基于USB接口的炮彈測速系統設計

　　引 言

　　目前彈丸初速測量的主要方法有激光測量法、紅外線(xiàn)測量法、線(xiàn)圈靶法。由于火藥氣體對光的污染，對激光測量法和紅外線(xiàn)測量法都有一定的影響，火炮的強大機械沖擊也會(huì )影響測量的性能;野外作業(yè)還需要測試系統便于攜帶。本文闡述從分立邏輯器件測量炮口初速改裝為應用CPLD測量炮速，提高了測量系統的集成度，且傳輸接口采用的是目前流行的串行高速數據傳輸接口USB 2.O接口技術(shù)。該接口具有操作方便、速度快的特點(diǎn)，其理論最大傳輸速度為480 Mbps，故炮彈測速的可靠性和方便性大大提高，具有非常重要的現實(shí)意義和廣闊的應用前景。

　　1 測量原理

　　首先要求在炮口的末端安裝兩個(gè)間距為s(20 cm)的感應線(xiàn)圈靶;線(xiàn)靶傳感器輸出端以差分方式接至測量?jì)x器上。打炮時(shí)，帶有磁性的彈丸出炮口，先后穿過(guò)感應線(xiàn)圈靶，在感應線(xiàn)圈靶中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。在測量?jì)x器輸入端會(huì )得到具有一定時(shí)間間隔(△t)的兩次突變信號，如圖1中A路信號和B路信號。兩次突變的信號經(jīng)調理整形后變成了脈沖信號，速度為ds/dt，彈丸的初速為V=s/△t。

　　時(shí)間間隔△t是通過(guò)計數的方式測量的，采用40 MHz的有源晶振作為計數脈沖源，計數的最小分辨率可達到O.25μs。測量原理如圖2所示。

　　2 系統方案及硬件實(shí)現

　　在圖1中，當炮彈經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈A和B時(shí)將產(chǎn)生一定脈沖幅度的感應信號，并且這兩個(gè)信號之間有一定的時(shí)間間隔。調理部分即是將感應信號整形為規則的方波，然后再輸入到測速模塊中去。測速模塊在完成速度測量后將結果由USB接口傳輸到主控制臺。由主控制臺軟件來(lái)進(jìn)行顯示和處理，如圖3所示。

　　2.1 調理模塊

　　彈丸穿過(guò)感應線(xiàn)圈輸出的信號為ys(t)，信號幅度在150 mv左右。因為外界的干擾(如溫度和電源的變化)，即使沒(méi)有彈丸穿過(guò)感應線(xiàn)圈，感應線(xiàn)圈上也有20 mV左右的隨機信號輸出.yn(t)，即背景噪聲。

　　感應線(xiàn)圈輸出y(t)的表達式：

　　y(t)=ys(t)+yn(t)

　　實(shí)際上，輸出信號為感應信號ys(t)和背景噪聲yn(t)的疊加。把彈丸穿過(guò)感應線(xiàn)圈的有用信號和隨機背景噪聲分離的通常辦法有：閥值比較法、濾波處理和智能法。本系統選用了閥值比較法。它簡(jiǎn)單明了，易于實(shí)現。

　　因為最前端感應線(xiàn)圈輸出的模擬信號微弱，所以調理模塊最前端選用了儀表運放IN129，差模輸入。它輸入阻抗高，內部包括三級運放。后端采用高精密雙運放AD712，它有輸入失調電壓小，輸入失調電壓漂移小的優(yōu)點(diǎn)，可以減小信號在傳輸放大過(guò)程中的失真。最后一級通過(guò)電壓比校器LM311來(lái)實(shí)現閥值比較。其中閥值是通過(guò)理論計算和實(shí)驗得出的經(jīng)驗值。整個(gè)工作過(guò)程是炮彈通過(guò)線(xiàn)圈的感應信號(150 mV左右)經(jīng)過(guò)高輸入阻抗的儀表運放IN129后，再用高精密運放AD712進(jìn)行一定倍數放大，最后和基準電壓比較后整形輸出方波。輸出的方波信號直接作為計數的門(mén)控制。

　　2.2 測速模塊

　　要在啟停脈沖的控制下實(shí)現計數主要三種方法：MCU(單片機)實(shí)現、數字集成電路搭接、CPLD/FPGA硬件描述語(yǔ)言實(shí)現。用單片機定時(shí)器或中斷方式實(shí)現時(shí)，單片機計數快慢受MCU的主頻限制，彈丸速度測量精度會(huì )受到影響。用數字集成塊搭接的方式過(guò)于繁瑣，且印制板體積會(huì )加大，影響穩定性和集成度。本系統采用硬件描述語(yǔ)言在CPLD中實(shí)現的方式，集成度高，穩定性好，且可以在不改動(dòng)印制板的情況下實(shí)現硬件的升級。測速模塊是在A(yíng)ltera公司MAX3000A系列的EPM3128ATC144-10芯片中實(shí)現，如圖4所示。其中主要的功能子模塊有：計數控制模塊、24位計數模塊、I2C收/發(fā)模塊。計數控制模塊收到開(kāi)始計數信號(上升沿)后通知24位計數模塊開(kāi)始清零、計數。當停止信號到來(lái)時(shí)，計數停止并發(fā)出中斷請求，通知芯片CY7C68013的固件程序，固件程序通過(guò)I2C總線(xiàn)接收計數值，并等待下一次計數。

　　2.3 USB2.0接口芯片CY7C68013

　　CY7C68013芯片是Cypress Semiconductor公司推出的EZ-FX2系列高速USB2.0設備控制器，最高可支持480 Mbps(高速)操作。它集成了USB2.0收發(fā)器、SIE(串行接口引擎)、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口(GPIF、FIFO、I2C)。在上電時(shí)，CY7C68013芯片可通過(guò)I2C接口從外掛E2PROM中讀入固件程序，完成協(xié)議的自舉過(guò)程。如圖5所示，測量開(kāi)始后，CY7C68013芯片在固件的控制下工作，當收到中斷INT6，表示測量完成且轉換為24位計數值，固件程序通過(guò)I2C接口讀出24位計數值，即彈丸先后通過(guò)感應線(xiàn)圈靶的時(shí)間間隔(△t)，然后通過(guò)USB接口上傳給上位機。連發(fā)測量時(shí)重復上述過(guò)程，只是CY7C68013每讀回一次數據都會(huì )把計數值清零，且允許下次計數。

　　3 軟件設計

　　軟件設計分為芯片CY7C68013固件程序設計和上位機應用軟件設計，其中主要為固件程序設計，程序流程如圖6所示。固件程序的開(kāi)發(fā)應用Keil C51來(lái)完成，并且利用Hex2bix.exe在Keil C51的強大編譯環(huán)境下將HEX文件轉換成I2C文件，然后用EZ-USB Control Panel將I2C文件下載到E2PROM(24LC64)。在程序編寫(xiě)中，先將端點(diǎn)2和4設為塊輸出，端點(diǎn)6和8設為塊輸入。

　　當一發(fā)炮彈射出后，炮彈經(jīng)過(guò)前后線(xiàn)圈后產(chǎn)生一個(gè)計數值，利用I2C總線(xiàn)讀出24位計數模塊的數據，分高、中、低8位分別送回CY7C68013，然后通過(guò)USB 2.0傳給上位機。

　　應用程序使用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)工具。測試炮彈速度時(shí)，先單擊按鈕"準備測試"，然后打炮N發(fā)(N≤20)，再單擊"測試完成"，炮彈速度就顯示在左邊文本框，從而實(shí)現單發(fā)或連發(fā)炮彈速度測量。新建MFC工程，在BOOL CUsbTestDlg：：OnInitDialog()中打開(kāi)USB設備，得到端點(diǎn)信息。

　　送控制信息給端點(diǎn)2，固件程序根據所送之數進(jìn)行"準備測試"或"測試完成"操作。

　　結語(yǔ)

　　隨著(zhù)通用串行總線(xiàn)USB接口技術(shù)的發(fā)展，USB接口已被廣泛應用于測試領(lǐng)域。本文介紹了一種應用USB接口技術(shù)，并結合大規模集成電路和電子設計自動(dòng)化技術(shù)的炮速測量系統。該系統在炮速測量中具有很高的實(shí)用價(jià)值，在實(shí)際使用中表現出較高的靈活性和穩定性;加之優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，這種實(shí)現方法在測試領(lǐng)域有著(zhù)較好的應用前景。