基于FPGA的反射式光幕測(cè)速系統(tǒng)

柏超龍，江 劍，趙傳榮

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094； 2.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032)

彈丸的速度是研究彈丸戰(zhàn)斗部威力效應(yīng)和分析彈丸飛行規(guī)律的重要參數(shù)[1]。彈丸速度的測(cè)量是新型炮彈裝備驗(yàn)收的基本測(cè)試項(xiàng)目之一[2]，所以對(duì)彈丸速度測(cè)量方法的研究和發(fā)展是非常重要的。目前國(guó)內(nèi)常采用價(jià)格低廉和便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理的非接觸式區(qū)截測(cè)速法來(lái)測(cè)量破片速度[3]。對(duì)于高速飛行的彈丸的速度測(cè)量，按照測(cè)量原理通常分為3種，即瞬時(shí)速度測(cè)量法、平均速度測(cè)量法和多普勒原理測(cè)量法[4]。對(duì)于測(cè)量速度在200～2 000 m/s之間、尺寸大小(Φ大于等于20 mm)的彈丸，瞬時(shí)速度測(cè)量法的誤差較大，多普勒測(cè)速體積龐大、價(jià)格昂貴，兩種均不適合設(shè)計(jì)要求，本研究采用基于激光光幕靶的平均速度測(cè)量法。

光幕靶的區(qū)截裝置大致分為兩種，一種是激光器發(fā)射裝置和接收光電器件陣列分列兩邊，激光器發(fā)出的光直接照射在接收器上，當(dāng)有物體通過(guò)時(shí)，由于遮擋而引起接收器光能量的變化而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)[5]；另一種是采用反射式光幕，激光器發(fā)射裝置和接收裝置都在同一側(cè)，激光器發(fā)射出的是一個(gè)扇形光幕，只有當(dāng)物體穿過(guò)扇形光幕時(shí)，物體的反射光信號(hào)才會(huì)被光電裝置接收[6]，引起接收器光能量變化而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

本研究提出了反射式激光光幕測(cè)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)光幕靶的發(fā)射和接受裝置都在同側(cè)，利用高速硅光電傳感器接收彈丸穿過(guò)激光光幕反射的光[7]，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔且易于調(diào)節(jié)，它具有價(jià)格低、測(cè)量精度高、便于攜帶和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

1 測(cè)速原理及系統(tǒng)裝置組成

平均速度測(cè)量法可以分為定時(shí)測(cè)距法和定距測(cè)時(shí)法兩種[9]。在本次設(shè)計(jì)中采用的是定距測(cè)時(shí)法，即通過(guò)測(cè)量彈丸飛過(guò)一定距離和彈丸飛過(guò)這段距離的時(shí)間，由下式計(jì)算彈丸平均速度的方法。

(1)

在彈丸的路徑上預(yù)先放置好兩個(gè)平行光幕靶，固定靶距S，然后記錄下彈丸垂直通過(guò)前后光幕靶所用的時(shí)間T，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出彈丸的飛行速度。

測(cè)速原理如圖1所示，激光光幕的發(fā)射裝置和激光信號(hào)接收裝置在同一側(cè)，前后兩光幕成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。彈丸經(jīng)過(guò)一定厚度的扇形光幕時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)透鏡聚焦成一個(gè)點(diǎn)狀的光斑成像在高速光電探測(cè)器上，引起光電效應(yīng)，將電信號(hào)進(jìn)行傳輸[10]。記錄彈丸通過(guò)兩激光光幕之間的時(shí)間，就獲得了彈丸的飛行時(shí)間T，即可以求得彈丸的飛行速度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的測(cè)速裝置由三大部分組成：

1) 光電轉(zhuǎn)換部分。光電轉(zhuǎn)換部分作用是為了更有效地提取反射光信號(hào)，由于彈丸的穿過(guò)速度較快，反射的激光信號(hào)比較弱，在光電探測(cè)器的前面加上非球面透鏡和窄帶濾光片，適當(dāng)增強(qiáng)有效反射光信號(hào)并濾除大部分雜散光。

2) 信號(hào)處理部分。信號(hào)處理部分是為了將光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化的電信號(hào)，進(jìn)行一定倍數(shù)的放大和濾波，最后利用電壓比較器轉(zhuǎn)化為方波形式向測(cè)速部分傳輸，作為前后光幕靶的啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)和停止觸發(fā)信號(hào)。

3) 測(cè)速部分。測(cè)速部分主要利用記錄FPGA晶振振蕩脈沖數(shù)目的方法來(lái)測(cè)定時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)彈丸過(guò)靶的測(cè)速功能。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

前后光幕對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器接收到反射光信號(hào)，通過(guò)預(yù)處理和信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)[11]，F(xiàn)PGA通過(guò)配置通用IO口的邊沿檢測(cè)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)觸發(fā)和停止觸發(fā)。彈丸飛過(guò)前光幕引起啟動(dòng)觸發(fā)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到彈丸穿過(guò)后光幕引起停止觸發(fā)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)的計(jì)數(shù)值和脈沖周期的乘積便是彈丸飛過(guò)前后扇形光幕的飛行時(shí)間。

2.2 光電轉(zhuǎn)換部分

由于系統(tǒng)要求能有較大的探測(cè)場(chǎng)，設(shè)計(jì)選用功率為700 mW、波長(zhǎng)為638 nm的一字線(xiàn)形激光器來(lái)構(gòu)成前后激光光幕。為了滿(mǎn)足一定的光幕范圍，并盡量減小發(fā)散角來(lái)提高單位面積上的光功率密度，扇形激光光幕在2～3m距離左右至少有1 m2的探測(cè)范圍，激光器的發(fā)散角不低于20°。

相對(duì)應(yīng)于上面的激光器，該設(shè)計(jì)選用Hamamatsu公司生產(chǎn)的型號(hào)為S3588-09大受光面積光電二極管為光電探測(cè)器，它具有高靈敏度、低結(jié)電容(約為40 pF)、高速響應(yīng)和高可靠性等特點(diǎn)，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。感光面積為30 mm×3 mm，在320～1 100 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，響應(yīng)度接近一致，對(duì)各種光都能夠探測(cè)到。此外，對(duì)波長(zhǎng)在960 nm時(shí)，達(dá)到最大的靈敏度0.66 A/W，在波長(zhǎng)為638 nm時(shí)，靈敏度大概為0.51 A/W。典型的響應(yīng)時(shí)間約為1.0 μs。當(dāng)彈丸長(zhǎng)度為40 mm并以800 m/s的速度通過(guò)扇形光幕，通過(guò)時(shí)間為25 μs，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

用來(lái)聚焦微弱反射光的鏡頭選用焦距為60 mm，口徑大小為75 mm的非球面鏡。由于上述選用的光電探測(cè)器的感光面積為長(zhǎng)條形，尺寸大小為長(zhǎng)H=30 mm，寬H=3.0 mm，下面對(duì)光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)及視場(chǎng)角進(jìn)行計(jì)算。

光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)為

(2)

這樣20 mm×4 mm的彈丸在光電探測(cè)器上成像的尺寸約為0.5 mm×0.1 mm的亮點(diǎn)。系統(tǒng)的視場(chǎng)角為

(3)

計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。

系統(tǒng)的有效光信號(hào)面的長(zhǎng)度(在2.5 m處)為

(4)

這樣可以保證光幕范圍達(dá)到要求，滿(mǎn)足靶面積足夠大的要求。

2.3 信號(hào)處理電路

光電探測(cè)器輸出的信號(hào)為電流信號(hào)，且信號(hào)微弱，信噪比較低。信號(hào)處理電路是對(duì)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)先進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再進(jìn)行濾波、放大和整形。總體包括4個(gè)部分，即預(yù)處理電路、濾波電路、放大電路和整形電路，如圖3所示。

型號(hào)為S3588-09的光電二極管輸出電流信號(hào)為μA級(jí)，系統(tǒng)采用跨阻放大電路進(jìn)行預(yù)處理[12]，其具有噪聲低、帶寬寬和跨阻適中、增益穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，通過(guò)跨阻R1使光電探測(cè)器S3588-09輸出的微弱電流變化量轉(zhuǎn)換為一定的電壓量。R1取1 kΩ，則輸出的電壓約為mV級(jí)別。電路中光電探測(cè)器S3588-09處于反偏狀態(tài)，可以加強(qiáng)內(nèi)建電壓，在無(wú)光照時(shí)暗電流非常??；在有光照時(shí)，光生載流子會(huì)更容易漂移，光電流會(huì)急劇增加。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理的電路，測(cè)試的信號(hào)主要包括兩個(gè)部分：一個(gè)是激光的反射信號(hào)；另一部分是來(lái)自外界(背景光的瞬間變化、鳥(niǎo)類(lèi)等飛蟲(chóng)飛過(guò)光幕所發(fā)生的漫反射信號(hào))和電路內(nèi)部的噪聲信號(hào)(通常為高頻信號(hào))。這兩種干擾信號(hào)干擾必須消除才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。鳥(niǎo)類(lèi)等飛蟲(chóng)的飛行速度都在40 m/s以下，扇形光幕的厚度為4 mm，通過(guò)光幕產(chǎn)生的干擾的反射時(shí)間大于100 μs，與彈丸通過(guò)光幕時(shí)所產(chǎn)生的漫反射信號(hào)不在同一個(gè)頻譜范圍；電路內(nèi)部的噪聲通常為高頻噪聲，頻率達(dá)到幾百kHz甚至更高，要高于彈丸穿過(guò)光幕時(shí)所產(chǎn)生的漫反射信號(hào)頻譜。為了得到被測(cè)信號(hào)的正確信息，需要濾除各種干擾噪聲。濾波放大電路的作用是盡可能較大程度的放大有效信號(hào)，抑制交流噪聲信號(hào)。

濾波放大電路是前級(jí)處理部分的關(guān)鍵部分。由于實(shí)際測(cè)量中的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，有效信號(hào)經(jīng)常受到外界干擾，高頻信號(hào)和低頻信號(hào)常混雜在有效信號(hào)之中[13]。為了最大程度的得到被測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)采用高通濾波電路和低通濾波電路的級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)帶通濾波，然后再進(jìn)行主放大。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)先對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行二階帶通濾波，即先進(jìn)行二階高通濾波，隨后再進(jìn)行二階低通濾波。電路的通頻帶通過(guò)彈丸的長(zhǎng)度、彈丸的飛出速度和激光扇形光幕的線(xiàn)寬經(jīng)計(jì)算得到的。

系統(tǒng)的探測(cè)對(duì)象為彈丸，這里取彈丸直徑D=20 mm，長(zhǎng)度H=40 mm，炮口的初速度取典型值為1 000 m/s。本系統(tǒng)使用的一字線(xiàn)形激光器在2.5 m處的扇形光幕寬度為l=4 mm，兩平行光幕的距離為L(zhǎng)=10 m。光幕經(jīng)炮彈表面反射的激光信號(hào)的上升沿為4μs，由此可推算帶通濾波電路的中心頻率約為62.5 kHz，通帶頻率應(yīng)該在20～200 kHz左右。

經(jīng)過(guò)帶通濾波電路濾波后信號(hào)放大了4倍，依舊是mV級(jí)別，沒(méi)有達(dá)到電壓幅值大小的要求，不便于后面轉(zhuǎn)化為測(cè)速的觸發(fā)信號(hào)。選用運(yùn)算放大器OP37設(shè)計(jì)放大電路，采用±15 V雙電源供電，將信號(hào)放大50倍以便于后續(xù)處理。OP37具有輸入失調(diào)電壓低、低噪聲、轉(zhuǎn)換速率高等優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到17 V/μs，所以完全滿(mǎn)足彈丸過(guò)靶的設(shè)計(jì)要求。

主放大電路如圖5所示，放大倍數(shù)為50倍，放大后的信號(hào)幅值達(dá)到1～5 V。

放大后輸出的信號(hào)為不規(guī)則的波形，并不能作為觸發(fā)信號(hào)。整形電路的核心器件為L(zhǎng)M311電壓比較器，具有很高的靈活性，能工作于5～30 V單個(gè)電源或正負(fù)15 V分離電源。LM311電壓比較器配合AMS1117-3.3電壓轉(zhuǎn)換芯片，輸出信號(hào)為幅值3.3 V的方波信號(hào)，可以直接作為后續(xù)以FPGA為核心的測(cè)速電路的啟動(dòng)、停止觸發(fā)信號(hào)。

2.4 測(cè)速模塊

FPGA不需操作系統(tǒng)，比ARM微處理器執(zhí)行指令的速度快，具有快速處理信息能力，以硬件架構(gòu)方式構(gòu)建控制系統(tǒng)[14-15]。FPGA主控制器選用Altera公司Cyclone IV的FPGA芯片EP4CE6E22I7N，有8個(gè)用戶(hù)I/O塊，可使用的I/O口可達(dá)91個(gè)。該芯片等級(jí)為工業(yè)級(jí)，其工作環(huán)境溫度范圍較寬，可達(dá)-40 ℃～80 ℃。除此之外，芯片內(nèi)部有兩個(gè)PLL，每個(gè)PLL上可均有5個(gè)輸出端，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)重配置來(lái)改變時(shí)鐘頻率或相位。測(cè)速模塊流程圖如圖6所示。

脈沖計(jì)數(shù)輸出原理如下：系統(tǒng)上電，當(dāng)前后光幕有彈丸通過(guò)時(shí)，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)處理電路后生成方波，分別產(chǎn)生啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)和停止觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)FPGA主控制器檢測(cè)到啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)的上升沿，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，啟動(dòng)指示燈亮，直到檢測(cè)到停止觸發(fā)信號(hào)的上升沿，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，啟動(dòng)指示燈熄滅的同時(shí)，停止指示燈閃爍一下，計(jì)數(shù)完成。這時(shí)計(jì)數(shù)器的值乘以系統(tǒng)時(shí)鐘的周期即為彈丸經(jīng)過(guò)雙光幕的時(shí)間。此外，系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了啟動(dòng)、停止按鈕模擬前后光幕的觸發(fā)信號(hào)，并提供了多種時(shí)標(biāo)選擇。

3 測(cè)試分析

完成系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)之后，對(duì)計(jì)時(shí)模塊進(jìn)行時(shí)序仿真、邏輯分析，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)對(duì)時(shí)間測(cè)量精度進(jìn)行了分析。

3.1 系統(tǒng)仿真分析

采用Verilog硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)脈沖計(jì)數(shù)程序，頂層文件采用圖形化編程方式，模塊化設(shè)計(jì)，便于拓展。編寫(xiě)并編譯對(duì)應(yīng)的Testbench文件，采用ModelSim軟件對(duì)計(jì)時(shí)模塊進(jìn)行時(shí)序仿真，系統(tǒng)的計(jì)時(shí)例化模塊與仿真波形如圖7所示。

計(jì)時(shí)模塊中各引腳定義如表1所示。由仿真波形可知，start1由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)候，延遲一個(gè)時(shí)鐘周期，到下個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿時(shí)，LED_Start變?yōu)榈碗娖?，?jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到遇到end1的上升沿，start1變?yōu)榈碗娖?，LED_End出現(xiàn)下降沿，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。T_out輸出為周期100 ns、高電平為20 ns的周期信號(hào)，這樣是為了便于后續(xù)的時(shí)標(biāo)選擇和數(shù)碼顯示。

時(shí)標(biāo)選擇和數(shù)碼管顯示仿真波形如圖8所示。

表1 計(jì)時(shí)模塊各引腳功能定義

在時(shí)標(biāo)選擇和數(shù)碼管顯示的模塊中，i_fpga_clk與i_rst_n分別為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入和復(fù)位信號(hào)，T_in為該模塊的輸入信號(hào)(即計(jì)時(shí)模塊中的T_out)，shibiao為八個(gè)時(shí)標(biāo)的選擇，從最低位到最高位分別表示0.1 μs、1 μs、10 μs、0.1 ms、1 ms、10 ms、0.1 s、1 s，o_led_data0、o_led_data1、o_led_data2、o_led_data3、o_led_data4分別表示第0位、第1位、第2位、第3位、第4位數(shù)碼管的顯示值。圖8中的shibiao為00000001，即選擇時(shí)標(biāo)為0.1 μs，則數(shù)碼管讀數(shù)為94.3 μs。計(jì)時(shí)啟動(dòng)、停止觸發(fā)信號(hào)正常，時(shí)間讀數(shù)顯示正常。

3.2 時(shí)間測(cè)量精度分析

測(cè)速系統(tǒng)是由觸發(fā)信號(hào)控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能。影響測(cè)量時(shí)間的主要因素有：

1) 光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間。本系統(tǒng)選用的高速光電探測(cè)器，典型的響應(yīng)時(shí)間約為1.0 μs。

2) 處理電路延遲誤差。處理電路誤差主要有兩個(gè)來(lái)源：信號(hào)處理電路的延遲誤差和測(cè)速模塊的延遲誤差。信號(hào)處理電路利用有源濾波、放大、整流等模擬電路對(duì)光信號(hào)的處理，模擬電路延時(shí)較數(shù)字電路明顯。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大的典型上升沿為2.0 μs，測(cè)試模塊的延遲可控制在1.0 μs以?xún)?nèi)。

假定彈丸的速度為800 m/s，前后光幕靶的距離為15 m，計(jì)數(shù)時(shí)鐘為50 MHz，時(shí)鐘周期為20 ns。彈丸通過(guò)前后光幕靶的時(shí)間間隔為T(mén)=15/1 000=0.015 s。相對(duì)誤差為：

(5)

4 結(jié)論

1) 本文提出的基于FPGA的反射式光幕測(cè)速系統(tǒng)研制方案，采用反射的激光信號(hào)作為系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，并用FPGA作為測(cè)速的主要控制芯片，可以提高測(cè)量的精度，同時(shí)簡(jiǎn)化了測(cè)速裝置，調(diào)節(jié)方便。

2) 通過(guò)對(duì)主要模塊的測(cè)試，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。從設(shè)計(jì)原理上分析可以測(cè)出口徑大于20 mm、飛行速度在200～2 000 m/s的彈丸飛過(guò)光幕的速度，且精度較高。

3) 該系統(tǒng)的探測(cè)電路的信噪比還可提高。