基于FPGA的光電抗干擾電路設計方案

光電靶的基本原理是：當光幕內的光通量發(fā)生足夠大的變化時(shí)，光電傳感器會(huì )響應這種變化而產(chǎn)生電信號。這就是說(shuō)，一些非彈丸物體在穿過(guò)光幕時(shí)也會(huì )使得光幕內光通量發(fā)生變化以至光電傳感器產(chǎn)生電信號。從原理上，這種現象并非異常，而對測試來(lái)講則屬于干擾。在具體靶場(chǎng)測試中，當干擾嚴重時(shí)會(huì )導致測試根本無(wú)法進(jìn)行。因此，如何排除干擾，保證系統的正常運行，是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

紅外密集度光電立靶測試系統是一種新型的用于測量低伸彈道武器射擊密集度的測試系統，既測試無(wú)須進(jìn)行任何特殊處理的金屬彈丸，又可測試非金屬彈丸，更有反映靈敏、精度高而穩定、操作簡(jiǎn)單、容易維護等優(yōu)點(diǎn)，已被許多靶場(chǎng)投入使用。

理論分析

光電靶在工作時(shí)，光電傳感器響應光幕內光通量的變化，將其轉變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?，?jīng)過(guò)放大后，進(jìn)入電壓比較器，當其幅值高于預定基準時(shí)，電壓比較器翻轉，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

由于隨同彈丸穿過(guò)光幕的細小物體和外界光線(xiàn)變化產(chǎn)生的信號幅值較小，通過(guò)對電壓比較器設置合適的比較門(mén)限便可濾除這種信號。在靶廠(chǎng)實(shí)際測試中，這種干擾信號幅值一般小于0.8V，在電路中只要將電壓比較器的門(mén)限電平設為0.8V便可消除這種干擾。

根據光電靶的工作原理，穿過(guò)光幕的飛行物體速度不同，遮擋光幕的時(shí)間就不同，在電路中表現為比較器后產(chǎn)生的方波脈沖的寬度不同。與彈丸相比，蚊蟲(chóng)的飛行速度要低得多，當其穿過(guò)光幕時(shí)，產(chǎn)生的方波脈沖的寬度要比彈丸產(chǎn)生得寬；在亞音速彈測試中，彈丸速度低于聲速，由聲波引起的脈沖寬度小于彈丸產(chǎn)生的方波脈沖寬度。因此，從原理上在比較器后利用濾波電路濾除干擾信號是可能的。

利用FPGA實(shí)現濾波及抗干擾

整個(gè)電路的主要功能是抗沖擊波和蚊蟲(chóng)干擾，并把有效彈丸信號變成脈寬為50μs的信號輸出到下級處理電路。設計中采用的芯片是MAX7000系列的EPM7128SLC84-15芯片。下面就如何實(shí)現濾波和抗干擾作詳細介紹。

1 電路原理

當有物體穿過(guò)光幕時(shí)，所產(chǎn)生方波的脈沖寬度為：T=(L+D)/V。式中，L為飛行物的長(cháng)度，D為光幕面的厚度，V為飛行物的速度。沖擊波以聲速計算，V為340m/s，D=3mm，則可知沖擊波穿過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度為：T1=D/V≌8.8μs；若V=330m/s,則T1≌9.1μs。蚊蟲(chóng)等飛行物飛行速度V為20m/s，物體長(cháng)度L大約為10mm，則可知蚊蟲(chóng)飛過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度為T(mén)2≌650μs。紅外密集度立靶測試系統測試彈丸彈速范圍為200～1200m/s,主要用于5.8mm、7.62mm、9mm三種彈；沖擊波的影響主要產(chǎn)生于對9mm×19mm的手槍彈的測量，該彈丸彈速約為320m/s。根據彈速和彈長(cháng)，可知彈丸穿過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度范圍為T(mén)3=37.5μs。

根據靶場(chǎng)實(shí)際測試情況，彈丸穿過(guò)光幕時(shí)產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度基本都小于150μs且大于10μs，則可以認為脈沖寬度大于150μs小于10μs的信號為無(wú)效信號，可以剔除，此時(shí)可將蚊蟲(chóng)干擾信號和沖擊波信號濾除，達到抗干擾的目的。

2抗沖擊波電路

濾除沖擊波電路如圖1所示。當PULSE_IN端出現一個(gè)正跳變時(shí)，上跳沿使得觸發(fā)器D1的輸出端產(chǎn)生高電平信號，則啟動(dòng)計數器開(kāi)始計數。當計數器計滿(mǎn)后，計數器輸出端產(chǎn)生一個(gè)正跳變，上升沿使得觸發(fā)器D3的輸出端產(chǎn)生一個(gè)高電平信號，將這兩個(gè)信號相與得到輸出信號PULSE_OUT1。當PULSE_IN的下降沿到來(lái)時(shí)將計數器和三個(gè)觸發(fā)器同時(shí)清零，等待下一個(gè)信號到來(lái)。由圖2可知，當PULSE_IN的脈寬小于設定計時(shí)寬度時(shí)，認為干擾信號PULSE_OUT1為低；當PULSE_IN的脈寬大于設定計時(shí)寬度時(shí)且仍為高時(shí)，認為信號有效，PULSE_OUT1為高且在PULSE_IN的下降沿變?yōu)榈碗娖?，等待下一信號的到?lái)。

圖1 濾除沖擊波電路

圖2 抗沖擊波電路仿真波形圖