FPGA在新型激光光幕靶中的應用

摘要：結合坐標采集和處理在新型激光光幕靶中的應用，針對傳統激光光幕靶處理器I／O緊缺、處理速度慢、存在錯報、漏報，無(wú)法測試子彈連發(fā)坐標等問(wèn)題，提出了一種以FPGA為核心的坐標采集和處理系統的設計方法。設計中采用了自頂向下的設計方法，將該系統依據邏輯功能劃分為3個(gè)模塊，并在ISE 14．1和Modelsim中進(jìn)行設計、編譯、仿真，最后的仿真結果表明該系統能夠很好地采集到子彈的坐標。
關(guān)鍵詞：FPGA；激光光幕靶；坐標采集；Modelsim

彈丸的彈著(zhù)點(diǎn)坐標測量是武器系統中不可缺少的一項重要指標，也是各種武器研制、試驗和驗收必須測試的重要參數。目前國內外測坐標方法很多，光電測坐標法以其測試精度高、可靠性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)常成為眾多測坐標方案的首選，但傳統的光電測坐標系統在坐標采集和處理方面也有不足之處。文獻是目前國內應用的比較先進(jìn)的測坐標系統，但是沒(méi)有具體提到信號采集和處理的方法。文獻實(shí)現了示靶、檢靶、自動(dòng)報靶的一體化，但在信號的處理方面有些不足。文獻和文獻是用單片機實(shí)現數據采集和處理，由于坐標精度的要求越來(lái)越高，要求光電傳感器的間隔要足夠小，因此需要較多的光電傳感器。單個(gè)單片機I／O口少，需要多個(gè)單片機協(xié)同工作才可以組成完整的采集系統，系統結構復雜，而且子彈速度快，單片機頻率低，實(shí)時(shí)性不是很好。文獻是復雜可編程器件(CPLD)和單片機相結合的方式。文獻是現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)和單片機相結合的方式。文獻是用FPGA構成數據采集系統，但和文獻一樣，當靶面較大時(shí)，都需要幾個(gè)其設計的采集處理單元拼接起來(lái)才能組成整個(gè)的采集處理系統。
針對這些問(wèn)題，在新型激光光幕靶中采用了單片FPGA與并轉串模塊相結合，采集和處理相獨立的方式，充分發(fā)揮了FPGAI／O口眾多，響應速度快的特點(diǎn)。具有結構簡(jiǎn)單、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，大大降低了成本，進(jìn)一步增加了系統應用的靈活性。

1 新型激光光幕靶原理簡(jiǎn)介
激光光幕靶是光電靶中的一種，它主要由激光系統和計算機系統組成。如圖1所示，在前靶面(粗線(xiàn)光幕所在平面)的左下腳和與它平行的后靶面(細線(xiàn)光幕所在平面)的右下腳分別安裝一個(gè)發(fā)光角度為90°扇形的大功率線(xiàn)狀激光器。半導體激光器發(fā)出的激光束分別被玻璃柱透鏡擴散成一個(gè)扇形光幕。由于前靶面和后靶面的距離為1 cm，所以可以認為這2個(gè)90度扇形激光光幕在同一個(gè)平面相互交叉組成一個(gè)大面積矩形光幕。子彈無(wú)論從哪個(gè)區域穿過(guò)激光光幕，都會(huì )遮擋住投射在某個(gè)或某幾個(gè)光電二極管上的光線(xiàn)，當子彈穿過(guò)時(shí)至少有2排光電二極管陣列中的光電二極管會(huì )接收到信號。信號轉換電路將光電二極管接收到的信號轉換為數字信號，最后經(jīng)采集處理后找到等效彈著(zhù)點(diǎn)對應的光電二極管的標號，由此可以算出子彈穿過(guò)靶時(shí)的坐標。

2 數據采集處理方法
根據靶面的大小以及光電二極管的間距，可以算出需要的光電二極管的數量，若以1mx1m靶，光電二極管間隔2．5 mm來(lái)算，四邊大約需要4x400=1 600個(gè)光電二極管。不管是單片機還是CPLD、FPGA，都沒(méi)有這么多I／O，需要幾片拼接起來(lái)才能實(shí)現這么多I／O的采集。在本系統中采用并轉串的方式，減少了需要的I／O數量．如80：1，則只需要大約20x3=60個(gè)I／O即可，則只要一塊FPGA芯片就可以滿(mǎn)足整個(gè)系統的要求。通過(guò)調整并轉串的比例，在同一時(shí)鐘的情況下，并轉串的比例越小，FPGA對所有光電二極管陣列采集一次的周期就越短。如圖2所示，光電二極管的光照狀態(tài)經(jīng)信號調理后變成FPGA可以識別的‘0’和‘1’信號。由FPGA控制并轉串的時(shí)鐘和移位、置數控制信號，采集到的信號經(jīng)移位由高到低串行輸入給FPGA，FPGA先由串轉并模塊保存為光電二極管陣列對應位數的信號，經(jīng)處理，若判斷為有子彈穿過(guò)，則將等效的坐標值上傳給上位機處理顯示。由于采用采集和處理相獨立的方式，FPGA每隔5．34μs就采集一次數據，采集到有效數據就保存，FPGA按順序處理并上傳數據，避免了錯報、漏報的情況，此外，由于處理速度比較快，完全可以滿(mǎn)足子彈連發(fā)坐標采集的要求。

3 器件選型及依據
3．1 FPGA的選擇及依據
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列。本系統采用了Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan 3E系列的XC3S500E型FPGA芯片。Spartan 3E是Xilinx公司性?xún)r(jià)比較高的FPGA芯片，本系統中XC3S500E采用了3．3 V電源供電，時(shí)鐘頻率為50 MHz，其系統門(mén)數為50萬(wàn)個(gè)，slice數目為4 656個(gè)，分布式RAM容量為73 kB，專(zhuān)用乘法器數為20個(gè)，DCM數目為4個(gè)，最大可用I／O數為232個(gè)，完全能滿(mǎn)足系統的需要。
3．2 并轉串芯片選擇及依據
若子彈出膛時(shí)的初速約為1 000 m／s，彈頭長(cháng)約2．5cm。激光靶激光束寬2 mm，容易算出激光束被子彈遮擋的時(shí)間為：(25+2)／1 000 000=0．000 027 s=27μs，即光電二極管要采集的信號的頻率為1／27 MHz=37 037 Hz。根據奈奎斯特(Nyquist)采樣定理，采樣頻率應≥74 074 Hz，而在本系統中采樣頻率為187 265．92 Hz，約為37 037 Hz的5倍，滿(mǎn)足要求。
74LS165是八位移位寄存器(并行輸入，互補串行輸出)，Fm(最大時(shí)鐘頻率)為35 MHz。其工作原理：當移位／置數控制端(SH／LD)為低電平時(shí)，并行數據(A—H)被置入寄存器。當移位／置數控制端(SH／LD)為高電平時(shí)，并行置數功能被禁止，將鎖存的八位置數信號從高到低移位串行輸出。通過(guò)級聯(lián)11塊74LS165，就可以實(shí)現88：1的并轉串比例，由于是由FPGA控制74LS165級聯(lián)塊的時(shí)鐘和移位置數工作狀態(tài)，最終又串行輸入給FPGA，可以保證時(shí)序。若一個(gè)光電二極管陣列由88個(gè)光電二極管組成，則要級聯(lián)11塊74LS165，要把一個(gè)光電二極管陣列的所有光電二極管狀態(tài)數據給FPGA需要89(88+1移位置數控制信號)個(gè)clkout，在本系統中1個(gè)clkout的周期是60 ns，則總時(shí)間t=89x60ns=5．34μs，約是子彈穿過(guò)時(shí)間的1／5。由于采用的是并行采集，各個(gè)光電二極管陣列是獨立的，但又可看成是同一復制體，FPGA每隔5．34μs就可以采集到靶上所有光電二極管陣列的數據，實(shí)時(shí)性較好。