FPGA在激光測速靶中的應(yīng)用

0 引言
彈丸飛行速度的測量是武器系統(tǒng)各種運(yùn)動參數(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量系統(tǒng)中，激光光幕區(qū)截測速靶以其精度高而獨(dú)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(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)子彈穿過光幕靶時(shí)，光電探測器獲得彈丸過靶信號，FPGA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(kuò)束形成入射光幕，彈丸依次過靶時(shí)，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(shí)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(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(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(jī)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(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，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的用戶可用I／O口為92個(gè)，完全能滿足系統(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(shí)際應(yīng)用中采樣頻率應(yīng)≥259 268．8 Hz。