面源紅外目標(biāo)模擬器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 茜，李根焰，藺佳哲，曾雪剛

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面源紅外目標(biāo)模擬器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 茜，李根焰，藺佳哲，曾雪剛

（空軍勤務(wù)學(xué)院航空彈藥系，江蘇 徐州 221000）

面源紅外目標(biāo)模擬器是紅外成像導(dǎo)彈導(dǎo)引頭性能測(cè)試必不可少的部件。通過(guò)需求分析，利用PCI技術(shù)、FPGA芯片、SRAM芯片和DA芯片搭建了一個(gè)硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電阻陣列芯片的產(chǎn)生紅外輻射的功能，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的PCI接口芯片、FPGA芯片、SRAM芯片、DA轉(zhuǎn)換芯片和電阻陣列芯片的選型進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且對(duì)硬件系統(tǒng)涉及的FPGA外圍電路、PCI接口電路、SRAM接口電路和DA轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

面源紅外目標(biāo)模擬器；芯片選型；電路設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)，紅外成像制導(dǎo)空空導(dǎo)彈憑借制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)漸漸成為世界各國(guó)空軍武器庫(kù)里的核心裝備。紅外成像制導(dǎo)空空導(dǎo)彈無(wú)論是在研制還是使用階段都必須進(jìn)行功能測(cè)試，而面源紅外目標(biāo)模擬器正是其進(jìn)行測(cè)試的核心器件之一。

目前國(guó)內(nèi)研究較多的是電阻陣列面源紅外目標(biāo)模擬器，且大部分針對(duì)的是128×128陣列規(guī)模，主要有張安京開發(fā)基于光纖反射內(nèi)存網(wǎng)和PC104技術(shù)[1]的系統(tǒng)；董敏周開發(fā)的基于光纖通信和DSP控制技術(shù)[2]的系統(tǒng)；馬文超開發(fā)的基于以太網(wǎng)[3]的系統(tǒng)；但是這3種系統(tǒng)用于256×256電阻陣列，由于圖像數(shù)據(jù)量的大幅增加，其幀頻和灰度等級(jí)會(huì)受到很大的制約，系統(tǒng)很可能不適用。而針對(duì)256×256規(guī)模，目前只有黃勇開發(fā)的基于FPGA＋雙端口RAM技術(shù)的系統(tǒng)，但是這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較繁瑣，開發(fā)周期長(zhǎng)，因此迫切需要一種規(guī)模大，幀頻高的電阻陣列面源紅外目標(biāo)模擬器。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

面源紅外目標(biāo)模擬器是把圖像生成計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的目標(biāo)和背景圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)PCI總線高速傳輸?shù)津?qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，再利用控制系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、緩沖、D/A轉(zhuǎn)換傳給電阻陣列，驅(qū)動(dòng)電阻陣列產(chǎn)生紅外輻射圖。針對(duì)上述功能要求，本文設(shè)計(jì)的面源紅外目標(biāo)模擬器硬件系統(tǒng)如圖1所示。

硬件控制系統(tǒng)是整個(gè)面源紅外目標(biāo)模擬器最核心部分。本文設(shè)計(jì)的硬件控制系統(tǒng)由PCI芯片、FPGA芯片、SRAM芯片和DA轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。首先通過(guò)PCI總線及接口芯片完成圖像數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)到驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的高速傳輸；然后利用FPGA芯片完成對(duì)整個(gè)硬件控制系統(tǒng)的邏輯控制和時(shí)鐘分配，同時(shí)生成驅(qū)動(dòng)電阻陣列芯片所需的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)；同時(shí)通過(guò)外接SRAM芯片完成圖像數(shù)據(jù)的緩存；最后利用D/A轉(zhuǎn)換芯片完成圖像數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)到模擬電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，生成驅(qū)動(dòng)電阻陣列芯片所需的行模擬電壓信號(hào)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Hardware structure chart

2 硬件系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

由于目前成熟的電阻陣列面源紅外目標(biāo)模擬器絕大部分都是128×128規(guī)模，所以文章針對(duì)256×256電阻陣列原理，提出一個(gè)基于FPGA＋PCI＋SRAM的電阻陣列面源紅外目標(biāo)模擬器硬件設(shè)計(jì)方案，技術(shù)指標(biāo)如下：

1）空間分辨率：256×256；

2）幀頻達(dá)到200Hz；

3）灰度等級(jí)：216＝65536級(jí)。

該系統(tǒng)集成化程度高，開發(fā)周期短，能更好地滿足成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的測(cè)試需求。相比于之前出現(xiàn)的電阻陣列面源紅外目標(biāo)模擬器，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)陣列規(guī)模更大，幀頻更高，主要是通過(guò)選用更先進(jìn)主流的FPGA主控芯片，采用性價(jià)比更高的PCI總線，以及通過(guò)快速讀寫和轉(zhuǎn)換能力更強(qiáng)的SRAM和DA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體內(nèi)容后續(xù)將詳細(xì)介紹。

3 硬件選型

3.1 電阻陣列芯片選型

國(guó)內(nèi)對(duì)于電阻陣列的研究起步較晚，目前只有中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所在國(guó)產(chǎn)電阻陣列的研發(fā)方面取得了不小成就，國(guó)產(chǎn)電阻陣列的發(fā)展主要經(jīng)歷了三代，如表1所示[5]。

綜合比較表中的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，第二代256×256電阻陣列各項(xiàng)性能均優(yōu)于第二代的128×128電阻陣列，第二代256×256電阻陣列和第三代128×128電阻陣列相比而言，第三代電阻陣列在占空比和功耗方面確實(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，但是在幀頻、非均勻比和成品率等方面均不如第二代256×256電阻陣列，所以本文的面源紅外目標(biāo)模擬器選擇第二代256×256電阻陣列芯片。

表1 三種電阻陣列技術(shù)性能對(duì)比

3.2 FPGA芯片選型

FPGA芯片是硬件系統(tǒng)的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化處理，目前世界上主要FPGA芯片產(chǎn)品的兩大制造商分別是美國(guó)的Altera公司和Xilinx公司，綜合考慮，本文決定選用Altera公司的Cyclone II系列，特性如表2所示[6]。

該系列芯片成本低，性能優(yōu)異，同時(shí)綜合內(nèi)部存儲(chǔ)量、I/O接口和PLL數(shù)量，硬件系統(tǒng)的FPGA芯片選用EP2C35F484C7。

3.3 PCI接口芯片選型

本文采用PCI總線將計(jì)算機(jī)生成的圖像數(shù)據(jù)傳到FPGA芯片，但是PCI總線不能直接與FPGA芯片連接，需要一個(gè)接口來(lái)完成PCI總線和FPGA芯片的橋接，為了縮短設(shè)計(jì)周期，本文決定采用專用接口芯片來(lái)完成PCI接口設(shè)計(jì)。目前PCI專用接口芯片主要來(lái)自PLX公司，綜合考慮，本文決定選用PCI9050系列[7]，特性如表3所示。

表2 Cyclone II系列產(chǎn)品特性表

表3 PCI專用接口芯片性能參數(shù)對(duì)比

從表3可以知道，PCI9054在PCI9050系列產(chǎn)品中性能突出，兼容性好，所以選用PCI9054專用芯片作為PCI總線與FPGA的接口。

3.4 SRAM芯片選型

SRAM芯片主要的生產(chǎn)商是美國(guó)的ISSI公司，其產(chǎn)品結(jié)合了新型電路設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝，是北美最大的存儲(chǔ)器制造商。ISSI公司的SRAM產(chǎn)品具有讀寫速度快，功耗低的特點(diǎn)，其常見SRAM芯片型號(hào)有IS65C256AL、IS64C6416AL、IS64LV25616和IS64LV51216。

由本文第二章中的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算可以得到，緩存一幀圖像數(shù)據(jù)的最小容量是64k×16bit，而IS65C256AL容量是32k×8bit，不滿足要求；IS64C6416AL容量是64k×16bit，容量剛好，但沒(méi)有余量，也不適合；IS64LV25616容量是256k×16bit，IS64LV51216容量是512k×16bit，容量完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。再考慮到系統(tǒng)成本，本文決定采用IS64LV25616作為硬件系統(tǒng)的緩沖芯片。

3.5 DA芯片選型

電阻陣列的驅(qū)動(dòng)需要行模擬電壓信號(hào)，這部分由DA芯片來(lái)完成。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)精度是16bit，因此DA選用16位；同時(shí)設(shè)計(jì)中的電阻陣列規(guī)模是256×256，共需要32路模擬電壓輸入，為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，DA芯片必須具有多通道輸出；并且系統(tǒng)幀頻200Hz，要求芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間必須低于5ms。綜合多方面考慮，本文決定選用美國(guó)TI公司的MAX5631芯片[8]。

4 接口電路設(shè)計(jì)

4.1 FPGA外圍電路設(shè)計(jì)

FPGA作為硬件系統(tǒng)的主控芯片，除了內(nèi)部的邏輯控制程序，同時(shí)也需要外圍電路，主要是時(shí)鐘電路和下載配置電路。

圖2是時(shí)鐘電路，本文設(shè)計(jì)采用晶振輸出來(lái)給FPGA芯片提供全局時(shí)鐘信號(hào)，頻率是50MHz，只需將其接到EP2C35F484C7芯片的CLKO引腳即可[13]。

圖2 晶振時(shí)鐘電路

Fig.2 Crystal clock circuit

圖3是時(shí)鐘電路配置下載，本文設(shè)計(jì)采用AS配置下載方式，外部配置器件選用Altera公司FPGA芯片專用的EPCS16。只需將nCSO、DCLK、ASDO和DATA四個(gè)引腳與相對(duì)應(yīng)的AS接口相連即可[9]。

4.2 PCI接口電路設(shè)計(jì)

PCI9054芯片與FPGA可以直接連接，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。具體接口電路圖4所示。

左邊的管腳是PCI總線信號(hào)線，直接與PCI插槽相應(yīng)端口相連，右上部分是本地端信號(hào)線，直接與FPGA相應(yīng)端口相連，右下角4個(gè)是EEPROM信號(hào)線[10]。

圖5是EEPROM接口電路，CI9054正常工作之前必須使用EEPROM器件來(lái)加載配置信息。

PCI9054內(nèi)部的EESK、EEDO、EEDI以及EECS四個(gè)管腳用來(lái)和EEPROM相應(yīng)的CS、DT、DO以及CLK四個(gè)管腳相連即可。

4.3 SRAM接口電路設(shè)計(jì)

乒乓緩沖電路由兩個(gè)IS61LV25616AL芯片構(gòu)成，其中一個(gè)電路如圖6所示。IS61LV25616AL電源信號(hào)濾波通過(guò)在電源引腳連接兩個(gè)電容實(shí)現(xiàn)，讀寫控制通過(guò)將其控制引腳與FPGA引腳相連產(chǎn)生的邏輯時(shí)序信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)[11]。

圖3 配置下載電路

Fig.3 Download circuit configuration

圖4 PCI9054接口電路

Fig.4 PCI9054 interface circuit

圖5 EEPROM接口電路

Fig.5 EEPROM interface circuit

圖6 IS61LV25616AL電路接口

Fig.6 IS61LV25616AL interface circuit

4.4 DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為了完成數(shù)模抓換功能，將MAX5631的控制類引腳與FPGA芯片相連，輸出端口與電阻陣列連接，電源類引腳接通供電電源，接地接口接地，具體如圖7。

CS是片選信號(hào)，當(dāng)其為低后，轉(zhuǎn)換開始；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為外部時(shí)鐘輸入，IMMED為模式選擇[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用PCI技術(shù)、FPGA芯片、SRAM芯片和DA芯片搭建了一個(gè)硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電阻陣列芯片的產(chǎn)生紅外紅外輻射的功能。該系統(tǒng)的幀頻能達(dá)到200Hz，精度能達(dá)到16bit，同時(shí)系統(tǒng)選用的芯片集成化程度高，兼容性好，具有驅(qū)動(dòng)更大規(guī)模電阻陣列芯片的潛力，在面源紅外目標(biāo)模擬器的發(fā)展領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。

圖7 DA接口電路

Fig.7 DA interface circuit

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The Hardware System Design of Infrared Image Target Simulator

WANG Qian，LI Gen-yan，LIN Jia-zhe，ZENG Xue-gang

(,,221000,)

The infrared target simulator is an essential part of infrared imaging missile seeker performance testing parts. Based on the demand analysis, through the use of PCI technology, FPGA chip, SRAM chip, and a DA chip, the article built a hardware drive system to realize a drive chip resistor array to generate infrared radiation. At the same time, the system of the PCI interface chip, FPGA chip, SRAM chip, DA conversion chip and chip resistor array selection is analyzed in detail, and the hardware system of which is designed.

image generation computer，selection of the chip，circuit design

TJ530

A

1001-8891(2015)10-0852-06

2015-07-07；

2015-09-15。

李根焰（1990-），男，四川樂(lè)山人，碩士研究生，研究方向是機(jī)載武器系統(tǒng)與運(yùn)用方面。E-mail：1205027333@qq.com。