賈鵬程，王代華，范少波，馬竹新

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室，太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，太原 030051)

在炮口彈丸初速、破片測速的測試手段中，靶網(wǎng)測速是較為成熟的手段[1]。靶網(wǎng)又根據(jù)原理不同分通靶與斷靶。通常而言，通靶相較斷靶容易制作，但僅可觸發(fā)一次，常用于彈丸測速項目；斷靶根據(jù)著靶點(diǎn)不同可進(jìn)行多次觸發(fā)，更適用于破片測速場合中。但現(xiàn)有靶網(wǎng)測試常有以下缺陷：

1)針對兩種靶網(wǎng)需設(shè)計不同的測速儀器，現(xiàn)有破片測速系統(tǒng)和炮口測速系統(tǒng)各行其是，且受爆炸產(chǎn)生的電磁干擾影響[2]；

2)目前主要采用220 V交流供電，還需配置油機(jī)和掩體，移動不便，現(xiàn)場試驗工作效率低[3]。

針對以上靶網(wǎng)測試法存在的不足，設(shè)計了一種通/斷靶皆可觸發(fā)的多通道便攜式測速系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA為控制核心，采用單片高速AD轉(zhuǎn)換器，以NAND FLASH作為最終存儲單元，結(jié)構(gòu)小巧，操作簡單，可提高現(xiàn)場靶場測試的靈活性以及測速數(shù)據(jù)的可靠性。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計

該測速系統(tǒng)在綜合考慮便攜性和系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，采用存儲測試原理設(shè)計[4]，即系統(tǒng)對破片或彈丸過靶產(chǎn)生的信號進(jìn)行調(diào)理并存儲，在實驗結(jié)束后進(jìn)行回讀分析的測試方法。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示，其設(shè)計思路如下：

1)測速系統(tǒng)共分8通道，每通道通過引線接靶，系統(tǒng)上電后，信號自適應(yīng)調(diào)理電路可迅速識別靶類別并調(diào)整觸發(fā)模式。系統(tǒng)觸發(fā)后，信號自適應(yīng)電路僅輸出對應(yīng)調(diào)理后的靶線通或靶線斷信號。

2)該系統(tǒng)脫離現(xiàn)有多通道存儲式測速系統(tǒng)的多控制器+多AD轉(zhuǎn)換器+多片存儲器的架構(gòu)，以高速AD轉(zhuǎn)換器+多路復(fù)用器架構(gòu)實現(xiàn)信號采集[5-6]，采用FPGA為控制核心。此架構(gòu)可在信號完整度以及采樣精度得以保證的前提下較大程度地減小系統(tǒng)體積，降低功耗。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

系統(tǒng)工作過程：試驗前，根據(jù)爆炸當(dāng)量和各測點(diǎn)相對于爆心的距離對測試系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)工作參數(shù)的設(shè)定，包括存儲長度、負(fù)延時長度等，系統(tǒng)對設(shè)定好的工作參數(shù)具有記憶功能。系統(tǒng)上電后進(jìn)入循環(huán)采樣階段，戰(zhàn)斗部起爆后，觸靶信號使系統(tǒng)觸發(fā)，各通道信號在同一時基下開始記錄，將有效數(shù)據(jù)保存到存儲器中；存儲完成后通過USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，利用上位機(jī)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 通/斷靶自適應(yīng)調(diào)理電路設(shè)計

2.1.1基于高速邏輯光耦的信號轉(zhuǎn)換電路

在爆炸威力實驗中，爆炸產(chǎn)物高速飛散并與周圍空氣介質(zhì)發(fā)生劇烈摩擦和碰撞，最終會在周圍空氣中形成等離子體。這些帶電離子會通過觸發(fā)線以及梳狀靶耦合進(jìn)測速儀，引起強(qiáng)烈的電磁干擾。在以往的測試實踐中，采集的數(shù)據(jù)可以反映出這一現(xiàn)象的存在。如果不采取信號隔離和抗干擾措施，雜亂的干擾信號輕則影響有效信號的分析，強(qiáng)電磁干擾甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)瞬間崩潰。針對以上問題，本系統(tǒng)采用高速邏輯光耦實現(xiàn)對過靶信號的隔離，使信號的輸入端和采集端沒有電氣連接[7]，且在隔離兩端采用不同的接地點(diǎn)，切斷“地”干擾的傳播途徑，徹底實現(xiàn)了兩端信號的電氣隔離。高速邏輯光耦抑制干擾信號的同時還可將靶網(wǎng)的通斷信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的極性信號。其轉(zhuǎn)換電路圖如圖2。

圖2 靶網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換電路圖

當(dāng)靶網(wǎng)的靶線導(dǎo)通時，光耦內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光，反向偏置的光敏二極管受光照后導(dǎo)通，經(jīng)輸出三極管反向后光耦輸出低電平；當(dāng)靶線斷開時，三極管輸入電流小于觸發(fā)閾值，光耦輸出高電平。即光耦輸出可實時反映出當(dāng)前靶線狀態(tài)，在對于給定的某類型靶(通靶或者斷靶)，彈丸或者破片過靶前后產(chǎn)生的信號極性是不同的。這個信號本身是需要記錄的對象，同時也可以作為靶類型識別的依據(jù)。

2.1.2自適應(yīng)信號發(fā)生調(diào)理電路

為準(zhǔn)確識別當(dāng)前靶類別、屏蔽非當(dāng)前靶的信號且將有效信號調(diào)理至合適的范圍以便后續(xù)電路處理，系統(tǒng)采用簡單邏輯器件如D觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等完成對光耦輸出信號的硬件識別、屏蔽、調(diào)幅，并將彈丸/破片過靶的邊沿信號轉(zhuǎn)換成脈寬較小的脈沖信號。自適應(yīng)信號發(fā)生調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)信號發(fā)生調(diào)理電路圖

當(dāng)外部引線接好靶網(wǎng)后，系統(tǒng)上電，D觸發(fā)器經(jīng)RC電路高復(fù)位識別未觸發(fā)的靶信號。若當(dāng)前靶網(wǎng)為通靶，調(diào)理電路僅輸出靶線被打斷的對應(yīng)脈沖；同理，若當(dāng)前靶為斷靶，調(diào)理電路僅輸出靶線導(dǎo)通的對應(yīng)脈沖。在該電路中,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在輸入信號極性發(fā)生變化時產(chǎn)生并輸出脈沖，D觸發(fā)器、邏輯與門和或門則根據(jù)靶網(wǎng)初始狀態(tài)對該脈沖選通輸出。

另一方面或門輸出的脈沖信號需要經(jīng)過基線調(diào)整和信號縮比電路才可以由ADC采樣，同時該脈沖信號經(jīng)觸發(fā)器輸出系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)信號，使測速系統(tǒng)各通道的數(shù)據(jù)開始記錄。

2.2 基于FPGA的采集存儲邏輯設(shè)計

FPGA是現(xiàn)場可編輯門陣列，相較其他處理器，F(xiàn)PGA具有并行處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，更適用于多通道、數(shù)據(jù)吞吐量高的場合中[8]。本系統(tǒng)采用FPGA作為主控單元，主要實現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)的采集、編幀打包、緩沖、存儲等功能?；贔PGA的采集存儲邏輯框圖如圖4。

圖4 FPGA控制邏輯框圖

2.2.1多路模擬開關(guān)+單片AD架構(gòu)邏輯設(shè)計

多路模擬開關(guān)的選取主要考慮以下指標(biāo)：通道數(shù)量、導(dǎo)通電阻、切換速度和芯片電源電壓范圍等[9]。系統(tǒng)選用ADI公司的8選1高速模擬開關(guān)ADG708，其導(dǎo)通電阻為3，電阻平坦度為0.5，切換速度達(dá)14 ns，電源電壓范圍為1.8～5.5 V，滿足設(shè)計要求。FPGA邏輯電平的上升和下降時間都很短，可實現(xiàn)時序邏輯的精準(zhǔn)控制[10]，ADG708可在FPGA控制下實現(xiàn)8路通道的快速切換。其中每一路都唯一對應(yīng)模擬開關(guān)的一個通道，通過控制ADG708的通道地址“A0-A3”即可選通8路模擬通道的某一個。

根據(jù)靶網(wǎng)產(chǎn)生的脈沖信號的采樣需求，各通道采樣率需達(dá)到1 MHz，所以8路總采樣率為8 MHz，本系統(tǒng)選用ADI公司的高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220，其最高采樣率達(dá)10 Msps。它采用特有的四級流水結(jié)構(gòu)和錯誤修正，可保證在整個工作溫度內(nèi)沒有誤碼，適合常規(guī)靶場爆炸包括炮口測速的高溫惡劣環(huán)境。

為方便時序邏輯的設(shè)計和對信號采樣率的控制，將采樣的數(shù)據(jù)幀設(shè)置為固定格式，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。因各通道采樣率均需滿足1MHz，故每個采樣點(diǎn)采樣頻率取1 MHz。在幀尾增加幀結(jié)束標(biāo)志55、AA，便于上位機(jī)回讀數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)是否發(fā)生丟幀和誤幀進(jìn)行檢測。該幀結(jié)構(gòu)保證各采樣點(diǎn)均勻采樣，使多路數(shù)據(jù)有序?qū)懭氪鎯ζ鳎以谏衔粰C(jī)讀取數(shù)據(jù)后便于區(qū)分各路模擬信號的量化數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2.2.2存儲邏輯設(shè)計

與其他存儲介質(zhì)相比，NAND FLASH以其容量大、體積小、掉電數(shù)據(jù)不丟失且功耗低的特點(diǎn)，成為當(dāng)今存儲元件的首選。存儲式記錄儀不可避免會需要有效記錄波前信號，即負(fù)延時功能。但是NAND FLASH自身的存儲結(jié)構(gòu)決定了存儲數(shù)據(jù)之前需要花費(fèi)ms級的擦除時間，且測試數(shù)據(jù)也不能連續(xù)寫入，降低了FLASH總體寫入速度，并不適用于瞬態(tài)信號的快速存儲。若采用多片F(xiàn)LASH進(jìn)行流水操作來填補(bǔ)擦除時間的數(shù)據(jù)，則造成FLASH資源浪費(fèi)和增加編程難度，因此選用SRAM+FLASH陣列來實現(xiàn)系統(tǒng)存儲邏輯[11]。整個數(shù)據(jù)處理和存儲流程如圖5所示，其中采用SRAM作為負(fù)延時緩存單元；采用FPGA內(nèi)部IP核例化FIFO作為觸發(fā)后數(shù)據(jù)的緩存單元；采用了兩片F(xiàn)LASH作為最終存儲單元。

圖5 存儲邏輯設(shè)計流程框圖

存儲流程共分四步：第一步，未觸發(fā)時，F(xiàn)PGA根據(jù)需要設(shè)定負(fù)延時長度并在FLASH內(nèi)部留出同等的地址空間。此時FPGA可快速的將數(shù)據(jù)寫入SRAM，進(jìn)行負(fù)延時操作；第二步，觸發(fā)信號到來后，在SRAM寫入16 Byte負(fù)延時標(biāo)識信號，并將接下來AD采集的數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部FIFO緩存；第三步將FIFO數(shù)據(jù)取出，寫入FLASH單元；第四步采集完成后，將SRAM中數(shù)據(jù)取出，寫進(jìn)預(yù)留的FLASH空間。如此操作，就可將全部的數(shù)據(jù)寫入最終存儲單元FLASH中。其中SRAM僅作為負(fù)延時緩存單元，觸發(fā)后的數(shù)據(jù)則由FIFO緩存，避免采集期間同時對SRAM和FLASH進(jìn)行控制，操作較為簡潔，且利用FIFO有助于提高代碼穩(wěn)定性和效率。

本系統(tǒng)總采樣率8 MHz，分辨率為12位，理論數(shù)據(jù)寫入速率為14 MB/s。存儲介質(zhì)選取鎂光公司的MT29F8G08ABA，其頁編程時間tPROG為200～600 μs，頁容量4 096 Byte。按照圖5邏輯，若用單片F(xiàn)LASH的交替雙平面操作模式，數(shù)據(jù)寫入速率在9.9～19.8 MB/s之間。為保證數(shù)據(jù)可靠性，最終采用雙片F(xiàn)LASH片內(nèi)交叉片外流水操作[12]。雙片F(xiàn)LASH流水線操作如圖6所示。

圖6 雙片F(xiàn)LASH流水操作示意圖

雙片F(xiàn)LASH流水存儲本質(zhì)為循環(huán)利用第二片F(xiàn)LASH的加載時間填補(bǔ)當(dāng)前FLASH的頁編程繁忙時間，其理論寫入速率為15.84～26.2 MB/s，滿足設(shè)計需要。

3 同步性測試和實驗驗證

3.1 多通道同步性測試

多通道同步性測試是為了測試在同一時基下各通道的同步性誤差，同時也是對系統(tǒng)原理以及PCB等設(shè)計的綜合考量。在同步性測試中，用系統(tǒng)8通道同時采集同一斷靶信號，圖7為8通道過靶波形，圖8為波形放大之后的起始時刻，可知：多通道同步性誤差僅為1 μs，這在使用靶網(wǎng)的實驗場合中對數(shù)據(jù)的影響可忽略不計。

圖7 多通道過靶波形

圖8 多通道同步性波形(放大)

3.2 系統(tǒng)性能試驗驗證

本系統(tǒng)已在多次靶場彈丸破片測速現(xiàn)場試驗中得到成功應(yīng)用，驗證了其可靠性和便捷性。在某次炮口初速測試試驗中，通靶安裝在離炮口50 m的彈道支架上，靶距4 m，測速系統(tǒng)通過長引線接靶，并有高精度光幕測速儀記錄彈丸瞬態(tài)速度。圖9為彈丸過靶后的測速現(xiàn)場。

圖9 某型炮彈丸初速測試現(xiàn)場

多次試驗測量數(shù)據(jù)如表2所示，從表中可以看出本系統(tǒng)與高精度光幕測速儀測速的結(jié)果基本一致。

實驗證明，按上述原理設(shè)計的測速裝置和測試方法行之有效，多通道測速系統(tǒng)在野外環(huán)境下操作簡單靈活、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可滿足常規(guī)靶場的測速需求。

表2 某型炮多發(fā)試驗測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用記錄破片過靶波形的方法，能夠清晰再現(xiàn)破片穿靶過程，極大地提高了破片識別的正確率；信號極性可自動識別，不需人員干預(yù)，實現(xiàn)了一機(jī)兩用，使用方式靈活便攜；測試人員可根據(jù)具體測試任務(wù)進(jìn)行通道數(shù)的靈活選擇和系統(tǒng)工作參數(shù)的可編程設(shè)置，上位機(jī)選取特征點(diǎn)簡單，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確高效，滿足對不同彈丸破片的測試需求，為各類彈丸破片及破片速度評估提供了一種有效可靠的測試手段。