基于SOPC的分段軌道炮發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫小超，曹 斌，蘇子舟，陳彥輝

（西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099）

基于SOPC的分段軌道炮發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫小超，曹 斌，蘇子舟，陳彥輝

（西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099）

針對(duì)自主研發(fā)的分段軌道炮，設(shè)計(jì)了一種基于EP2C8Q208C型FPGA的數(shù)字型發(fā)射控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用SOPC（System on a Programmable Chip）可編程片上系統(tǒng)技術(shù)，將Nios II處理器軟核嵌入到FPGA中，利用軟核中的IO、定時(shí)器、串口通訊等功能實(shí)現(xiàn)了分段軌道炮的發(fā)射控制，通過(guò)B探針對(duì)分段處電樞位置進(jìn)行檢測(cè)；采用串口與上位機(jī)通訊，界面設(shè)計(jì)采用Lab View，可以對(duì)發(fā)射時(shí)序進(jìn)行任意設(shè)置；系統(tǒng)操作方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)，已運(yùn)用到分段軌道炮發(fā)射控制中，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足發(fā)射要求，為分段軌道炮的機(jī)理研究提供了基礎(chǔ)。

片上系統(tǒng)；Nios II；Lab View；發(fā)射時(shí)序；B探針

0 引言

電磁軌道炮作為電磁發(fā)射高速武器，是新概念武器家族的重要成員，具有發(fā)射速度高、方便靈活、毀傷效果好、發(fā)射成本低、可重復(fù)發(fā)射等特點(diǎn)［1］。分段軌道炮是把較長(zhǎng)的整體軌道炮分成若干獨(dú)立段而形成的，相對(duì)于整體軌道炮，能夠減小炮口電弧、降低導(dǎo)軌電阻、減少導(dǎo)軌發(fā)熱、提高軌道炮發(fā)射效率。其主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜［2］。

現(xiàn)代自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展方向是標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化，而SOPC技術(shù)的出現(xiàn)給這一領(lǐng)域帶來(lái)了新的空間［3］。SOPC具有開(kāi)發(fā)軟件成本低、硬件實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)低、產(chǎn)品上市率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可重構(gòu)等特點(diǎn)。Nios II是一種可配置的軟核嵌入式處理器，與傳統(tǒng)的硬核SOPC或者固核解決方案在外設(shè)、存儲(chǔ)器接口、性能特性和成本等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)［4］。本文采用Nios II的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可靈活實(shí)現(xiàn)電磁軌道炮發(fā)射控制。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

分段軌道炮發(fā)射控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括SOPC系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理電路、上位機(jī)Lab View、操作面板和電源模塊。系統(tǒng)工作過(guò)程中，上位機(jī)通過(guò)Lab View設(shè)計(jì)界面對(duì)前軌電容器和后軌電容器的放電時(shí)序參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置，SOPC系統(tǒng)通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)后，先根據(jù)前軌電容器放電時(shí)序產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為光信號(hào)觸發(fā)前軌電容器對(duì)分段軌道炮放電，推動(dòng)電樞向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電樞運(yùn)動(dòng)到前軌和后軌交接處，采用B探針對(duì)該位置信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)信號(hào)處理電路輸入到SOPC系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)后，觸發(fā)續(xù)流開(kāi)關(guān)，將前軌殘余電量輸出到后軌，從而提高發(fā)射效率，同時(shí)，根據(jù)后軌電容器放電時(shí)序觸發(fā)后軌電容器對(duì)后軌放電，完成分段軌道炮的發(fā)射控制。

圖1 分段軌道炮發(fā)射控制系統(tǒng)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 SOPC控制組件

SOPC系統(tǒng)選用Altera公司生產(chǎn)的FPGA EP2C8Q208C，它具有體積小、容量大、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)包括軟件和硬件兩部分設(shè)計(jì)，兩部分協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。其中，硬件設(shè)計(jì)主要基于Quarter II和SOPC Builder。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖［5］如圖2所示，SOPC系統(tǒng)主要包括JTAG接口、保險(xiǎn)開(kāi)關(guān)、總激發(fā)開(kāi)關(guān)、檢測(cè)信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)、串口通信和定時(shí)器部分，系統(tǒng)在Nios II軟核控制下工作。

圖2 SOPC控制組件框圖

2.2 光電轉(zhuǎn)換電路

發(fā)射過(guò)程中，對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，采用光信號(hào)觸發(fā)模塊電源，可以有效地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與高壓模塊的隔離。光電轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，觸發(fā)信號(hào)F_OUT1通過(guò)光纖發(fā)送模塊HFBR1412轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，接收端再通過(guò)光纖接收信號(hào)HFBR2412進(jìn)行接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)F_OUT1觸發(fā)電源模塊放電。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路圖

2.3 B探針與檢測(cè)信號(hào)處理電路

B探針又叫磁場(chǎng)探測(cè)器，它是一個(gè)很小的導(dǎo)體環(huán)形圈，交鏈變化磁通產(chǎn)生一感應(yīng)輸出電壓。該電壓與通過(guò)線(xiàn)圈的磁通變化率成正比，因此可用它來(lái)測(cè)量變化磁場(chǎng)相關(guān)的物理量。實(shí)際使用的B探頭是一個(gè)小直徑的多匝磁感應(yīng)線(xiàn)圈，當(dāng)其用于測(cè)量電樞位置時(shí)，B探針線(xiàn)圈軸取向應(yīng)與軌道炮軸線(xiàn)平行。其測(cè)試原理如圖4所示。

圖4 B探針電樞位置測(cè)量

電樞在B探針下方通過(guò)時(shí)產(chǎn)生于d B／d t成正比的感應(yīng)電壓，流過(guò)導(dǎo)軌的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與探針環(huán)面平行，不產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其表達(dá)式為：

其中：U為B探針?biāo)a(chǎn)生的感應(yīng)電壓，N為探針線(xiàn)圈匝數(shù)，Ac為探針線(xiàn)圈面積，n為與探針線(xiàn)圈面正交的法線(xiàn)單位矢量。

根據(jù)畢奧－薩伐爾定律，磁感應(yīng)強(qiáng)度B可由電流元i（x）d y積分而得，并將其代入式（1）可得：

根據(jù)式（2）可求得B探針輸出電壓U，其波形如圖4中b所示，電樞運(yùn)動(dòng)到B探針正下方時(shí)，輸出電壓為0，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路，即可確定電樞運(yùn)動(dòng)位置。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件工作流程

分段軌道炮發(fā)射控制系統(tǒng)上位機(jī)界面是利用圖形化程序開(kāi)發(fā)軟件Lab View設(shè)計(jì)的，通過(guò)串口與控制系統(tǒng)通信。系統(tǒng)采用SOPC可編程片上系統(tǒng)技術(shù)，將Nios II處理器軟核嵌入到FPGA中，利用軟核中的IO、定時(shí)器、串口通訊等功能實(shí)現(xiàn)了分段軌道炮的發(fā)射控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 Lab View界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用Lab View作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)串口和外設(shè)之間建立橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能［6］。Lab View調(diào)用VISA進(jìn)行編程，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口 （API，Application Programming Interface），串口通信功能函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)串口的初始化、讀寫(xiě)及串口關(guān)閉等功能［7］。軟件系統(tǒng)操作界面如圖6所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分段軌道炮發(fā)射控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程，前軌電容器4個(gè)模塊觸發(fā)信號(hào)時(shí)序以總激發(fā)信號(hào)為基準(zhǔn)，觸發(fā)時(shí)間分別為0 ms、0 ms、0.4 ms和0.7 ms，后軌電容器4個(gè)模塊觸發(fā)信號(hào)B探針位置檢測(cè)信號(hào)（續(xù)流開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)）為基準(zhǔn)，時(shí)間間隔也為0.3 ms。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，得到的B探針及續(xù)流開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)波形如圖7所示，電容器模塊觸發(fā)信號(hào)波形如圖8所示，B探針信號(hào)過(guò)零點(diǎn)位于0.92 ms處，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和過(guò)零檢測(cè)，給出續(xù)流開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)其位于0.93 ms處，同時(shí)電容器模塊5觸發(fā)信號(hào)也位于1.93 ms處，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖6 系統(tǒng)操作界面

圖7 B探針及續(xù)流開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)波形圖

圖8 電容器模塊觸發(fā)信號(hào)波形圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)采用SOPC系統(tǒng)，搭載Nios II處理器軟核，能夠?qū)崿F(xiàn)分段軌道炮發(fā)射控制，采用Lab View進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，便于控制參數(shù)的設(shè)置。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，具有操作簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)的的特點(diǎn)，為分段軌道炮的研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］王剛?cè)A，謝 龍，王 強(qiáng).電磁軌道炮電磁力學(xué)分析［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011，（1）：69-71.

［2］王瑩，肖鋒.電炮原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［3］高玉水，張建元，李文珍.基于SOPC技術(shù)的炮射導(dǎo)彈故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011，（1）：81-84.

［4］萬(wàn)維品.基于Nios II的串口通信設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008（33）：517-519.

［5］周克良，劉彬彬.基于SOPC／NiosⅡ的心音信號(hào)特征提取與記錄系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（12）.

［6］楊 洋，隋成華，童建華.LABVIEW虛擬儀器串行通信的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（10）：292-295.

［7］張巧麗，李光明，張 濤.基于Lab VIEW的目標(biāo)跟蹤方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（9）：2977-2980.

Design of a Nios II－based Segmented Railgun Firing Control System

Sun Xiaochao，Cao Bin，Su Zizhou，Chen Yanhui

（Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Xianyang 712099，China）

Based on FPGA EP2C8Q208C，a kind of digital firing control system used in the segmented railgun which is created by us has been designed.This system adopts the technology of the system on programmable chip，embedding the Nios II soft core processor into FPGA.The IO，timer and serial port communication in soft core has been used to achieve launch and control of the segmented railgun.The armature position on the segment has been tested by using B loop probe.A serial port has been used to communicate with PC.The operation interface in PC has been designed with Lab View，which can set the firing timing randomly.With easy operation and strong expansibility，the system has been used in the experiments of segmented railgun.Results show that the system can meet the requirements of firing and control.It provides the basis for studying the mechanism of the segmented railgun.

SOPC；Nios II；Lab View；firing timing；B loop probe

1671-4598（2016）08-0134-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.036

：TJ399

：A

2016-02-14；

：2016-03-25。

孫小超（1984-），男，陜西西安人，碩士，工程師，主要從事脈沖電源、電磁發(fā)射測(cè)控技術(shù)等方向的研究。