基于FPGA的光電抗干擾電路設計方案

光電靶的基本原理是：當光幕內(nèi)的光通量發(fā)生足夠大的變化時，光電傳感器會響應這種變化而產(chǎn)生電信號。這就是說，一些非彈丸物體在穿過光幕時也會使得光幕內(nèi)光通量發(fā)生變化以至光電傳感器產(chǎn)生電信號。從原理上，這種現(xiàn)象并非異常，而對測試來講則屬于干擾。在具體靶場測試中，當干擾嚴重時會導致測試根本無法進行。因此，如何排除干擾，保證系統(tǒng)的正常運行，是一個必須解決的問題。

紅外密集度光電立靶測試系統(tǒng)是一種新型的用于測量低伸彈道武器射擊密集度的測試系統(tǒng)，既測試無須進行任何特殊處理的金屬彈丸，又可測試非金屬彈丸，更有反映靈敏、精度高而穩(wěn)定、操作簡單、容易維護等優(yōu)點，已被許多靶場投入使用。

理論分析

光電靶在工作時，光電傳感器響應光幕內(nèi)光通量的變化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘枺?jīng)過放大后，進入電壓比較器，當其幅值高于預定基準時，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

由于隨同彈丸穿過光幕的細小物體和外界光線變化產(chǎn)生的信號幅值較小，通過對電壓比較器設置合適的比較門限便可濾除這種信號。在靶廠實際測試中，這種干擾信號幅值一般小于0.8V，在電路中只要將電壓比較器的門限電平設為0.8V便可消除這種干擾。

根據(jù)光電靶的工作原理，穿過光幕的飛行物體速度不同，遮擋光幕的時間就不同，在電路中表現(xiàn)為比較器后產(chǎn)生的方波脈沖的寬度不同。與彈丸相比，蚊蟲的飛行速度要低得多，當其穿過光幕時，產(chǎn)生的方波脈沖的寬度要比彈丸產(chǎn)生得寬；在亞音速彈測試中，彈丸速度低于聲速，由聲波引起的脈沖寬度小于彈丸產(chǎn)生的方波脈沖寬度。因此，從原理上在比較器后利用濾波電路濾除干擾信號是可能的。

利用FPGA實現(xiàn)濾波及抗干擾

整個電路的主要功能是抗沖擊波和蚊蟲干擾，并把有效彈丸信號變成脈寬為50μs的信號輸出到下級處理電路。設計中采用的芯片是MAX7000系列的EPM7128SLC84-15芯片。下面就如何實現(xiàn)濾波和抗干擾作詳細介紹。

1 電路原理

當有物體穿過光幕時，所產(chǎn)生方波的脈沖寬度為：T=(L+D)/V。式中，L為飛行物的長度，D為光幕面的厚度，V為飛行物的速度。沖擊波以聲速計算，V為340m/s，D=3mm，則可知沖擊波穿過光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度為：T1=D/V≌8.8μs；若V=330m/s,則T1≌9.1μs。蚊蟲等飛行物飛行速度V為20m/s，物體長度L大約為10mm，則可知蚊蟲飛過光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度為T2≌650μs。紅外密集度立靶測試系統(tǒng)測試彈丸彈速范圍為200～1200m/s,主要用于5.8mm、7.62mm、9mm三種彈；沖擊波的影響主要產(chǎn)生于對9mm×19mm的手槍彈的測量，該彈丸彈速約為320m/s。根據(jù)彈速和彈長，可知彈丸穿過光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度范圍為T3=37.5μs。

根據(jù)靶場實際測試情況，彈丸穿過光幕時產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度基本都小于150μs且大于10μs，則可以認為脈沖寬度大于150μs小于10μs的信號為無效信號，可以剔除，此時可將蚊蟲干擾信號和沖擊波信號濾除，達到抗干擾的目的。

2抗沖擊波電路

濾除沖擊波電路如圖1所示。當PULSE_IN端出現(xiàn)一個正跳變時，上跳沿使得觸發(fā)器D1的輸出端產(chǎn)生高電平信號，則啟動計數(shù)器開始計數(shù)。當計數(shù)器計滿后，計數(shù)器輸出端產(chǎn)生一個正跳變，上升沿使得觸發(fā)器D3的輸出端產(chǎn)生一個高電平信號，將這兩個信號相與得到輸出信號PULSE_OUT1。當PULSE_IN的下降沿到來時將計數(shù)器和三個觸發(fā)器同時清零，等待下一個信號到來。由圖2可知，當PULSE_IN的脈寬小于設定計時寬度時，認為干擾信號PULSE_OUT1為低；當PULSE_IN的脈寬大于設定計時寬度時且仍為高時，認為信號有效，PULSE_OUT1為高且在PULSE_IN的下降沿變?yōu)榈碗娖?，等待下一信號的到來?/p>

圖1 濾除沖擊波電路

圖2 抗沖擊波電路仿真波形圖