0 引言
彈丸飛行速度的測量是武器系統(tǒng)各種運動參數(shù)中一項至關(guān)重要的內(nèi)容,它是衡量火炮特性、彈藥特性和彈道特性的一個重要指標(biāo)。在眾多的彈丸速度測量系統(tǒng)中,激光光幕區(qū)截測速靶以其精度高而獨具優(yōu)勢。但采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,不僅成本高,而且易受機箱等環(huán)境的限制。介紹了一種以FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),當(dāng)子彈穿過光幕靶時,光電探測器獲得彈丸過靶信號,F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號采集并存儲,以供后續(xù)分析和處理。
1 激光測速靶原理簡介
激光測速靶就是一種利用光測法測量彈丸速度的測試裝置,它由初速靶和存速靶組成,初速靶和存速靶又分別由啟動靶和停止靶組成。激光測速靶的光源為半導(dǎo)體激光器.激光束經(jīng)準(zhǔn)直、柱面反射鏡的擴束形成入射光幕,彈丸依次過靶時,先后遮擋部分入射光線,經(jīng)原向反射屏反射后由光電探測器獲取彈丸過靶時的交變信號,信號調(diào)理后,由數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行采集,最后傳輸?shù)缴衔粰C做數(shù)據(jù)處理和運算,得出子彈的飛行速度。
2 數(shù)據(jù)采集方案
為記錄子彈在啟動靶和停止靶的過靶信號,以啟動靶信號為觸發(fā)源,負(fù)延時觸發(fā)FPGA控制2個A/D轉(zhuǎn)換器同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,將采集到的數(shù)據(jù)分別存儲到SRAM中,然后通過USB依次將SRAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行信號的分析和處理。單通道數(shù)據(jù)采集方案如圖2所示。
3 器件選型及依據(jù)
3.1 FPGA的選擇
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫,即現(xiàn)場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。
本系統(tǒng)采用了Xilinx公司生產(chǎn)的XC2S50型FPGA。XC2S50是Spartan-Ⅱ系列產(chǎn)品中的一款,它采用了2.5V電源供電,系統(tǒng)性能可達(dá)200 MHz,具有50 000個系統(tǒng)門,CLB數(shù)量為16×24,LC為1728,BlockRAM容量32 Kbit,擁有176個I/O口。其中XC2S50TQl44的用戶可用I/O口為92個,完全能滿足系統(tǒng)的需要。
3.2 ADC的選擇
步槍子彈出膛時的初速約為710 mps,彈頭長約2.5 cm。激光靶激光束寬2 mm,容易算出激光束被子彈遮擋的時間為:(25+2)/700 000=O.000 038 57 s=38.57μs,也就是說探測器要采集的信號的頻率為1/38.57 MHz=25 926.88 Hz。根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理,ADC的采樣頻率應(yīng)≥51 853.76 Hz,實際應(yīng)用中采樣頻率應(yīng)≥259 268.8 Hz。
AD7482是ADI公司推出的一款12位高速、低功耗逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,配有一個并行接口,最高吞吐量可達(dá)3MSPS。該器件內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣一保持放大器,可處理40 MHz以上的輸入頻率。
3.3 存儲器的選擇
可作為固態(tài)記錄器件的半導(dǎo)體件有多種,主要包括SRAM,DRAM,F(xiàn)RAM,F(xiàn)LASH等幾種器件。由于采集的時間短,數(shù)據(jù)容量小,采用SRAM就能滿足應(yīng)用。N08T1630C1BT是NanoAmp Solutions公司一款低功耗512 k×16 bit SRAM,它有19位地址線,16位數(shù)據(jù)線,邏輯控制簡單且易實現(xiàn)。
4 主要模塊邏輯實現(xiàn)
FPGA設(shè)計主要包括3個模塊部分:A/D轉(zhuǎn)換器控制模塊、SRAM控制模塊和計時器模塊。系統(tǒng)工作過程為:觸發(fā)信號觸發(fā)后,F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器開始采集,同時將A/D轉(zhuǎn)換到的數(shù)據(jù)存儲到SRAM中,200μs后FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換器停止采集,等待下一次觸發(fā)信號的到來。
4.1 A/D轉(zhuǎn)換器控制模塊
AD7482的主要控制信號有:片選(CS)、讀信號(RD)、啟動轉(zhuǎn)換(CONVST)、忙信號(BUSY)。其中,片選(CS)、讀信號(RD)控制轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取;啟動轉(zhuǎn)換(CONVST)控制啟動轉(zhuǎn)換過程;忙信號(BUSY)標(biāo)志AD7482正處于轉(zhuǎn)換過程。AD7482滿額度工作時的轉(zhuǎn)換時間(conversion time)為300 ns,其中,跟蹤保持獲取時間(track-and-hold acquisitiontime)為70 ns.轉(zhuǎn)換結(jié)果存取時間為30 ns。實際應(yīng)用中,2MSPS的采樣頻率就能滿足系統(tǒng)的要求,CONVST控制轉(zhuǎn)換開啟關(guān)閉,CS和RD連接在一起控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的存取,編寫VHDL程序,在QuartusII軟件中仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。
圖3中,convst跳轉(zhuǎn)為低電平時,AD7482開始模數(shù)轉(zhuǎn)換,rd跳轉(zhuǎn)為低電平時,將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀取到SRAM中。
4.2 SRAM控制模塊
A/D轉(zhuǎn)換器每轉(zhuǎn)換一次,F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀取存儲到SRAM中。N08T1630ClBT的主要控制信號有:片選(CE)、寫使能(WE)、輸出使能(0E)、高字節(jié)使能(UB)、低字節(jié)使能(LB)。N08T1630C1BT的寫時序為:確定地址=>拉低CE=>拉低WE一>將要寫入的12位數(shù)據(jù)置于數(shù)據(jù)線上=>拉高wE。電路中將N08T1630C1BT的片選(CE)端和寫使能(WE)端連接到一起,由FPGA發(fā)出的rd信號進(jìn)行控制,即可完成A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲,編寫相應(yīng)的VHDL程序,在QuartusII軟件中仿真,仿真結(jié)果如圖4所示:rd跳轉(zhuǎn)為低電平時,數(shù)據(jù)寫入SRAM,SRAM的地址位加一。
4.3 計時器模塊
由于啟動靶和終止靶之間的距離s是已知的,只要能測出子彈通過啟動靶和終止靶之間的時間t,就可利用v=s/t測出子彈的速度。用VHDL語言編一以啟動靶觸發(fā)信號為啟動信號和以終止靶觸發(fā)信號為停止計數(shù)的計時器,便可得出子彈通過啟動靶和終止靶之間的時間。計數(shù)器的編程很簡單,在此就不再多作說明。
5 結(jié)論
通過對激光測速靶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進(jìn),采用FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換器來完成數(shù)據(jù)采集,以代替現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集卡,具有電路簡單、易于擴展、體積小等優(yōu)點,大大降低了測速靶的成本,進(jìn)一步增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。