精度。因此,此方法具有測試精度高,靈敏度調(diào)節(jié)靈活,成本低等特點。

3 系統(tǒng)模型

為了在數(shù)據(jù)處理和運算時仍能達到更高的精度和更快的處理速度,考慮采用時鐘頻率較高的FPGA芯片實現(xiàn)此系統(tǒng)。這樣做的好處是可以采用先進的Top-Down設(shè)計方法,從系統(tǒng)原型入手,在頂層進行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計。在功能級進行仿真、糾錯,并用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述,然后用綜合工具將設(shè)計轉(zhuǎn)化為具體門電路網(wǎng)表后,將整個系統(tǒng)下載到FPGA芯片中執(zhí)行。由于設(shè)計的主要仿真和調(diào)試過程是在高層次上完成的,這不僅有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的錯誤,避免設(shè)計工作的浪費,而且也減少了邏輯功能仿真的工作量,提高了設(shè)計的一次成功率。所以FPGA芯片在理論上更加適合作為此方案的硬件載體。

此系統(tǒng)在FPGA中的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 FPGA中的數(shù)據(jù)處理流程圖

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)處理過程可以建立系統(tǒng)的頂層功能模塊框圖如圖4所示。主流FPGA的規(guī)模和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全可以滿足框圖要求,可見在FPGA中實現(xiàn)此速度測量系統(tǒng)完全具有可行性。

圖4 頂層功能模塊圖

4 測量精度分析

采用單光源測量運動目標速度的測量原理雖然簡單,但想要滿足所有的理想測量條件卻非常困難,如果要進行詳細的精度分析則更為復(fù)雜。在圖1所示的原理中,理想測量的前提條件是:

(1) 配套外圍器件工作速度足夠穩(wěn)定;

(2) 目標運動方向與光束嚴格垂直;

(3) 光源發(fā)出的光束無限細;

(4) 計數(shù)器不存在計數(shù)誤差;

(5) 被測目標的長度測量準確。

但在實際情況中,上述條件都無法完全滿足,正是這些微小的改變造成了最終測量結(jié)果與實際速度的誤差。所以精度的分析需要從這幾個方面的誤差源頭入手?？梢詫⑸鲜龅?1)、(3)、(4)歸為時間上的誤差,而將(2)、(5)歸為長度上的誤差。

4.1 配套外圍器件的影響

一般高速光電器件產(chǎn)生信號的延遲時間為3～5 μs,但由于采用單束光獲取信號,使得在一次測量過程中的開始和結(jié)束兩次信號傳輸都經(jīng)過相同的路徑,外圍器件的延時可以絕大部分抵消;但還是會存在由于器件精度引起的兩次延時的微量不同,取1/10最大延遲時間得出Δt1=0.5 μs。

4.2 目標運動方向偏差的影響

在目標運動速度與光束的方向垂直時,可近似取目標長度L,計算運動目標速度,但當目標并沒有嚴格垂直于光束而有θ的偏轉(zhuǎn)時,L是與目標運動方向相關(guān)的量,L′=Lcos θ。假設(shè)目標在出口處最大偏差角為1°,則可計算出長度誤差ΔL1=L-L′=L(1-cos θ)=1.523×10-4L,若取長度L=0.1 m計算,則ΔL1=1.523×10-5 m。

4.3 光點直徑的影響

由于光束不是無限細,所以無法確定目標擋住多少光束時光敏器件會產(chǎn)生信號,假設(shè)光束直徑(d)為1 mm,目標速度(v)為1 000 m/s時,最大時間誤差Δt2=d/v=1 μs。

4.4 計數(shù)誤差的影響

該設(shè)計中采用40 MHz的晶振,定時步長為25 ns,由于無法確定計數(shù)開始時的時鐘狀態(tài),所以在計數(shù)的開始和結(jié)束時均可能產(chǎn)生最大一個時鐘周期的計數(shù)誤差,最大誤差為Δt3=25×2=50 ns。

4.5 目標測量精度的影響

被測目標的長度L在測量過程中,由于測量工具的限制,得到的被測目標長度值也不可避免地會存在誤差,假設(shè)用高精度的游標卡尺測量,測量精度可以達到0.01 mm,ΔL2=0.01 mm。通過分析,目標運動距離測量總誤差為:

ΔL=ΔL1+ΔL2=0.0152 3+0.01=0.025 23 mm

Δt=Δt1+Δt2+Δt3=1.55 μs

當L=1 000 mm,t=1 ms時:

v=L/t=1 000 m/s

根據(jù)誤差傳遞公式:

(Δv/v)×100%=(ΔL/L+Δt/t)×100%=

[(ΔLt+ΔtL)/tL]×100%=0.157%

通過以上計算,系統(tǒng)的總體誤差為0.157%,達到較高的精度。

5 結(jié) 語

本文在充分調(diào)查了當前針對高速運動目標的速度測量方法的基礎(chǔ)上,提出利用單光幕平均速度測量法測量高速運動目標的速度。避免了使用雙光幕平均速度測量法時由于兩路信號時延不同和兩光幕不平行而產(chǎn)生的誤差;同時減少一個光幕的使用,降低了系統(tǒng)成本。采用高時鐘頻率的FPGA作為主要實現(xiàn)芯片,在進一步減小系統(tǒng)誤差的同時保證了系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性,是一套較為理想的速度測量方案。

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作者簡介 馬學林 男,1981年出生,黑龍江大慶人,西南交通大學在讀碩士研究生。主要研究方向為數(shù)字IC設(shè)計。