FPGA在激光測速靶中的應用

0 引言
彈丸飛行速度的測量是武器系統各種運動(dòng)參數中一項至關(guān)重要的內容，它是衡量火炮特性、彈藥特性和彈道特性的一個(gè)重要指標。在眾多的彈丸速度測量系統中，激光光幕區截測速靶以其精度高而獨具優(yōu)勢。但采用現成的數據采集卡進(jìn)行數據采集，不僅成本高，而且易受機箱等環(huán)境的限制。介紹了一種以FPGA為核心的數據采集系統，當子彈穿過(guò)光幕靶時(shí)，光電探測器獲得彈丸過(guò)靶信號，FPGA控制A／D轉換器進(jìn)行信號采集并存儲，以供后續分析和處理。

1 激光測速靶原理簡(jiǎn)介
激光測速靶就是一種利用光測法測量彈丸速度的測試裝置，它由初速靶和存速靶組成，初速靶和存速靶又分別由啟動(dòng)靶和停止靶組成。激光測速靶的光源為半導體激光器．激光束經(jīng)準直、柱面反射鏡的擴束形成入射光幕，彈丸依次過(guò)靶時(shí)，先后遮擋部分入射光線(xiàn)，經(jīng)原向反射屏反射后由光電探測器獲取彈丸過(guò)靶時(shí)的交變信號，信號調理后，由數據采集電路進(jìn)行采集，最后傳輸到上位機做數據處理和運算，得出子彈的飛行速度。

2 數據采集方案
為記錄子彈在啟動(dòng)靶和停止靶的過(guò)靶信號，以啟動(dòng)靶信號為觸發(fā)源，負延時(shí)觸發(fā)FPGA控制2個(gè)A／D轉換器同步進(jìn)行數據采集，將采集到的數據分別存儲到SRAM中，然后通過(guò)USB依次將SRAM中的數據傳輸到上位機進(jìn)行信號的分析和處理。單通道數據采集方案如圖2所示。

3 器件選型及依據
3．1 FPGA的選擇
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)。
本系統采用了Xilinx公司生產(chǎn)的XC2S50型FPGA。XC2S50是Spartan-Ⅱ系列產(chǎn)品中的一款，它采用了2．5V電源供電，系統性能可達200 MHz，具有50 000個(gè)系統門(mén)，CLB數量為16×24，LC為1728，BlockRAM容量32 Kbit，擁有176個(gè)I／O口。其中XC2S50TQl44的用戶(hù)可用I／O口為92個(gè)，完全能滿(mǎn)足系統的需要。
3．2 ADC的選擇
步槍子彈出膛時(shí)的初速約為710 mps，彈頭長(cháng)約2．5 cm。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)／700 000=O．000 038 57 s=38．57μs，也就是說(shuō)探測器要采集的信號的頻率為1／38．57 MHz=25 926．88 Hz。根據奈奎斯特(Nyquist)采樣定理，ADC的采樣頻率應≥51 853．76 Hz，實(shí)際應用中采樣頻率應≥259 268．8 Hz。