FPGA在新型激光光幕靶中的應用

賈 杰，黎 想，洪小康，張 帆

（南昌航空大學 江西 南昌 330063）

彈丸的彈著點坐標測量是武器系統(tǒng)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(shù)[1]。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)點常成為眾多測坐標方案的首選[2-6]，但傳統(tǒng)的光電測坐標系統(tǒng)在坐標采集和處理方面也有不足之處。文獻[7]是目前國內應用的比較先進的測坐標系統(tǒng)，但是沒有具體提到信號采集和處理的方法。文獻[8]實現(xiàn)了示靶、檢靶、自動報靶的一體化，但在信號的處理方面有些不足。文獻[8]和文獻[9]是用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，由于坐標精度的要求越來越高，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。單個單片機I/O口少，需要多個單片機協(xié)同工作才可以組成完整的采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結構復雜，而且子彈速度快，單片機頻率低，實時性不是很好。文獻[10]是復雜可編程器件（CPLD）和單片機相結合的方式。文獻[11]是現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）和單片機相結合的方式。文獻[12]是用FPGA構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但和文獻[10]、文獻[11]一樣，當靶面較大時，都需要幾個其設計的采集處理單元拼接起來才能組成整個的采集處理系統(tǒng)。

針對這些問題，在新型激光光幕靶中采用了單片F(xiàn)PGA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。具有結構簡單、安全可靠的優(yōu)點，大大降低了成本，進一步增加了系統(tǒng)應用的靈活性。

1 新型激光光幕靶原理簡介

激光光幕靶是光電靶中的一種，它主要由激光系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)組成[5]。如圖1所示，在前靶面（粗線光幕所在平面）的左下腳和與它平行的后靶面（細線光幕所在平面）的右下腳分別安裝一個發(fā)光角度為90°扇形的大功率線狀激光器。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90度扇形激光光幕在同一個平面相互交叉組成一個大面積矩形光幕。子彈無論從哪個區(qū)域穿過激光光幕，都會遮擋住投射在某個或某幾個光電二極管上的光線，當子彈穿過時至少有2排光電二極管陣列中的光電二極管會接收到信號。信號轉換電路將光電二極管接收到的信號轉換為數(shù)字信號，最后經采集處理后找到等效彈著點對應的光電二極管的標號，由此可以算出子彈穿過靶時的坐標。

2 數(shù)據(jù)采集處理方法

圖1 新型激光光幕靶結構圖Fig.1 Structure diagram of the new laser screen target system

根據(jù)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(shù)量，若以1m×1m靶，光電二極管間隔2.5 mm來算，四邊大約需要4×400=1 600個光電二極管。不管是單片機還是CPLD、FPGA，都沒有這么多I/O，需要幾片拼接起來才能實現(xiàn)這么多I/O的采集。在本系統(tǒng)中采用并轉串的方式，減少了需要的I/O數(shù)量，如80:1，則只需要大約20×3=60個I/O即可，則只要一塊FPGA芯片就可以滿足整個系統(tǒng)的要求。通過調整并轉串的比例，在同一時鐘的情況下，并轉串的比例越小，F(xiàn)PGA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控制并轉串的時鐘和移位、置數(shù)控制信號，采集到的信號經移位由高到低串行輸入給FPGA，F(xiàn)PGA先由串轉并模塊保存為光電二極管陣列對應位數(shù)的信號，經處理，若判斷為有子彈穿過，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，F(xiàn)PGA每隔5.34μs就采集一次數(shù)據(jù)，采集到有效數(shù)據(jù)就保存，F(xiàn)PGA按順序處理并上傳數(shù)據(jù)，避免了錯報、漏報的情況，此外，由于處理速度比較快，完全可以滿足子彈連發(fā)坐標采集的要求。

圖2 數(shù)據(jù)采集處理框圖Fig.2 Diagram of data acquisition and processing

3 器件選型及依據(jù)

3.1 FPGA的選擇及依據(jù)

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列。本系統(tǒng)采用了Xilinx公司生產的Spartan 3E系列的XC3S500E型FPGA芯片。Spartan 3E是Xilinx公司性價比較高的FPGA芯片，本系統(tǒng)中XC3S500E采用了3.3 V電源供電，時鐘頻率為50 MHz，其系統(tǒng)門數(shù)為50萬個，slice數(shù)目為4 656個，分布式RAM容量為73 kB，專用乘法器數(shù)為20個，DCM數(shù)目為4個，最大可用I/O數(shù)為232個，完全能滿足系統(tǒng)的需要。

3.2 并轉串芯片選擇及依據(jù)

若子彈出膛時的初速約為1 000 m/s，彈頭長約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間為:（25+2）/1 000 000=0.000 027 s=27 μs， 即光電二極管要采集的信號的頻率為1/27 MHz=37 037 Hz。根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，采樣頻率應≥74 074 Hz，而在本系統(tǒng)中采樣頻率為 187 265.92 Hz，約為37 037 Hz的5倍，滿足要求。

74LS165是八位移位寄存器 （并行輸入，互補串行輸出），F(xiàn)m（最大時鐘頻率）為35 MHz。其工作原理：當移位/置數(shù)控制端（SH/LD）為低電平時，并行數(shù)據(jù)（A-H）被置入寄存器。當移位/置數(shù)控制端（SH/LD）為高電平時，并行置數(shù)功能被禁止，將鎖存的八位置數(shù)信號從高到低移位串行輸出。通過級聯(lián)11塊74LS165，就可以實現(xiàn)88:1的并轉串比例，由于是由FPGA控制74LS165級聯(lián)塊的時鐘和移位置數(shù)工作狀態(tài)，最終又串行輸入給FPGA，可以保證時序。若一個光電二極管陣列由88個光電二極管組成，則要級聯(lián)11塊74LS165，要把一個光電二極管陣列的所有光電二極管狀態(tài)數(shù)據(jù)給FPGA需要 89（88+1移位置數(shù)控制信號）個 clkout，在本系統(tǒng)中1個clkout的周期是60 ns，則總時間t=89×60 ns=5.34μs，約是子彈穿過時間的1/5。由于采用的是并行采集，各個光電二極管陣列是獨立的，但又可看成是同一復制體，F(xiàn)PGA每隔5.34μs就可以采集到靶上所有光電二極管陣列的數(shù)據(jù)，實時性較好。

4 主要模塊邏輯實現(xiàn)及仿真

本系統(tǒng)主要包括3個模塊部分：并轉串控制模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊，上傳模塊。系統(tǒng)工作過程為：FPGA每隔5.34μs不間斷采集光電二極管陣列數(shù)據(jù)，當子彈穿過靶面時，如果采集到的數(shù)據(jù)不全為0，則先臨時存儲，然后判斷數(shù)據(jù)是否有效，無效則報警，有效則進行處理，最后通過RS232串口上傳給上位機處理顯示，上傳成功后存儲模塊清零。其總流程圖如圖3所示。

4.1 并轉串控制模塊

主要功能是產生各個74LS165級聯(lián)塊需要的60 ns的時鐘信號clkout，和周期為89個clkout的移位控制信號，仿真結果如圖4所示。

4.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

圖3 總流程圖Fig.3 General flow diagram

圖4 并轉串控制時序仿真圖Fig.4 Timing simulation diagram of parallel turn serial control

主要功能是在clk_cj采集信號控制下采集中間位置的數(shù)據(jù)，將上次鎖存的各個光電二極管陣列的數(shù)據(jù)通過移位從高到低存儲在臨時存儲 dz1，dz2，dz3，dz4中。 在 cnt2=0，即移位置數(shù)控制信號工作在置數(shù)狀態(tài)時，若子彈穿過即dz1，dz2，dz3，dz4 不全為 0，則轉存在 js1，js2，js3，js4 中（由于后 4 位未連接到光電二極管，后4位不保存）。根據(jù)js1，js2，js3，js4是否0，可以判斷被遮擋的光電二極管處于n1，n2，m1，m2的哪邊（與mn的4位對應）。由于子彈射擊位置不同，遮擋的光電二極管的數(shù)量也不同，若子彈直徑為4.6 mm，光電二極管間隔為2.5 mm，則遮擋的二極管為1～18之間。判斷數(shù)據(jù)是否有效，若無效則報警。若n1，n2只有一邊被遮擋，則只需要找到彈著點對應的光電二極管編號。若n1，n2都有光電二極管被遮擋，則不僅需要找到等效彈著點對應的光電二極管編號，還要判斷等效彈著點是位于n1那邊，還是n2這邊。同理處理 m1，m2。 最終得到彈著點對應的位于 n1，n2，m1，m2 的光電二極管的編號，由于是從1開始編號，最終要得到是在n1，n2，m1，m2 上的等效距離，相應的 n1，n2，m1，m2 要減 1。最終得到彈著點坐標對應的參數(shù)m和n，以及相應的公式編號，仿真結果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理時序仿真圖Fig.5 Timing simulation diagram of data acquisition and processing

4.3 上傳模塊

主要功能是，將得到的最終彈著點坐標參數(shù)通過RS232串口上傳給上位機處理顯示，仿真結果如圖6所示。

圖6 上傳數(shù)據(jù)時序仿真圖Fig.6 Timing simulation diagram of uploading data

5結 論

仿真結果表明：由FPGA組成的數(shù)據(jù)采集、處理裝置應用在新型激光光幕測坐標系統(tǒng)中，不僅繼承了光電靶的眾多優(yōu)點，還解決了傳統(tǒng)激光光幕靶處理器I/O緊缺、處理速度慢，存在錯報、漏報等缺點，可實現(xiàn)靶場對于彈丸坐標采集所要求的響應速度快、可測連發(fā)的要求，而且比傳統(tǒng)的用單片機，單片機CPLD與單片機結合，F(xiàn)PGA與單片機結合的采集處理裝置結構更簡單，體積更小，成本更低。

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