基于FPGA 的双光幕测速系统设计与实现

张少华，李锦明，苏树清

(1.中北大学 电子测试国家重点实验室，山西 太原030051;2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

0 引 言

现代兵器工业的发展离不开兵器测试技术，兵器测试技术中一项重要的课题就是对炮弹的性能参数进行测定。炮弹的性能参数主要包括飞行姿态、飞行速度、飞行时间等三项［1］。其中炮弹飞行速度是衡量武器系统性能优劣的一项至关重要的参数，尤其是炮弹在离开发射装置瞬间的初速度，它是影响炮弹射程的一个重要因素，是检验武器系统精度是否满足设计要求的一个重要技术指标。

测量炮弹飞行速度的系统主要可分为两种:一种是接触型测量系统，另一种是非接触型测量系统。接触型测量系统由于测量精度较低、重复性差、影响外弹道特性等问题，已逐渐被非接触型测速系统取代。非接触型测量系统具有测量精度高、重复性好等优点，更适合测量炮弹的飞行速度。目前非接触型测量系统中又以光幕靶的应用最广，它的优点是自带光源，发射与接收为一体，测量精度高，重复性好，抗干扰能力强。此外，它可以对不同材质和不同口径的炮弹进行同时测量而不需要对靶体做出改变，测量更加方便。由此，本文提出了一种基于FPGA 的双光幕测速系统。

1 双光幕测速方法与触发方式

1.1 双光幕测速方法

光幕测速系统主要可分为单光幕测速、双光幕测速。相对于双光幕测速系统单光幕测速系统普遍存在靶面积小、抗环境干扰能力差等问题，为了提高系统测量结果的精确性，系统选用双光幕平均速度测量法中定距测时法对炮弹进行测速［2］，如图1 所示。

图1 光幕测速示意图Fig 1 Diagram of light screen velocity measurement

在弹道上预先设立靶距为s 两对光幕靶，当弹体通过两个光幕时，系统会分别记录这两个时刻t1，t2，差值即为其穿过两靶面所经历的时间，根据公式

即可计算出弹体穿过两靶面的平均速度。

1.2 双光幕测速触发方式

双光幕测速系统主要利用光幕传感器中光电探测器接收到光通量的变化，产生电流脉冲，将此脉冲信号作为系统的触发信号，从而触发计时脉冲。系统将遮挡住光幕传感器一根光束的输出值作为阈值，当大于阈值时则开始计时。

根据炮弹一般为前尖后平的外形，触发方式可分为弹尖触发和弹底触发两种。如图2 所示，炮弹垂直于光幕通过时，前沿波形变化较为缓慢，后沿波形变化较为陡峭，即分别为弹尖通过光幕的过程和弹尾离开光幕的过程。波形前沿变化缓慢，斜率小，而后沿斜率则较大，因此，在后沿设定阈值明显比前沿精度高。为了增加对比和提高系统精度，系统除了记录下弹体后沿通过两光幕的时间tf，还记录下了前沿通过的时间ta。具体参数会在测试结果中进行分析，并验证了弹底触发方式比弹尖触发方式精确度更高。

图2 弹体通过光幕波形图Fig 2 Waveform diagram of projectile pass through light screen

2 系统硬件设计

系统总体结构主要由电源转换模块、光幕传感器模块、I/V 转换电路、A/D 转换电路、FPGA 控制模块、存储模块、USB 通信接口模块、上位机控制软件组成。

如图3，双光幕传感器模块将光信号转换成电流信号输出，I/V 转换电路负责将两路电流信号预处理、滤波放大、整流并转换成模拟电压信号，然后传输给A/D 转换电路进行模数转换。FPGA 控制模块作为整个测速系统的核心部分，担负着A/D 转换控制、数据存储和USB 通信等关键任务［3，4］。由于系统资源限制，无法进行复杂的数据分析，需要把数据上传到PC 上，利用上位机软件进行数据分析处理，USB 通信接口模块实现了上位机与FPGA 控制模块的通信。

图3 系统总体设计框图Fig 3 Block diagram of overall design of system

2.1 光幕传感器

双光幕传感器选用美国BANNER 公司的A-GAGE EZARRAY 系列的测量光幕传感器EA5E150Q(发射器)和EA5R150NIXMODQ(接收器)。光幕阵列长度为150 mm，光束数量为30 根，光幕间距为5 mm，因此，系统可以测量5 mm以上的物体速度。该传感器能产生精确同步光束的传感器阵列，用来代替多组传感器对，安装简便、易对准，安装支架允许±30°旋转调整，解决了双光幕一一对准的难题，并且信号以模拟电流量输出，输出范围为4～20 mA。系统采用直接扫描方式，最大扫描时间为2.8 ms。根据以上光幕性能参数可以求得物体通过光幕的最大速度。

2.2 I/V 转换电路

运放采用Analog Device 公司的低噪声、高精度运放OP07，其各项性能指标远远优于普通廉价运放。加入高精度运放OP07 所带来的优点尤其表现在对零点信号的处理上，许多传感器虽然标注着4～20 mA 的输出指标，但在实际应用中这些参数都存在着误差，因此，有必要进行零点调整。该I/V 电路能够保证在输入4 mA 电流的时候，电路的输出电压等于零，从而实现硬件调零，节省了FPGA 内部资源，减轻了编程人员负担。

如图4，根据AD 芯片需要的信号输入电压范围，考虑到小电阻能减轻前方传感器的供电要求和运放U15 的2 倍放大作用，最终R1 阻值选为50 Ω。由于R1 的阻值为50 Ω，为了保证输入4 mA 电流时输出为零，R1 的一端电压必须为-0.2 V，由于R1 与运放U15 的反向端相连，因此，U15 的反向端电压也等于-0.2 V，所以，运放的同向端应输入-0.2 V，它由负电源提供，通过R5 与R6 的分压获得。R1 与R5 存在着1∶4 的关系，因为流过它们的电流恰好是4∶1 的关系。因此，在需要调整零点电压的时候，只需要调整R6 的阻值即可。为了提高电路的转换精度，对于R1，R5，R6，R7，R8 等关键电阻器，系统使用了精度达0.1%，温度漂移参数小于50×10-6/℃的金属膜电阻器。此电路能够将4～20 mA 直流电流信号线性地转换成0～1.6 V 的电压信号。

2.3 主控芯片选择

图4 I/V 转换电路原理图Fig 4 Principle diagram of I/V conversion circuit

本设计选用Xilinx 公司的XC3S250E 作为系统控制器。它的主要特点包括:引脚到引脚之间具有最小5ns 的逻辑延时，全局时钟最高和引脚最高输入频率为66 MHz。该器件具有丰富的逻辑资源，能够进行复杂的逻辑运算，其门电路数量较大，时钟频率高，可对多项任务进行并行处理，有效提高系统的运行效率，其性能的优劣直接决定着整个系统的测速精度［5～7］。

2.4 A/D 转换模块与Flash 存储器设计

高精度、高速率的A/D 转换是提高整个系统测速精度的重要条件，系统选用了TI 公司的12 位高精度的逐次逼近型A/D 转换器AD7934，它具有4 个模拟输入通道，模拟电压输入范围为0～+2.5 V，采样率高达1.5 MSPS，由于系统采用了两路数据信号进行采样，所以，单路信号的采样频率为750 kSPS［8，9］。

系统选用 SAMSUNG 的非易失性 NAND Flash K9K8G08U0M 作为存储器，用来保证测得的炮弹速度数据可以进行后期的分析和处理，其存储容量为1 GB，数据保存时间最长为10 年，满足长时间保存数据的要求。

3 系统的软件设计

软件的设计主要是围绕FPGA 来完成的，实现功能有:A/D 转换的控制、FLASH 读写数据、USB 读数以及FIFO。FPGA 内部逻辑控制流程如图5 所示。

图5 FPGA 内部逻辑结构框图Fig 5 Structure block diagram of FPGA inner logic

其中使用FIFO 模块用来协调数据传输速度与Flash读写速度。USB 读数接口直接读取的是FIFO 内的数据，而不是直接从Flash 中读取数据，这样克服了GPIF 很难产生复杂的时序直接控制Flash 存储器的问题，利用FIFO，就可以将Flash 复杂的控制时序交给FPGA 处理，GPIF 直接从FIFO 中读取数据，从而达到快速读数的目的。

4 测试结果

由于受测试条件限制，无法进行靶场实验，只能在实验室进行低速测量。在实际测量时，将钢珠和弹头在同一重心高度做自由落体运动穿过光幕，并以钢珠的速度作为参考速度，光幕靶距s 经过多次测量求取平均值为12.449 cm，根据时间参数由平均速度测量法求得炮弹速度，所测数据具体值如表1、表2 所示。

表1 弹尖触发方式测试记录Tab 1 Test records of bomb tip trigger mode

表2 弹底触发方式测试记录Tab 2 Test records of bomb bottom trigger mode

对比同一表格中相对误差参数可以发现，炮弹速度与相对误差呈反比，当速度越小时相对误差越大。所以，使用高速飞行的炮弹测得的相对误差会比表格中的数据小很多。对比表1、表2，参考图1，可以得出相对于弹尖触发方式，弹底触发方式精度明显更高。

为了让所采的数据更加直观，这里将数据进行处理，然后在上位机上进行显示。由图6 可以直观看到炮弹在穿过光幕的过程中挡住光束的不断变化引起的输出电压的变化，曲线与实验所用弹头的外形轮廓如图7 基本吻合。图中电压呈阶梯式变化，这是由光幕传感器的分辨率引起的，经过I/V 转换后，其分辨率为53.33 mV。

图6 炮弹通过光幕过程图Fig 6 Process diagram of bomb pass through light screen

图7 实验所用弹头实物图Fig 7 Physical map of warhead for experiment

5 结束语

该系统以FPGA 为控制核心，采用2 对EZ-ARRAY 系列的测量光幕传感器解决了双光幕靶不易安装、难一一对准的问题，同时通过设计零点可调的高精度I/V 转换电路，从而大大提高了炮弹速度测量结果的精确度。测试结果表明:系统能够准确地测量炮弹速度，并验证了弹底触发方式比弹尖触发方式精确度更高。系统不仅可以测得炮弹速度，并且可以通过测量数据绘制弹体轮廓求得弹体体积，这在炮弹碎片动能测试中非常重要。

［1］ 蔡荣立，倪晋平，田 会.光幕靶技术研究进展［J］.西安工业大学学报，2013(8):603-610.

［2］ 江 念，王召巴，陈友兴.激光光幕靶测速系统设计［J］.测试技术学报，2013(4):354-357.

［3］ 邓云飞，张 伟，贾 斌，等.二级轻气炮遮挡式激光光幕测速系统［J］.高压物理学报，2011(4):296-302.

［4］ 赵 辉，徐伟东，马铁华，等.抑制弧光干扰的电磁炮光幕测速方法［J］.火力与指挥控制，2014(4):30-33.

［5］ 李翰山，雷志勇，王泽民.两种天幕靶光幕交汇立靶测量系统分析［J］.弹道学报，2010(1):29-32，36.

［6］ 孔 明，侯 蕊，赵 军.基于FPGA 的超声波测距系统［J］.仪表技术与传感器，2013(6):86-89.

［7］ 贠 冬，倪晋平，田 会，等.镜头式光幕靶信号处理电路设计与实现［J］.西安工业大学学报，2013(12):947-951.

［8］ 赵豫姝，赵冬娥，赵 辉.一种新型激光测速系统的设计与应用［J］.弹箭与制导学报，2008(4):285-287.

［9］ 田 会，倪晋平.一体化结构四组合光幕阵列测量研究［J］.仪器仪表学报，2014(2):320-326.