基于FPGA+PXI的破片測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝虎

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094）

基于FPGA+PXI的破片測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝虎

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094）

為了對各類武器系統(tǒng)的靜、動爆破片速度進(jìn)行定量評定，設(shè)計(jì)出一種基于FPGA+PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)的破片測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)硬件上采用了FPGA+PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)的架構(gòu)，軟件上采用Labview設(shè)計(jì)出破片速度測量及分析軟件。系統(tǒng)經(jīng)過多次破片速度試驗(yàn)檢測，穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)破片飛行速度的測量。

破片測速；FPGA；PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)；Labview

戰(zhàn)斗部利用爆炸后產(chǎn)生的破片殺傷和摧毀目標(biāo)，因此，破片的飛行速度是衡量戰(zhàn)斗部爆炸效能的一個(gè)重要參數(shù)[1]。破片速度測試系統(tǒng)為常規(guī)兵器試驗(yàn)、各型預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的靜、動爆試驗(yàn)、定向發(fā)射裝置破片飛行速度試驗(yàn)中破片速度及其分布規(guī)律的測量提供定量測試手段，可用于預(yù)制破片戰(zhàn)斗部、槍彈、小口徑炮彈等靜、動爆試驗(yàn)中破片飛行速度的測量[2]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是用于先進(jìn)彈藥、戰(zhàn)斗部在研發(fā)、交驗(yàn)、考核測試試驗(yàn)的破片速度參量測量，此類試驗(yàn)往往伴隨著高溫、高壓、振動沖擊等惡劣環(huán)境[3]，因此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中充分考慮到系統(tǒng)的通用性、先進(jìn)性，并同時(shí)保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性、可操作性、可維護(hù)性及擴(kuò)展性。

1 破片速度測試系統(tǒng)原理

1.1 總體方案

“破片速度測試系統(tǒng)”由通斷靶（鋁箔靶及梳狀靶）[4]及安裝支架、通斷靶信號調(diào)理器、同步觸發(fā)器、基于PXI的多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)、破片速度測量檢測及分析軟件、設(shè)備模擬校驗(yàn)器等6個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成。

通斷靶（鋁箔靶及梳狀靶）及安裝支架用于布靶及過靶信號產(chǎn)生，通斷靶信號調(diào)理器用于過靶信號整形，同步觸發(fā)器用于產(chǎn)生同步脈沖，基于PXI的多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)用于多通道破片飛行時(shí)間測量，破片速度測量檢測及分析軟件用于系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析及計(jì)算，設(shè)備模擬校驗(yàn)器用于同步信號與過靶模擬、設(shè)備檢測、校準(zhǔn)和試驗(yàn)前的設(shè)備工作狀態(tài)檢查。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

破片速度測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)破片速度測試的方式有2種：一種是戰(zhàn)斗部預(yù)制破片速度測試；另一種是定向破片速度測試。具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

1）戰(zhàn)斗部預(yù)制破片速度測試

在破片速度測量檢測及分析軟件中選擇測速模式為戰(zhàn)斗部預(yù)制破片速度測試模式；根據(jù)測試要求在不同方位φi上設(shè)置通斷靶，并將各通斷靶輸出信號、同步觸發(fā)器產(chǎn)生的測速開始信號S連接至PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)中不同的測速通道CHi；測量破片發(fā)射裝置或戰(zhàn)斗部與各通斷靶之間的距離Li；在破片速度測量檢測及分析軟件上完成各通斷靶方位φi、距離Li與計(jì)時(shí)系統(tǒng)計(jì)數(shù)頻率f的設(shè)置。由通斷靶方位φi、距離Li即可實(shí)現(xiàn)通斷靶布設(shè)情況的可視化顯示。不同飛散方位上的破片初速測量示意圖如圖2所示。

圖2 不同飛散方位上的破片初速測量示意圖（頂示圖）

設(shè)置完成后即可啟動速度測試。破片發(fā)射或戰(zhàn)斗部起爆時(shí)發(fā)出測速開始信號，該信號清0并啟動PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)中的32位定時(shí)器；破片穿過通斷靶時(shí)對應(yīng)的通斷靶產(chǎn)生過靶信號TRi，TRi經(jīng)通斷靶信號調(diào)理器整形后通過測速線送入PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)，PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)讀取與TRi對應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值ni并將其送入破片速度測量檢測及分析軟件，破片速度測量檢測及分析軟件由計(jì)數(shù)值ni以及計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率f計(jì)算得到破片飛行至各通斷靶時(shí)的時(shí)間ti：

忽略重力對破片速度及破片運(yùn)動方向的影響，根據(jù)Newton阻力定律，可以計(jì)算得到破片速度Vi。

由 φi、S、TRi即可實(shí)現(xiàn)各通道 CHi信號波形的顯示。φi、S、TRi、Vi等數(shù)據(jù)在測試結(jié)束后自動保存，并可生成報(bào)表。

2）定向破片速度測試

在破片速度測量檢測及分析軟件中選擇測速模式為定向破片速度測試模式；在距離破片發(fā)射裝置或戰(zhàn)斗部Ri處依次設(shè)置2個(gè)通斷靶，較近的通斷靶（前靶）的過靶信號作為開始測速信號Si，較遠(yuǎn)的通斷靶（后靶）的過靶信號作為讀定時(shí)器信號TRi，Si信號和TRi連接到PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)中的測速通道CHi；測量2個(gè)通斷靶之間的距離Li；在破片速度測量檢測及分析軟件上完成測速通道CHi、靶間距離Li與計(jì)時(shí)系統(tǒng)計(jì)數(shù)信號頻率f的設(shè)置。由測速通道CHi布靶距離Ri、靶間距離Li即可實(shí)現(xiàn)通斷靶布設(shè)情況的可視化顯示。不同飛行距離Ri處的破片速度測量示意圖如圖3所示。

圖3 不同飛行距離Ri處的破片速度測量示意圖

設(shè)置完成后即可啟動速度測試。破片發(fā)射或戰(zhàn)斗部起爆后，破片穿過前靶時(shí)，Si信號清0并啟動PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)中CHi通道的32位定時(shí)器；破片穿過后靶時(shí)，TRi信號經(jīng)通斷靶信號調(diào)理器整形后通過測速線送入PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)CHi通道，PXI多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)讀取與TRi信號對應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值ni并將其送入破片速度測量檢測及分析軟件，破片速度測量檢測及分析軟件由計(jì)數(shù)值ni以及計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率f計(jì)算得到破片在兩通斷靶之間的飛行時(shí)間ti：

進(jìn)而得到破片在距離Ri處的速度Vi為：

由Si、TRi即可實(shí)現(xiàn)各通道CHi信號波形的顯示。類似的，在不同距離Ri處按上述方法成對設(shè)置通斷靶，可實(shí)現(xiàn)不同距離Ri處的速度Vi測量。由不同距離Ri處的速度測量結(jié)果Vi，可繪制并顯示距離-破片速度曲線圖，實(shí)現(xiàn)速度衰減特性分析。CHi、Si、TRi、Ri、Li、Vi等數(shù)據(jù)在測試結(jié)束后自動保存，并可生成報(bào)表。

2 關(guān)鍵分系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 同步觸發(fā)控制器

彈藥（戰(zhàn)斗部、云爆彈、溫壓彈等）爆炸試驗(yàn)的成本是非常高的[5]，如果試驗(yàn)沒有采集到數(shù)據(jù)則損失是非常巨大的，因此必須使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠觸發(fā)。常用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中默認(rèn)的觸發(fā)模式包括內(nèi)觸發(fā)、手動觸發(fā)模式及外觸發(fā)模式[6]。

內(nèi)觸發(fā)模式下，硬件判斷當(dāng)前溫度信號的幅值是否大于預(yù)設(shè)閾值，如果大于閾值條件，則采集系統(tǒng)開始采集存儲數(shù)據(jù)，該觸發(fā)模式可靠性稍差，存在高于或低于閾值電平觸發(fā)的情況。

手動觸發(fā)需要手動點(diǎn)擊軟件中開始和停止采集按鈕才能開始和停止數(shù)據(jù)采集和存盤工作，實(shí)際瞬態(tài)工況下不可能實(shí)現(xiàn)，相比之下，外觸發(fā)模式最為可靠也最為常用；另外，爆炸場通常存在多臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于測試爆炸場不同的參量，如沖擊波信號采集、破片速度信號采集以及高速相機(jī)、紅外熱像儀等[7]，多臺設(shè)備之間需要統(tǒng)一的時(shí)基信號，保持各臺設(shè)備時(shí)基同步。因此系統(tǒng)中要配有外觸發(fā)同步控制器，捕捉爆炸時(shí)刻產(chǎn)生外觸發(fā)信號，提供給爆炸場測試的多臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。調(diào)試完成后，人員撤離爆炸現(xiàn)場，爆心起爆，同步觸發(fā)控制器通過通斷靶感應(yīng)爆炸時(shí)刻，外觸發(fā)同步控制器產(chǎn)生同步觸發(fā)信號給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、顯示溫度信號，并將數(shù)據(jù)保存至硬盤，提供后期的數(shù)據(jù)分析處理[8]。同步觸發(fā)控制器的工作過程如圖4所示。

圖4 同步觸發(fā)控制器工作過程圖

2.2 設(shè)備模擬校驗(yàn)器

由破片速度測試原理可知，破片速度測試系統(tǒng)速度測試正確與否取決于其對通斷靶過靶信號間隔測量是否準(zhǔn)確[9]，因此可設(shè)計(jì)一測速系統(tǒng)檢驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備能夠基于高精度的時(shí)鐘信號產(chǎn)生固定周期的多路脈沖信號，脈沖信號通過信號調(diào)理器輸入測速系統(tǒng)，啟動測速軟件系統(tǒng)自檢功能對相鄰兩路脈沖信號前沿進(jìn)行計(jì)時(shí)，若計(jì)時(shí)結(jié)果與校驗(yàn)設(shè)備輸出信號周期相同，則說明系統(tǒng)工作正常[10]。其功能框圖如圖5所示。

設(shè)備模擬校驗(yàn)器采用Xilinx公司Virtex-Ⅱ系列FPGA實(shí)現(xiàn)[11]，F(xiàn)PGA模塊基于高精度晶振信號產(chǎn)生32個(gè)通道的脈沖信號，各通道的2路脈沖信號前沿時(shí)間差由用戶通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，如可循環(huán)設(shè)置為1 ms、2 ms、…、8 ms，當(dāng)前設(shè)置通過 led 進(jìn)行顯示[12]。

圖5 設(shè)備模擬校驗(yàn)器功能框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

破片速度測量檢測及分析軟件采用Labview設(shè)計(jì)[13]，可完成基于PXI的多路計(jì)時(shí)系統(tǒng)的硬件控制、數(shù)據(jù)的采集、回放及處理功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，界面簡單、直觀，操作方便，并留有一定的擴(kuò)展空間。在主界面上可完成通斷靶的模擬布點(diǎn)，可直觀地看到現(xiàn)場通斷靶的布設(shè)情況。在波形顯示界面上可以控制采集開始、波形顯示、數(shù)據(jù)分析與計(jì)算、數(shù)據(jù)保存、報(bào)表生成等[14]。軟件的運(yùn)行環(huán)境為Windows XP或Windows 2000以上的操作系統(tǒng)，軟件可免費(fèi)升級。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

軟件可完成以下主要功能：

結(jié)合模擬校驗(yàn)器完成設(shè)備校驗(yàn)與工作狀態(tài)檢測；兩種測速模式選擇與設(shè)置；與測速模式對應(yīng)的通斷靶布設(shè)參數(shù)設(shè)置；通斷靶布設(shè)情況可視化顯示；同步信號、過靶信號采集與破片速度測量；同步信號、過靶信號波形顯示；測量結(jié)果顯示與存儲；數(shù)據(jù)分析與計(jì)算；數(shù)據(jù)保存與報(bào)表生成[15]。軟件主界面設(shè)計(jì)示意圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

破片速度測試系統(tǒng)充分利用了FPGA與PXI計(jì)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在基于FPGA+PXI計(jì)時(shí)系統(tǒng)的平臺上設(shè)計(jì)出破片速度測試系統(tǒng)，利用Labview設(shè)計(jì)出可視化交互程序。系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)測試，能夠順利完成破片測速任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰、條理嚴(yán)謹(jǐn)、程序簡單可靠，這種設(shè)計(jì)思想對破片測速系統(tǒng)及同類設(shè)計(jì)具有較大的參考意義。

圖7 破片速度測量檢測及分析軟件主界面設(shè)計(jì)圖

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Design of velocity-measuring system based on FPGA+PXI

XIE Hu
（School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In order to quantitatively evaluate static and dynamic fragment velocity of all kinds of weapons system，a method to design the system based on FPGA+PXI multi timing system is presented.The FPGA+PXI multi timing system is adopted for the hardware of the system.As for the software，Labview is employed to design the software of fragment velocity measurement and analysis.The system works well in the field experiments for the fragment velocity-measuring test.The starting velocity was acquired by the system.

fragment velocity measurement；FPGA；PXI multi timing system；Labview

TN410

A

1674－6236（2017）16-0090-04

2016-08-20稿件編號：201608148

謝 虎（1990—），男，江蘇南京人，碩士，助理工程師。研究方向：信號與信息處理、引戰(zhàn)可視化仿真。