基于FPGA+PXI的破片测速系统设计

谢虎

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京210094）

基于FPGA+PXI的破片测速系统设计

谢虎

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京210094）

为了对各类武器系统的静、动爆破片速度进行定量评定，设计出一种基于FPGA+PXI多路计时系统的破片测速系统设计方法。系统硬件上采用了FPGA+PXI多路计时系统的架构，软件上采用Labview设计出破片速度测量及分析软件。系统经过多次破片速度试验检测，稳定可靠，可以实现破片飞行速度的测量。

破片测速；FPGA；PXI多路计时系统；Labview

战斗部利用爆炸后产生的破片杀伤和摧毁目标，因此，破片的飞行速度是衡量战斗部爆炸效能的一个重要参数[1]。破片速度测试系统为常规兵器试验、各型预制破片战斗部的静、动爆试验、定向发射装置破片飞行速度试验中破片速度及其分布规律的测量提供定量测试手段，可用于预制破片战斗部、枪弹、小口径炮弹等静、动爆试验中破片飞行速度的测量[2]。系统设计目标是用于先进弹药、战斗部在研发、交验、考核测试试验的破片速度参量测量，此类试验往往伴随着高温、高压、振动冲击等恶劣环境[3]，因此系统在设计中充分考虑到系统的通用性、先进性，并同时保证系统的可靠性、稳定性、实用性、可操作性、可维护性及扩展性。

1 破片速度测试系统原理

1.1 总体方案

“破片速度测试系统”由通断靶（铝箔靶及梳状靶）[4]及安装支架、通断靶信号调理器、同步触发器、基于PXI的多路计时系统、破片速度测量检测及分析软件、设备模拟校验器等6个分系统构成。

通断靶（铝箔靶及梳状靶）及安装支架用于布靶及过靶信号产生，通断靶信号调理器用于过靶信号整形，同步触发器用于产生同步脉冲，基于PXI的多路计时系统用于多通道破片飞行时间测量，破片速度测量检测及分析软件用于系统设置、数据分析及计算，设备模拟校验器用于同步信号与过靶模拟、设备检测、校准和试验前的设备工作状态检查。系统总体方案框图如图1所示。

图1 系统总体方案框图

1.2 系统工作原理

破片速度测试系统实现破片速度测试的方式有2种：一种是战斗部预制破片速度测试；另一种是定向破片速度测试。具体实现方法如下。

1）战斗部预制破片速度测试

在破片速度测量检测及分析软件中选择测速模式为战斗部预制破片速度测试模式；根据测试要求在不同方位φi上设置通断靶，并将各通断靶输出信号、同步触发器产生的测速开始信号S连接至PXI多路计时系统中不同的测速通道CHi；测量破片发射装置或战斗部与各通断靶之间的距离Li；在破片速度测量检测及分析软件上完成各通断靶方位φi、距离Li与计时系统计数频率f的设置。由通断靶方位φi、距离Li即可实现通断靶布设情况的可视化显示。不同飞散方位上的破片初速测量示意图如图2所示。

图2 不同飞散方位上的破片初速测量示意图（顶示图）

设置完成后即可启动速度测试。破片发射或战斗部起爆时发出测速开始信号，该信号清0并启动PXI多路计时系统中的32位定时器；破片穿过通断靶时对应的通断靶产生过靶信号TRi，TRi经通断靶信号调理器整形后通过测速线送入PXI多路计时系统，PXI多路计时系统读取与TRi对应的定时器计数值ni并将其送入破片速度测量检测及分析软件，破片速度测量检测及分析软件由计数值ni以及计数时钟频率f计算得到破片飞行至各通断靶时的时间ti：

忽略重力对破片速度及破片运动方向的影响，根据Newton阻力定律，可以计算得到破片速度Vi。

由 φi、S、TRi即可实现各通道 CHi信号波形的显示。φi、S、TRi、Vi等数据在测试结束后自动保存，并可生成报表。

2）定向破片速度测试

在破片速度测量检测及分析软件中选择测速模式为定向破片速度测试模式；在距离破片发射装置或战斗部Ri处依次设置2个通断靶，较近的通断靶（前靶）的过靶信号作为开始测速信号Si，较远的通断靶（后靶）的过靶信号作为读定时器信号TRi，Si信号和TRi连接到PXI多路计时系统中的测速通道CHi；测量2个通断靶之间的距离Li；在破片速度测量检测及分析软件上完成测速通道CHi、靶间距离Li与计时系统计数信号频率f的设置。由测速通道CHi布靶距离Ri、靶间距离Li即可实现通断靶布设情况的可视化显示。不同飞行距离Ri处的破片速度测量示意图如图3所示。

图3 不同飞行距离Ri处的破片速度测量示意图

设置完成后即可启动速度测试。破片发射或战斗部起爆后，破片穿过前靶时，Si信号清0并启动PXI多路计时系统中CHi通道的32位定时器；破片穿过后靶时，TRi信号经通断靶信号调理器整形后通过测速线送入PXI多路计时系统CHi通道，PXI多路计时系统读取与TRi信号对应的定时器计数值ni并将其送入破片速度测量检测及分析软件，破片速度测量检测及分析软件由计数值ni以及计数时钟频率f计算得到破片在两通断靶之间的飞行时间ti：

进而得到破片在距离Ri处的速度Vi为：

由Si、TRi即可实现各通道CHi信号波形的显示。类似的，在不同距离Ri处按上述方法成对设置通断靶，可实现不同距离Ri处的速度Vi测量。由不同距离Ri处的速度测量结果Vi，可绘制并显示距离-破片速度曲线图，实现速度衰减特性分析。CHi、Si、TRi、Ri、Li、Vi等数据在测试结束后自动保存，并可生成报表。

2 关键分系统功能设计

2.1 同步触发控制器

弹药（战斗部、云爆弹、温压弹等）爆炸试验的成本是非常高的[5]，如果试验没有采集到数据则损失是非常巨大的，因此必须使数据采集系统可靠触发。常用数据采集系统中默认的触发模式包括内触发、手动触发模式及外触发模式[6]。

内触发模式下，硬件判断当前温度信号的幅值是否大于预设阈值，如果大于阈值条件，则采集系统开始采集存储数据，该触发模式可靠性稍差，存在高于或低于阈值电平触发的情况。

手动触发需要手动点击软件中开始和停止采集按钮才能开始和停止数据采集和存盘工作，实际瞬态工况下不可能实现，相比之下，外触发模式最为可靠也最为常用；另外，爆炸场通常存在多台数据采集系统，用于测试爆炸场不同的参量，如冲击波信号采集、破片速度信号采集以及高速相机、红外热像仪等[7]，多台设备之间需要统一的时基信号，保持各台设备时基同步。因此系统中要配有外触发同步控制器，捕捉爆炸时刻产生外触发信号，提供给爆炸场测试的多台数据采集系统。调试完成后，人员撤离爆炸现场，爆心起爆，同步触发控制器通过通断靶感应爆炸时刻，外触发同步控制器产生同步触发信号给数据采集系统，数据采集系统采集、显示温度信号，并将数据保存至硬盘，提供后期的数据分析处理[8]。同步触发控制器的工作过程如图4所示。

图4 同步触发控制器工作过程图

2.2 设备模拟校验器

由破片速度测试原理可知，破片速度测试系统速度测试正确与否取决于其对通断靶过靶信号间隔测量是否准确[9]，因此可设计一测速系统检验设备，该设备能够基于高精度的时钟信号产生固定周期的多路脉冲信号，脉冲信号通过信号调理器输入测速系统，启动测速软件系统自检功能对相邻两路脉冲信号前沿进行计时，若计时结果与校验设备输出信号周期相同，则说明系统工作正常[10]。其功能框图如图5所示。

设备模拟校验器采用Xilinx公司Virtex-Ⅱ系列FPGA实现[11]，FPGA模块基于高精度晶振信号产生32个通道的脉冲信号，各通道的2路脉冲信号前沿时间差由用户通过按键进行设置，如可循环设置为1 ms、2 ms、…、8 ms，当前设置通过 led 进行显示[12]。

图5 设备模拟校验器功能框图

3 系统软件设计

破片速度测量检测及分析软件采用Labview设计[13]，可完成基于PXI的多路计时系统的硬件控制、数据的采集、回放及处理功能。软件采用模块化设计，界面简单、直观，操作方便，并留有一定的扩展空间。在主界面上可完成通断靶的模拟布点，可直观地看到现场通断靶的布设情况。在波形显示界面上可以控制采集开始、波形显示、数据分析与计算、数据保存、报表生成等[14]。软件的运行环境为Windows XP或Windows 2000以上的操作系统，软件可免费升级。软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

软件可完成以下主要功能：

结合模拟校验器完成设备校验与工作状态检测；两种测速模式选择与设置；与测速模式对应的通断靶布设参数设置；通断靶布设情况可视化显示；同步信号、过靶信号采集与破片速度测量；同步信号、过靶信号波形显示；测量结果显示与存储；数据分析与计算；数据保存与报表生成[15]。软件主界面设计示意图如图7所示。

4 结束语

破片速度测试系统充分利用了FPGA与PXI计时系统的优点，在基于FPGA+PXI计时系统的平台上设计出破片速度测试系统，利用Labview设计出可视化交互程序。系统经过试验测试，能够顺利完成破片测速任务。系统设计结构清晰、条理严谨、程序简单可靠，这种设计思想对破片测速系统及同类设计具有较大的参考意义。

图7 破片速度测量检测及分析软件主界面设计图

[1]李铁鹏.战斗部破片初速分布及空间数量分布[D].南京:南京理工大学，1998.

[2]刘吉，赵冬娥，于丽霞，等.激光光幕战斗部破片速度测试系统的信号处理[J].弹箭与制导学报，2013，33（2）:49-51.

[3]马光勇，罗兴柏，张玉令.国内破片速度测试技术研究近况及发展趋势[J].四川兵工学报，2009，30（9）:125-127.

[4]王高，尹国鑫，李仰军，等.电阻网靶破片群速度测量方法[J].探测与控制学报，2011（3）:47-55.

[5]张毅，张荣，何荣建，等.多通道便携式破片速度测试系统[C].四川省电子学会传感器专委会第九次学术年会会议，2005:214-217.

[6]武伟明.战斗部破片分布规律的计算[J].兵工学报弹箭分册，1991（1）:69-76.

[7]仲凯，袁宝慧，许碧英，等.破片轴向飞散战斗部破片速度的分布规律[J].火炸药学报，2001（3）:20-24.

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[11]李洪涛，顾陈，朱晓华.Verilog HDL与FPGA开发设计及应用[M].北京:国防工业出版社，2013.

[12]李洪涛，顾陈，朱晓华.FPGA技术开发-高级篇[M].北京:国防工业出版社，2013.

[13]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社，2011.

[14]李江全，任铃，廖结安，等.LabVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例[M].北京:电子工业出版社，2013.

[15]周鹏，许刚，马晓瑜，等.精通LabVIEW信号处理[M].北京:清华大学出版社，2013.

Design of velocity-measuring system based on FPGA+PXI

XIE Hu
（School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In order to quantitatively evaluate static and dynamic fragment velocity of all kinds of weapons system，a method to design the system based on FPGA+PXI multi timing system is presented.The FPGA+PXI multi timing system is adopted for the hardware of the system.As for the software，Labview is employed to design the software of fragment velocity measurement and analysis.The system works well in the field experiments for the fragment velocity-measuring test.The starting velocity was acquired by the system.

fragment velocity measurement；FPGA；PXI multi timing system；Labview

TN410

A

1674－6236（2017）16-0090-04

2016-08-20稿件编号：201608148

谢 虎（1990—），男，江苏南京人，硕士，助理工程师。研究方向：信号与信息处理、引战可视化仿真。