FPGA在激光測(cè)速靶中的應(yīng)用

0 引言
    彈丸飛行速度的測(cè)量是武器系統(tǒng)各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)中一項(xiàng)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(gè)重要指標(biāo)。在眾多的彈丸速度測(cè)量系統(tǒng)中，激光光幕區(qū)截測(cè)速靶以其精度高而獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。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(jī)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(guò)光幕靶時(shí)，光電探測(cè)器獲得彈丸過(guò)靶信號(hào)，F(xiàn)PGA控制A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集并存儲(chǔ)，以供后續(xù)分析和處理。

1 激光測(cè)速靶原理簡(jiǎn)介
    激光測(cè)速靶就是一種利用光測(cè)法測(cè)量彈丸速度的測(cè)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(dòng)靶和停止靶組成。激光測(cè)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(kuò)束形成入射光幕，彈丸依次過(guò)靶時(shí)，先后遮擋部分入射光線(xiàn)，經(jīng)原向反射屏反射后由光電探測(cè)器獲取彈丸過(guò)靶時(shí)的交變信號(hào)，信號(hào)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(jī)做數(shù)據(jù)處理和運(yùn)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(dòng)靶和停止靶的過(guò)靶信號(hào)，以啟動(dòng)靶信號(hào)為觸發(fā)源，負(fù)延時(shí)觸發(fā)FPGA控制2個(gè)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(chǔ)到SRAM中，然后通過(guò)USB依次將SRAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行信號(hào)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(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(zhuān)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(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。
    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(gè)系統(tǒng)門(mén)，CLB數(shù)量為16×24，LC為1728，BlockRAM容量32 Kbit，擁有176個(gè)I／O口。其中XC2S50TQl44的用戶(hù)可用I／O口為92個(gè)，完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要。
3．2 ADC的選擇
    步槍子彈出膛時(shí)的初速約為710 mps，彈頭長(zhǎng)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(shí)間為：(25+2)／700 000=O．000 038 57 s=38．57μs，也就是說(shuō)探測(cè)器要采集的信號(hào)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(shí)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(gè)并行接口，最高吞吐量可達(dá)3MSPS。該器件內(nèi)置一個(gè)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(chǔ)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(shí)間短，數(shù)據(jù)容量小，采用SRAM就能滿(mǎn)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(xiàn)，16位數(shù)據(jù)線(xiàn)，邏輯控制簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)。

4 主要模塊邏輯實(shí)現(xiàn)
    FPGA設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)模塊部分：A／D轉(zhuǎn)換器控制模塊、SRAM控制模塊和計(jì)時(shí)器模塊。系統(tǒng)工作過(guò)程為：觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)后，F(xiàn)PGA控制A／D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始采集，同時(shí)將A／D轉(zhuǎn)換到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)的到來(lái)。
4．1 A／D轉(zhuǎn)換器控制模塊
    AD7482的主要控制信號(hào)有：片選(CS)、讀信號(hào)(RD)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換(CONVST)、忙信號(hào)(BUSY)。其中，片選(CS)、讀信號(hào)(RD)控制轉(zhuǎn)換結(jié)果讀?。粏?dòng)轉(zhuǎn)換(CONVST)控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程；忙信號(hào)(BUSY)標(biāo)志AD7482正處于轉(zhuǎn)換過(guò)程。AD7482滿(mǎn)額度工作時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間(conversion time)為300 ns，其中，跟蹤保持獲取時(shí)間(track-and-hold acquisitiontime)為70 ns．轉(zhuǎn)換結(jié)果存取時(shí)間為30 ns。實(shí)際應(yīng)用中，2MSPS的采樣頻率就能滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，CONVST控制轉(zhuǎn)換開(kāi)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(xiě)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(shí)，AD7482開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換，rd跳轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，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(chǔ)到SRAM中。N08T1630ClBT的主要控制信號(hào)有：片選(CE)、寫(xiě)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(xiě)時(shí)序?yàn)椋捍_定地址=>拉低CE=>拉低WE一>將要寫(xiě)入的12位數(shù)據(jù)置于數(shù)據(jù)線(xiàn)上=>拉高wE。電路中將N08T1630C1BT的片選(CE)端和寫(xiě)使能(WE)端連接到一起，由FPGA發(fā)出的rd信號(hào)進(jìn)行控制，即可完成A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，編寫(xiě)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(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM，SRAM的地址位加一。

4．3 計(jì)時(shí)器模塊
    由于啟動(dòng)靶和終止靶之間的距離s是已知的，只要能測(cè)出子彈通過(guò)啟動(dòng)靶和終止靶之間的時(shí)間t，就可利用v=s／t測(cè)出子彈的速度。用VHDL語(yǔ)言編一以啟動(dòng)靶觸發(fā)信號(hào)為啟動(dòng)信號(hào)和以終止靶觸發(fā)信號(hào)為停止計(jì)數(shù)的計(jì)時(shí)器，便可得出子彈通過(guò)啟動(dòng)靶和終止靶之間的時(shí)間。計(jì)數(shù)器的編程很簡(jiǎn)單，在此就不再多作說(shuō)明。

5 結(jié)論
    通過(guò)對(duì)激光測(cè)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(lái)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(jiǎn)單、易于擴(kuò)展、體積小等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了測(cè)速靶的成本，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。