張少華，李錦明，蘇樹清

(1.中北大學 電子測試國家重點實驗室，山西 太原030051;2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

現(xiàn)代兵器工業(yè)的發(fā)展離不開兵器測試技術(shù)，兵器測試技術(shù)中一項重要的課題就是對炮彈的性能參數(shù)進行測定。炮彈的性能參數(shù)主要包括飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行時間等三項［1］。其中炮彈飛行速度是衡量武器系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一項至關(guān)重要的參數(shù)，尤其是炮彈在離開發(fā)射裝置瞬間的初速度，它是影響炮彈射程的一個重要因素，是檢驗武器系統(tǒng)精度是否滿足設(shè)計要求的一個重要技術(shù)指標。

測量炮彈飛行速度的系統(tǒng)主要可分為兩種:一種是接觸型測量系統(tǒng)，另一種是非接觸型測量系統(tǒng)。接觸型測量系統(tǒng)由于測量精度較低、重復(fù)性差、影響外彈道特性等問題，已逐漸被非接觸型測速系統(tǒng)取代。非接觸型測量系統(tǒng)具有測量精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點，更適合測量炮彈的飛行速度。目前非接觸型測量系統(tǒng)中又以光幕靶的應(yīng)用最廣，它的優(yōu)點是自帶光源，發(fā)射與接收為一體，測量精度高，重復(fù)性好，抗干擾能力強。此外，它可以對不同材質(zhì)和不同口徑的炮彈進行同時測量而不需要對靶體做出改變，測量更加方便。由此，本文提出了一種基于FPGA 的雙光幕測速系統(tǒng)。

1 雙光幕測速方法與觸發(fā)方式

1.1 雙光幕測速方法

光幕測速系統(tǒng)主要可分為單光幕測速、雙光幕測速。相對于雙光幕測速系統(tǒng)單光幕測速系統(tǒng)普遍存在靶面積小、抗環(huán)境干擾能力差等問題，為了提高系統(tǒng)測量結(jié)果的精確性，系統(tǒng)選用雙光幕平均速度測量法中定距測時法對炮彈進行測速［2］，如圖1 所示。

圖1 光幕測速示意圖Fig 1 Diagram of light screen velocity measurement

在彈道上預(yù)先設(shè)立靶距為s 兩對光幕靶，當彈體通過兩個光幕時，系統(tǒng)會分別記錄這兩個時刻t1，t2，差值即為其穿過兩靶面所經(jīng)歷的時間，根據(jù)公式

即可計算出彈體穿過兩靶面的平均速度。

1.2 雙光幕測速觸發(fā)方式

雙光幕測速系統(tǒng)主要利用光幕傳感器中光電探測器接收到光通量的變化，產(chǎn)生電流脈沖，將此脈沖信號作為系統(tǒng)的觸發(fā)信號，從而觸發(fā)計時脈沖。系統(tǒng)將遮擋住光幕傳感器一根光束的輸出值作為閾值，當大于閾值時則開始計時。

根據(jù)炮彈一般為前尖后平的外形，觸發(fā)方式可分為彈尖觸發(fā)和彈底觸發(fā)兩種。如圖2 所示，炮彈垂直于光幕通過時，前沿波形變化較為緩慢，后沿波形變化較為陡峭，即分別為彈尖通過光幕的過程和彈尾離開光幕的過程。波形前沿變化緩慢，斜率小，而后沿斜率則較大，因此，在后沿設(shè)定閾值明顯比前沿精度高。為了增加對比和提高系統(tǒng)精度，系統(tǒng)除了記錄下彈體后沿通過兩光幕的時間tf，還記錄下了前沿通過的時間ta。具體參數(shù)會在測試結(jié)果中進行分析，并驗證了彈底觸發(fā)方式比彈尖觸發(fā)方式精確度更高。

圖2 彈體通過光幕波形圖Fig 2 Waveform diagram of projectile pass through light screen

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、光幕傳感器模塊、I/V 轉(zhuǎn)換電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、FPGA 控制模塊、存儲模塊、USB 通信接口模塊、上位機控制軟件組成。

如圖3，雙光幕傳感器模塊將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，I/V 轉(zhuǎn)換電路負責將兩路電流信號預(yù)處理、濾波放大、整流并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，然后傳輸給A/D 轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。FPGA 控制模塊作為整個測速系統(tǒng)的核心部分，擔負著A/D 轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)存儲和USB 通信等關(guān)鍵任務(wù)［3，4］。由于系統(tǒng)資源限制，無法進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，需要把數(shù)據(jù)上傳到PC 上，利用上位機軟件進行數(shù)據(jù)分析處理，USB 通信接口模塊實現(xiàn)了上位機與FPGA 控制模塊的通信。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig 3 Block diagram of overall design of system

2.1 光幕傳感器

雙光幕傳感器選用美國BANNER 公司的A-GAGE EZARRAY 系列的測量光幕傳感器EA5E150Q(發(fā)射器)和EA5R150NIXMODQ(接收器)。光幕陣列長度為150 mm，光束數(shù)量為30 根，光幕間距為5 mm，因此，系統(tǒng)可以測量5 mm以上的物體速度。該傳感器能產(chǎn)生精確同步光束的傳感器陣列，用來代替多組傳感器對，安裝簡便、易對準，安裝支架允許±30°旋轉(zhuǎn)調(diào)整，解決了雙光幕一一對準的難題，并且信號以模擬電流量輸出，輸出范圍為4～20 mA。系統(tǒng)采用直接掃描方式，最大掃描時間為2.8 ms。根據(jù)以上光幕性能參數(shù)可以求得物體通過光幕的最大速度。

2.2 I/V 轉(zhuǎn)換電路

運放采用Analog Device 公司的低噪聲、高精度運放OP07，其各項性能指標遠遠優(yōu)于普通廉價運放。加入高精度運放OP07 所帶來的優(yōu)點尤其表現(xiàn)在對零點信號的處理上，許多傳感器雖然標注著4～20 mA 的輸出指標，但在實際應(yīng)用中這些參數(shù)都存在著誤差，因此，有必要進行零點調(diào)整。該I/V 電路能夠保證在輸入4 mA 電流的時候，電路的輸出電壓等于零，從而實現(xiàn)硬件調(diào)零，節(jié)省了FPGA 內(nèi)部資源，減輕了編程人員負擔。

如圖4，根據(jù)AD 芯片需要的信號輸入電壓范圍，考慮到小電阻能減輕前方傳感器的供電要求和運放U15 的2 倍放大作用，最終R1 阻值選為50 Ω。由于R1 的阻值為50 Ω，為了保證輸入4 mA 電流時輸出為零，R1 的一端電壓必須為-0.2 V，由于R1 與運放U15 的反向端相連，因此，U15 的反向端電壓也等于-0.2 V，所以，運放的同向端應(yīng)輸入-0.2 V，它由負電源提供，通過R5 與R6 的分壓獲得。R1 與R5 存在著1∶4 的關(guān)系，因為流過它們的電流恰好是4∶1 的關(guān)系。因此，在需要調(diào)整零點電壓的時候，只需要調(diào)整R6 的阻值即可。為了提高電路的轉(zhuǎn)換精度，對于R1，R5，R6，R7，R8 等關(guān)鍵電阻器，系統(tǒng)使用了精度達0.1%，溫度漂移參數(shù)小于50×10-6/℃的金屬膜電阻器。此電路能夠?qū)?～20 mA 直流電流信號線性地轉(zhuǎn)換成0～1.6 V 的電壓信號。

2.3 主控芯片選擇

圖4 I/V 轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig 4 Principle diagram of I/V conversion circuit

本設(shè)計選用Xilinx 公司的XC3S250E 作為系統(tǒng)控制器。它的主要特點包括:引腳到引腳之間具有最小5ns 的邏輯延時，全局時鐘最高和引腳最高輸入頻率為66 MHz。該器件具有豐富的邏輯資源，能夠進行復(fù)雜的邏輯運算，其門電路數(shù)量較大，時鐘頻率高，可對多項任務(wù)進行并行處理，有效提高系統(tǒng)的運行效率，其性能的優(yōu)劣直接決定著整個系統(tǒng)的測速精度［5～7］。

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換模塊與Flash 存儲器設(shè)計

高精度、高速率的A/D 轉(zhuǎn)換是提高整個系統(tǒng)測速精度的重要條件，系統(tǒng)選用了TI 公司的12 位高精度的逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器AD7934，它具有4 個模擬輸入通道，模擬電壓輸入范圍為0～+2.5 V，采樣率高達1.5 MSPS，由于系統(tǒng)采用了兩路數(shù)據(jù)信號進行采樣，所以，單路信號的采樣頻率為750 kSPS［8，9］。

系統(tǒng)選用 SAMSUNG 的非易失性 NAND Flash K9K8G08U0M 作為存儲器，用來保證測得的炮彈速度數(shù)據(jù)可以進行后期的分析和處理，其存儲容量為1 GB，數(shù)據(jù)保存時間最長為10 年，滿足長時間保存數(shù)據(jù)的要求。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計主要是圍繞FPGA 來完成的，實現(xiàn)功能有:A/D 轉(zhuǎn)換的控制、FLASH 讀寫數(shù)據(jù)、USB 讀數(shù)以及FIFO。FPGA 內(nèi)部邏輯控制流程如圖5 所示。

圖5 FPGA 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖Fig 5 Structure block diagram of FPGA inner logic

其中使用FIFO 模塊用來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速度與Flash讀寫速度。USB 讀數(shù)接口直接讀取的是FIFO 內(nèi)的數(shù)據(jù)，而不是直接從Flash 中讀取數(shù)據(jù)，這樣克服了GPIF 很難產(chǎn)生復(fù)雜的時序直接控制Flash 存儲器的問題，利用FIFO，就可以將Flash 復(fù)雜的控制時序交給FPGA 處理，GPIF 直接從FIFO 中讀取數(shù)據(jù)，從而達到快速讀數(shù)的目的。

4 測試結(jié)果

由于受測試條件限制，無法進行靶場實驗，只能在實驗室進行低速測量。在實際測量時，將鋼珠和彈頭在同一重心高度做自由落體運動穿過光幕，并以鋼珠的速度作為參考速度，光幕靶距s 經(jīng)過多次測量求取平均值為12.449 cm，根據(jù)時間參數(shù)由平均速度測量法求得炮彈速度，所測數(shù)據(jù)具體值如表1、表2 所示。

表1 彈尖觸發(fā)方式測試記錄Tab 1 Test records of bomb tip trigger mode

表2 彈底觸發(fā)方式測試記錄Tab 2 Test records of bomb bottom trigger mode

對比同一表格中相對誤差參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，炮彈速度與相對誤差呈反比，當速度越小時相對誤差越大。所以，使用高速飛行的炮彈測得的相對誤差會比表格中的數(shù)據(jù)小很多。對比表1、表2，參考圖1，可以得出相對于彈尖觸發(fā)方式，彈底觸發(fā)方式精度明顯更高。

為了讓所采的數(shù)據(jù)更加直觀，這里將數(shù)據(jù)進行處理，然后在上位機上進行顯示。由圖6 可以直觀看到炮彈在穿過光幕的過程中擋住光束的不斷變化引起的輸出電壓的變化，曲線與實驗所用彈頭的外形輪廓如圖7 基本吻合。圖中電壓呈階梯式變化，這是由光幕傳感器的分辨率引起的，經(jīng)過I/V 轉(zhuǎn)換后，其分辨率為53.33 mV。

圖6 炮彈通過光幕過程圖Fig 6 Process diagram of bomb pass through light screen

圖7 實驗所用彈頭實物圖Fig 7 Physical map of warhead for experiment

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)以FPGA 為控制核心，采用2 對EZ-ARRAY 系列的測量光幕傳感器解決了雙光幕靶不易安裝、難一一對準的問題，同時通過設(shè)計零點可調(diào)的高精度I/V 轉(zhuǎn)換電路，從而大大提高了炮彈速度測量結(jié)果的精確度。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠準確地測量炮彈速度，并驗證了彈底觸發(fā)方式比彈尖觸發(fā)方式精確度更高。系統(tǒng)不僅可以測得炮彈速度，并且可以通過測量數(shù)據(jù)繪制彈體輪廓求得彈體體積，這在炮彈碎片動能測試中非常重要。

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