基于FPGA 的雙光幕測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張少華，李錦明，蘇樹(shù)清

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051;2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引 言

現(xiàn)代兵器工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)兵器測(cè)試技術(shù)，兵器測(cè)試技術(shù)中一項(xiàng)重要的課題就是對(duì)炮彈的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。炮彈的性能參數(shù)主要包括飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行時(shí)間等三項(xiàng)［1］。其中炮彈飛行速度是衡量武器系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一項(xiàng)至關(guān)重要的參數(shù)，尤其是炮彈在離開(kāi)發(fā)射裝置瞬間的初速度，它是影響炮彈射程的一個(gè)重要因素，是檢驗(yàn)武器系統(tǒng)精度是否滿足設(shè)計(jì)要求的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

測(cè)量炮彈飛行速度的系統(tǒng)主要可分為兩種:一種是接觸型測(cè)量系統(tǒng)，另一種是非接觸型測(cè)量系統(tǒng)。接觸型測(cè)量系統(tǒng)由于測(cè)量精度較低、重復(fù)性差、影響外彈道特性等問(wèn)題，已逐漸被非接觸型測(cè)速系統(tǒng)取代。非接觸型測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，更適合測(cè)量炮彈的飛行速度。目前非接觸型測(cè)量系統(tǒng)中又以光幕靶的應(yīng)用最廣，它的優(yōu)點(diǎn)是自帶光源，發(fā)射與接收為一體，測(cè)量精度高，重復(fù)性好，抗干擾能力強(qiáng)。此外，它可以對(duì)不同材質(zhì)和不同口徑的炮彈進(jìn)行同時(shí)測(cè)量而不需要對(duì)靶體做出改變，測(cè)量更加方便。由此，本文提出了一種基于FPGA 的雙光幕測(cè)速系統(tǒng)。

1 雙光幕測(cè)速方法與觸發(fā)方式

1.1 雙光幕測(cè)速方法

光幕測(cè)速系統(tǒng)主要可分為單光幕測(cè)速、雙光幕測(cè)速。相對(duì)于雙光幕測(cè)速系統(tǒng)單光幕測(cè)速系統(tǒng)普遍存在靶面積小、抗環(huán)境干擾能力差等問(wèn)題，為了提高系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的精確性，系統(tǒng)選用雙光幕平均速度測(cè)量法中定距測(cè)時(shí)法對(duì)炮彈進(jìn)行測(cè)速［2］，如圖1 所示。

圖1 光幕測(cè)速示意圖Fig 1 Diagram of light screen velocity measurement

在彈道上預(yù)先設(shè)立靶距為s 兩對(duì)光幕靶，當(dāng)彈體通過(guò)兩個(gè)光幕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)分別記錄這兩個(gè)時(shí)刻t1，t2，差值即為其穿過(guò)兩靶面所經(jīng)歷的時(shí)間，根據(jù)公式

即可計(jì)算出彈體穿過(guò)兩靶面的平均速度。

1.2 雙光幕測(cè)速觸發(fā)方式

雙光幕測(cè)速系統(tǒng)主要利用光幕傳感器中光電探測(cè)器接收到光通量的變化，產(chǎn)生電流脈沖，將此脈沖信號(hào)作為系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，從而觸發(fā)計(jì)時(shí)脈沖。系統(tǒng)將遮擋住光幕傳感器一根光束的輸出值作為閾值，當(dāng)大于閾值時(shí)則開(kāi)始計(jì)時(shí)。

根據(jù)炮彈一般為前尖后平的外形，觸發(fā)方式可分為彈尖觸發(fā)和彈底觸發(fā)兩種。如圖2 所示，炮彈垂直于光幕通過(guò)時(shí)，前沿波形變化較為緩慢，后沿波形變化較為陡峭，即分別為彈尖通過(guò)光幕的過(guò)程和彈尾離開(kāi)光幕的過(guò)程。波形前沿變化緩慢，斜率小，而后沿斜率則較大，因此，在后沿設(shè)定閾值明顯比前沿精度高。為了增加對(duì)比和提高系統(tǒng)精度，系統(tǒng)除了記錄下彈體后沿通過(guò)兩光幕的時(shí)間tf，還記錄下了前沿通過(guò)的時(shí)間ta。具體參數(shù)會(huì)在測(cè)試結(jié)果中進(jìn)行分析，并驗(yàn)證了彈底觸發(fā)方式比彈尖觸發(fā)方式精確度更高。

圖2 彈體通過(guò)光幕波形圖Fig 2 Waveform diagram of projectile pass through light screen

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、光幕傳感器模塊、I/V 轉(zhuǎn)換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、FPGA 控制模塊、存儲(chǔ)模塊、USB 通信接口模塊、上位機(jī)控制軟件組成。

如圖3，雙光幕傳感器模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出，I/V 轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將兩路電流信號(hào)預(yù)處理、濾波放大、整流并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，然后傳輸給A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。FPGA 控制模塊作為整個(gè)測(cè)速系統(tǒng)的核心部分，擔(dān)負(fù)著A/D 轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和USB 通信等關(guān)鍵任務(wù)［3，4］。由于系統(tǒng)資源限制，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，需要把數(shù)據(jù)上傳到PC 上，利用上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，USB 通信接口模塊實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與FPGA 控制模塊的通信。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig 3 Block diagram of overall design of system

2.1 光幕傳感器

雙光幕傳感器選用美國(guó)BANNER 公司的A-GAGE EZARRAY 系列的測(cè)量光幕傳感器EA5E150Q(發(fā)射器)和EA5R150NIXMODQ(接收器)。光幕陣列長(zhǎng)度為150 mm，光束數(shù)量為30 根，光幕間距為5 mm，因此，系統(tǒng)可以測(cè)量5 mm以上的物體速度。該傳感器能產(chǎn)生精確同步光束的傳感器陣列，用來(lái)代替多組傳感器對(duì)，安裝簡(jiǎn)便、易對(duì)準(zhǔn)，安裝支架允許±30°旋轉(zhuǎn)調(diào)整，解決了雙光幕一一對(duì)準(zhǔn)的難題，并且信號(hào)以模擬電流量輸出，輸出范圍為4～20 mA。系統(tǒng)采用直接掃描方式，最大掃描時(shí)間為2.8 ms。根據(jù)以上光幕性能參數(shù)可以求得物體通過(guò)光幕的最大速度。

2.2 I/V 轉(zhuǎn)換電路

運(yùn)放采用Analog Device 公司的低噪聲、高精度運(yùn)放OP07，其各項(xiàng)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通廉價(jià)運(yùn)放。加入高精度運(yùn)放OP07 所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)尤其表現(xiàn)在對(duì)零點(diǎn)信號(hào)的處理上，許多傳感器雖然標(biāo)注著4～20 mA 的輸出指標(biāo)，但在實(shí)際應(yīng)用中這些參數(shù)都存在著誤差，因此，有必要進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。該I/V 電路能夠保證在輸入4 mA 電流的時(shí)候，電路的輸出電壓等于零，從而實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)零，節(jié)省了FPGA 內(nèi)部資源，減輕了編程人員負(fù)擔(dān)。

如圖4，根據(jù)AD 芯片需要的信號(hào)輸入電壓范圍，考慮到小電阻能減輕前方傳感器的供電要求和運(yùn)放U15 的2 倍放大作用，最終R1 阻值選為50 Ω。由于R1 的阻值為50 Ω，為了保證輸入4 mA 電流時(shí)輸出為零，R1 的一端電壓必須為-0.2 V，由于R1 與運(yùn)放U15 的反向端相連，因此，U15 的反向端電壓也等于-0.2 V，所以，運(yùn)放的同向端應(yīng)輸入-0.2 V，它由負(fù)電源提供，通過(guò)R5 與R6 的分壓獲得。R1 與R5 存在著1∶4 的關(guān)系，因?yàn)榱鬟^(guò)它們的電流恰好是4∶1 的關(guān)系。因此，在需要調(diào)整零點(diǎn)電壓的時(shí)候，只需要調(diào)整R6 的阻值即可。為了提高電路的轉(zhuǎn)換精度，對(duì)于R1，R5，R6，R7，R8 等關(guān)鍵電阻器，系統(tǒng)使用了精度達(dá)0.1%，溫度漂移參數(shù)小于50×10-6/℃的金屬膜電阻器。此電路能夠?qū)?～20 mA 直流電流信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成0～1.6 V 的電壓信號(hào)。

2.3 主控芯片選擇

圖4 I/V 轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig 4 Principle diagram of I/V conversion circuit

本設(shè)計(jì)選用Xilinx 公司的XC3S250E 作為系統(tǒng)控制器。它的主要特點(diǎn)包括:引腳到引腳之間具有最小5ns 的邏輯延時(shí)，全局時(shí)鐘最高和引腳最高輸入頻率為66 MHz。該器件具有豐富的邏輯資源，能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，其門(mén)電路數(shù)量較大，時(shí)鐘頻率高，可對(duì)多項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行并行處理，有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，其性能的優(yōu)劣直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)速精度［5～7］。

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換模塊與Flash 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

高精度、高速率的A/D 轉(zhuǎn)換是提高整個(gè)系統(tǒng)測(cè)速精度的重要條件，系統(tǒng)選用了TI 公司的12 位高精度的逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器AD7934，它具有4 個(gè)模擬輸入通道，模擬電壓輸入范圍為0～+2.5 V，采樣率高達(dá)1.5 MSPS，由于系統(tǒng)采用了兩路數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣，所以，單路信號(hào)的采樣頻率為750 kSPS［8，9］。

系統(tǒng)選用 SAMSUNG 的非易失性 NAND Flash K9K8G08U0M 作為存儲(chǔ)器，用來(lái)保證測(cè)得的炮彈速度數(shù)據(jù)可以進(jìn)行后期的分析和處理，其存儲(chǔ)容量為1 GB，數(shù)據(jù)保存時(shí)間最長(zhǎng)為10 年，滿足長(zhǎng)時(shí)間保存數(shù)據(jù)的要求。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)主要是圍繞FPGA 來(lái)完成的，實(shí)現(xiàn)功能有:A/D 轉(zhuǎn)換的控制、FLASH 讀寫(xiě)數(shù)據(jù)、USB 讀數(shù)以及FIFO。FPGA 內(nèi)部邏輯控制流程如圖5 所示。

圖5 FPGA 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖Fig 5 Structure block diagram of FPGA inner logic

其中使用FIFO 模塊用來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速度與Flash讀寫(xiě)速度。USB 讀數(shù)接口直接讀取的是FIFO 內(nèi)的數(shù)據(jù)，而不是直接從Flash 中讀取數(shù)據(jù)，這樣克服了GPIF 很難產(chǎn)生復(fù)雜的時(shí)序直接控制Flash 存儲(chǔ)器的問(wèn)題，利用FIFO，就可以將Flash 復(fù)雜的控制時(shí)序交給FPGA 處理，GPIF 直接從FIFO 中讀取數(shù)據(jù)，從而達(dá)到快速讀數(shù)的目的。

4 測(cè)試結(jié)果

由于受測(cè)試條件限制，無(wú)法進(jìn)行靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行低速測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，將鋼珠和彈頭在同一重心高度做自由落體運(yùn)動(dòng)穿過(guò)光幕，并以鋼珠的速度作為參考速度，光幕靶距s 經(jīng)過(guò)多次測(cè)量求取平均值為12.449 cm，根據(jù)時(shí)間參數(shù)由平均速度測(cè)量法求得炮彈速度，所測(cè)數(shù)據(jù)具體值如表1、表2 所示。

表1 彈尖觸發(fā)方式測(cè)試記錄Tab 1 Test records of bomb tip trigger mode

表2 彈底觸發(fā)方式測(cè)試記錄Tab 2 Test records of bomb bottom trigger mode

對(duì)比同一表格中相對(duì)誤差參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，炮彈速度與相對(duì)誤差呈反比，當(dāng)速度越小時(shí)相對(duì)誤差越大。所以，使用高速飛行的炮彈測(cè)得的相對(duì)誤差會(huì)比表格中的數(shù)據(jù)小很多。對(duì)比表1、表2，參考圖1，可以得出相對(duì)于彈尖觸發(fā)方式，彈底觸發(fā)方式精度明顯更高。

為了讓所采的數(shù)據(jù)更加直觀，這里將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在上位機(jī)上進(jìn)行顯示。由圖6 可以直觀看到炮彈在穿過(guò)光幕的過(guò)程中擋住光束的不斷變化引起的輸出電壓的變化，曲線與實(shí)驗(yàn)所用彈頭的外形輪廓如圖7 基本吻合。圖中電壓呈階梯式變化，這是由光幕傳感器的分辨率引起的，經(jīng)過(guò)I/V 轉(zhuǎn)換后，其分辨率為53.33 mV。

圖6 炮彈通過(guò)光幕過(guò)程圖Fig 6 Process diagram of bomb pass through light screen

圖7 實(shí)驗(yàn)所用彈頭實(shí)物圖Fig 7 Physical map of warhead for experiment

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以FPGA 為控制核心，采用2 對(duì)EZ-ARRAY 系列的測(cè)量光幕傳感器解決了雙光幕靶不易安裝、難一一對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)零點(diǎn)可調(diào)的高精度I/V 轉(zhuǎn)換電路，從而大大提高了炮彈速度測(cè)量結(jié)果的精確度。測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量炮彈速度，并驗(yàn)證了彈底觸發(fā)方式比彈尖觸發(fā)方式精確度更高。系統(tǒng)不僅可以測(cè)得炮彈速度，并且可以通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制彈體輪廓求得彈體體積，這在炮彈碎片動(dòng)能測(cè)試中非常重要。

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