張寶宜，趙振海，李廣良，蘆 峰，楊永安

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

某光電系統(tǒng)作為火炮系統(tǒng)的一個(gè)分系統(tǒng)，其主要任務(wù)和使命是接收目標(biāo)指示信息，對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行光電探測(cè)、捕獲和穩(wěn)定跟蹤，并測(cè)量目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送給火控計(jì)算機(jī)[1]。火炮系統(tǒng)工作時(shí)，光電分系統(tǒng)接收火炮系統(tǒng)同步時(shí)鐘信號(hào)，所包含的紅外熱像儀、電視攝像機(jī)、激光測(cè)距機(jī)、視頻跟蹤器、伺服機(jī)構(gòu)等部件都要依據(jù)火炮系統(tǒng)的同步時(shí)鐘信號(hào)工作。在單體調(diào)試或者火炮系統(tǒng)同步時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)故障的情況下，需選擇使用內(nèi)同步時(shí)鐘工作，傳統(tǒng)的方法是在光電分系統(tǒng)的通訊控制板上有一跳線，通過(guò)跳線選擇內(nèi)同步時(shí)鐘作為時(shí)鐘源。使用傳統(tǒng)的方法時(shí)，當(dāng)外同步信號(hào)出現(xiàn)異常或中斷時(shí)，由于突然出現(xiàn)無(wú)同步信號(hào)的情況，會(huì)造成光電分系統(tǒng)工作紊亂，伺服機(jī)構(gòu)也有可能失控出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)撞擊機(jī)械限位造成伺服機(jī)構(gòu)損壞。為了查找故障原因，只能先給系統(tǒng)斷電，然后取下電路板手動(dòng)跳線選擇內(nèi)同步信號(hào)，然后定位故障。由于手動(dòng)跳線選擇需要手動(dòng)操作，必然增加了工作量，也為人為失誤埋下了隱患。本方案設(shè)計(jì)的一種同步自適應(yīng)電路可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外同步信號(hào)的自適應(yīng)切換，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，避免了人為操作帶來(lái)的隱患，保證系統(tǒng)的安全工作。

1 FPGA芯片及Quartus II軟件介紹

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是一種用戶可編程的邏輯器件，具有高度靈活的用戶現(xiàn)場(chǎng)可編程方式，現(xiàn)場(chǎng)定義高容量電子數(shù)字系統(tǒng)的能力，可重復(fù)定義和反復(fù)改寫，由FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品具有集成度高、體積小、功耗低、可靠性高和開發(fā)周期短等特點(diǎn)，已得到大量廣泛的應(yīng)用[2]。Quartus II軟件是Altera公司開發(fā)的新一代FPGA集成開發(fā)軟件，是MAX plusII的升級(jí)版本，功能更為強(qiáng)大[3]。本系統(tǒng)選用的FPGA芯片型號(hào)為EP1K50QI208，作為同步自適應(yīng)電路的運(yùn)行載體并實(shí)現(xiàn)通訊控制板的其它邏輯控制功能。

2 同步自適應(yīng)電路工作原理

在光電分系統(tǒng)中，通訊控制板實(shí)現(xiàn)與火炮系統(tǒng)的總線通訊，負(fù)責(zé)接收火炮系統(tǒng)控制指令及同步時(shí)鐘信號(hào)，控制分系統(tǒng)各個(gè)部件正常工作。同步自適應(yīng)電路為通訊控制板功能的一部分，主要包括時(shí)鐘分頻電路、時(shí)鐘檢測(cè)電路、時(shí)鐘切換電路，其工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)上電后，由通訊控制板在板晶振經(jīng)分頻器產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種同步時(shí)鐘信號(hào)。將系統(tǒng)同步信號(hào)、內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)送入時(shí)鐘檢測(cè)電路，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)同步信號(hào)脈沖沿的檢測(cè)、判斷，可由檢測(cè)電路輸出的電平信號(hào)判斷系統(tǒng)同步信號(hào)的有無(wú)，當(dāng)輸出檢測(cè)電平信號(hào)為高時(shí)，表明有系統(tǒng)同步信號(hào)，為低電平時(shí)表明無(wú)系統(tǒng)同步信號(hào)。時(shí)鐘切換電路接收檢測(cè)電平信號(hào)，為高電平時(shí)輸出系統(tǒng)同步信號(hào)，為低電平時(shí)輸出內(nèi)同步信號(hào)，如此實(shí)現(xiàn)了輸出同步信號(hào)的自適應(yīng)切換，從而同步信號(hào)不會(huì)中斷，保證系統(tǒng)的安全工作。

圖1 同步自適應(yīng)電路工作原理圖Fig.1 Principle of synchronous adaptive circuit diagram

在單板調(diào)試時(shí)，由于無(wú)系統(tǒng)同步信號(hào)，由通訊控制板在板晶振產(chǎn)生分系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件所需的同步信號(hào)。

3 同步自適應(yīng)電路設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)在Quartus II 7.2軟件中開發(fā)實(shí)現(xiàn)，采用圖形設(shè)計(jì)和VHDL硬件描述語(yǔ)言混合設(shè)計(jì)方式[4-6]。同步信號(hào)自適應(yīng)電路由時(shí)鐘分頻電路、時(shí)鐘檢測(cè)電路、時(shí)鐘切換電路構(gòu)成。本系統(tǒng)中接收的同步信號(hào)周期為20 ms。

3.1 時(shí)鐘分頻電路

時(shí)鐘分頻電路如圖2所示，clkin為在板晶振輸出的20MHz時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)多極計(jì)數(shù)分頻后輸出電路所需的160us_clk信號(hào)。圖3所示電路，20msINNER為系統(tǒng)所需的20 ms內(nèi)同步信號(hào)；EN_IN_20MS為使能信號(hào)，EN_IN_20MS為高電平時(shí)，輸出有效；reset為輸入的復(fù)位信號(hào)，低電平有效。

圖2 分頻電路Fig.2 Frequency dividing circuit

圖3 內(nèi)部20ms產(chǎn)生電路Fig.3 Internal 20ms circuit

3.2 時(shí)鐘檢測(cè)電路

內(nèi)外時(shí)鐘信號(hào)檢測(cè)電路如圖4所示，輸入信號(hào)160us_clk為分頻電路分頻所得，sys20 ms為接收的火炮系統(tǒng)20 ms外同步信號(hào)，輸出信號(hào)dianping為電平檢測(cè)信號(hào)。檢測(cè)電路采用VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，判斷有外同步信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)dianping變?yōu)楦?，無(wú)外同步信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)dianping變?yōu)榈?。從而就可根?jù)信號(hào)dianping判斷有無(wú)外同步信號(hào)，為了保證其判斷的可靠性，防止時(shí)鐘誤切換，實(shí)際系統(tǒng)工作中判斷連續(xù)3個(gè)周期。

3.3 時(shí)鐘切換電路W

時(shí)鐘切換電路如圖5所示，通過(guò)對(duì)檢測(cè)電平dianping信號(hào)的邏輯判斷，20msout為輸出給光電系統(tǒng)內(nèi)部所需的同步時(shí)鐘信號(hào)。即有系統(tǒng)同步sys20ms時(shí)，dianping信號(hào)為高，輸出的20msout即為sys20ms信號(hào)；無(wú)系統(tǒng)同步sys20ms時(shí)，dianping信號(hào)為低， 輸出的20msout即為20msINNER信號(hào)。

3.4 波形仿真

圖4 時(shí)鐘檢測(cè)電路Fig.4 Clock detecting circuit

圖6所示為無(wú)系統(tǒng)同步信號(hào)的仿真波形，即此時(shí)信號(hào)dianping為低電平。圖7為有系統(tǒng)同步信號(hào)的仿真波形，即當(dāng)信號(hào)dianping變?yōu)楦唠娖胶?，輸出同步時(shí)鐘20msout即為系統(tǒng)同步sys20ms。

圖5 時(shí)鐘切換電路Fig.5 Clock switching circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

文中主要介紹了同步自適應(yīng)電路的工作原理、電路設(shè)計(jì)及波形仿真，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠。將電路集成在一片F(xiàn)PGA芯片中，使得電路集成度高、調(diào)試維護(hù)方便，易于升級(jí)改進(jìn)。本電路已在某光電系統(tǒng)中成功應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證，同步自適應(yīng)電路彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，避免了人為操作帶來(lái)的隱患，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的工作。

圖6 無(wú)系統(tǒng)同步仿真波形Fig.6 No system of synchronous simulation waveform

圖7 有系統(tǒng)同步仿真波形Fig.7 A system of synchronous simulation waveform

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