江旭東，李錦明*，秦　麗，高根偉，何蘊(yùn)澤

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051；3.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051）

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一種雙光幕彈丸測速系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

江旭東1，2，李錦明1，2*，秦麗1，2，高根偉1，2，何蘊(yùn)澤3

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051；3.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051）

摘要：在現(xiàn)在代武器的研究中，需要對彈丸速度進(jìn)行高精度測量，因此設(shè)計了一種軟硬件結(jié)合的雙光幕測速系統(tǒng)。整個系統(tǒng)以FPGA為控制核心，通過控制硬件電路實現(xiàn)對前端光幕傳感器電流信號的調(diào)理及采集，之后將數(shù)據(jù)存儲并通過網(wǎng)口上傳到上位機(jī)。設(shè)計中對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行了軟件調(diào)零，解決了傳統(tǒng)硬件調(diào)零不穩(wěn)定的問題，同時采用彈底觸發(fā)的方式進(jìn)行計時，提高了彈丸測速的準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)測速系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有精度高、靈活性好等優(yōu)點。通過多次測試與實驗，該系統(tǒng)滿足實際工程應(yīng)用的要求。

關(guān)鍵詞：光幕測速；FPGA；軟件調(diào)零處理；彈底觸發(fā)

項目來源：山西省自然科學(xué)基金項目（2014011021-5）

隨著光電事業(yè)的不斷提高，彈丸測速技術(shù)也在不斷的發(fā)展。由于傳統(tǒng)接觸測量的測量精度低、重復(fù)性差等問題，非接觸測量已成為主流測量技術(shù)。非接觸彈丸測速方法主要是利用計時儀和區(qū)截裝置（線圈靶、光幕靶、天幕靶等）來測量彈丸速度，記錄彈丸飛過截取裝置的不同截面間的響應(yīng)時間，而截取平面間的距離是已知的，距離除以時間就可以得到彈丸的平均速度［1-2］。目前電子計時儀精度較高，能夠滿足測速要求。但每個測速系統(tǒng)都要包括區(qū)截裝置和計時儀兩部分，系統(tǒng)復(fù)雜度高、成本大，而且對計時儀的要求較高。由此提出了一種雙光幕彈丸測速系統(tǒng)。實時檢測并記錄彈丸穿過光幕靶時的輸出信號，并用軟件的方式實現(xiàn)彈底觸發(fā)計時，代替測時儀記錄兩個信號間的時間間隔，實現(xiàn)彈速測量。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

雙光幕彈丸測速系統(tǒng)以區(qū)截裝置測速原理為基礎(chǔ)，采用平均速度測量的思想［3］，在彈丸飛行的彈道上預(yù)設(shè)兩對紅外光幕靶，檢測彈丸先后穿過兩光幕的時間t1和t2，且靶間距已知為S，由平均速度公式：即可得到彈丸穿過光幕的速度。

系統(tǒng)主要由光幕傳感器、I/V轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA控制模塊、Flash存儲模塊、以太網(wǎng)接口模塊組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)彈丸穿過光幕時，前端兩個光幕傳感器檢測到光通量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電流信號（4 mA~20 mA），兩路電流信號再經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號（0.4 V～2 V），之后將兩路信號傳輸給AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在FPGA的控制下對兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)零處理后存入FLASH，最后通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀分析。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由于傳感器輸出為電流信號，因此需經(jīng)過前端I/V轉(zhuǎn)換和放大電路進(jìn)行預(yù)處理，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使其符合AD芯片的輸入采集電壓。系統(tǒng)選用的AD芯片為AD7934，電壓輸入范圍為0~2.5 V。

圖2　I/V轉(zhuǎn)換電路原理圖

系統(tǒng)設(shè)計的I/V轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。R301為取樣轉(zhuǎn)換電阻，兩端并聯(lián)一個濾波電容C85，由運(yùn)放LM324的兩倍放大作用，將4 mA～20 mA直流電流信號線性地轉(zhuǎn)換為0.4 V～2 V的電壓信號。由于加入了運(yùn)放，轉(zhuǎn)換取樣電阻R301可以相對小一些，因為可以通過調(diào)節(jié)R207和R208來設(shè)置運(yùn)放的放大倍數(shù)。另外，加入運(yùn)放還可以保護(hù)AD芯片。2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

根據(jù)采樣定律，為了能夠重現(xiàn)原信號，采樣頻率必須大于2倍的信號頻帶上限［4］。由于彈丸穿過靶面的時間很短，得到的脈沖信號則具有較寬的頻譜范圍，如果彈丸速度不同，頻譜范圍的變化也比較大，但若設(shè)置較高的采樣頻率，就可以滿足各種常規(guī)彈丸速度的測量要求。綜合考慮，系統(tǒng)選用了采樣率和精度均較高的AD7934作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。AD7934與FPGA之間的連接電路示意圖如圖3。

圖3　AD7934的連接示意圖

由于采樣頻率越高，測速的精度也越高，系統(tǒng)設(shè)計的采樣頻率為1.5 MHz，為AD7934的最高采樣頻率，又因為系統(tǒng)是對兩路數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采樣，所以單路數(shù)據(jù)信號的采樣率為750 ksample/s。

2.3存儲電路設(shè)計

系統(tǒng)選用Micron公司的MT29F4G16A作為存儲器，其數(shù)據(jù)位為16 bit。與常用的SAMSUNG FLASH存儲器相比較，它有讀寫速度更快的Two?plane操作模式，即讀寫操作時同時對兩個Plane的頁進(jìn)行操作，擦除操作時可以對兩個Plane的塊同時擦除［5］。在原有的命令基礎(chǔ)上僅增加了一次命令和地址的編寫，卻多讀寫了一頁數(shù)據(jù)，帶來了存儲速度的大幅提升。存儲電路圖如圖4。

圖4　存儲電路

2.4以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

以太網(wǎng)接口是近年來最新型的接口技術(shù)。在接口電路中，PCI接口可擴(kuò)展性差，而USB接口容易掉線，所以系統(tǒng)采用W5300設(shè)計以太網(wǎng)接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。該芯片集介質(zhì)訪問控制管理、物理層控制和固件通信協(xié)議于一體，簡化了接口設(shè)計工作，提高了設(shè)計效率［6］。W5300采用直接尋址模式，并由FPGA配置為接收模塊，通過地址總線可直接訪問W5300內(nèi)部寄存器。以太網(wǎng)接口設(shè)計如圖5所示。

圖5　以太網(wǎng)接口電路

其中BIT16EN為高電平，設(shè)置為16位數(shù)據(jù)總線；將TEST_MODE［3：0］、OP_MODE［3：0］的引腳接地，即配置為全功能自動握手工作模式；W5300與RJ45間接入隔離變壓器，既提高了接口的穩(wěn)定性和抗噪性，又保護(hù)了接口電路。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

在光幕測速系統(tǒng)軟件設(shè)計中，各個組成部分都以模塊的形式封裝，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換模塊的控制、彈底觸發(fā)設(shè)計、FLASH讀寫模塊控制、以太網(wǎng)通信模塊等功能。主函數(shù)中模塊化的設(shè)計思想，便于軟件的調(diào)試［7］。下面將重點介紹A/D轉(zhuǎn)換模塊和彈底觸發(fā)設(shè)計。

3.1A/D轉(zhuǎn)換控制及彈底觸發(fā)設(shè)計

雙光幕測速系統(tǒng)主要利用光幕傳感器中光電探測器接收到光通量的變化，產(chǎn)生電流脈沖，將此脈沖信號作為系統(tǒng)的觸發(fā)信號，從而觸發(fā)計時脈沖。根據(jù)炮彈前尖后平的外形，電流脈沖信號將會是前沿波形緩慢，斜率小，后沿波形變化陡峭，斜率較大，所以觸發(fā)方式可分為彈尖觸發(fā)和彈底觸發(fā)兩種，且彈底觸發(fā)設(shè)計明顯比彈尖觸發(fā)設(shè)計精度高。

A/D轉(zhuǎn)換控制和彈底觸發(fā)計時設(shè)計的流程圖如圖6所示。AD7934的采集轉(zhuǎn)換過程就是按照寫控制命令、采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的步驟進(jìn)行的。

圖6　AD轉(zhuǎn)換控制和彈底觸發(fā)設(shè)計流程圖

3.2軟件調(diào)零

雖然經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號（0.4 V～2 V）滿足AD芯片的輸入采集電壓范圍，但該電壓信號沒有零點，所以在A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計時，必須對采集到的兩路信號進(jìn)行調(diào)零處理。設(shè)計中對采集到的光幕數(shù)據(jù)首先減去一個固定值0.4 V，對應(yīng)的12位二進(jìn)制值為“001010001111”，即將信號調(diào)整為0～1.6 V的范圍實現(xiàn)軟件調(diào)零，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。軟件調(diào)零會帶來一定的FPGA內(nèi)部資源耗用，但卻精簡了硬件電路，往往硬件電路調(diào)零實現(xiàn)難度大，對器件精度的要求較高。

4　系統(tǒng)測試結(jié)果

為了驗證彈丸測速系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計實驗如下：在室內(nèi)，采用美國BANNER公司的A-GAGE EZ-ARRAY系列光幕傳感器EA5E150Q（發(fā)射器）和EA5R150NIXMODQ（接收器）的光幕靶，靶面積為150 mm×1 000 mm，間距S為800 mm，即可測試150 mm口徑以下的彈丸。以1.5 Msample/s的采樣率采集彈丸飛過光幕靶的數(shù)據(jù)信號，并與計時儀測量法進(jìn)行比較如表1所示。其中T1、V1是由測時儀測得的時間和速度，T2、V2是由系統(tǒng)計算得到的時間與速度，ΔT =T2-T1為兩者時間偏差，ΔV =V2-V1為兩者速度偏差，去除隨機(jī)環(huán)境因素，由以上數(shù)據(jù)可得5發(fā)彈丸的時間和速度平均偏差為：= 0.00312，=0.05194。即所測數(shù)據(jù)偏差較小，能夠滿足一般的彈丸速度測量。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在上位機(jī)上直觀的顯示如圖7。

表1　實驗結(jié)果比較

圖7　彈丸通過光幕過程圖

圖中顯示了輸出電壓的變化，彈丸遮擋的光束越多電壓越大，彈尖進(jìn)入時電壓較小，彈底穿過瞬間引起電壓急劇減小，即電壓圖前沿變化慢后沿變化急的特點也反應(yīng)了彈丸前尖后平的外形輪廓。

5　結(jié)束語

該系統(tǒng)針對光幕傳感器的電流輸出，設(shè)計了I/V轉(zhuǎn)換電路，采用高精度、高采樣率的AD7934，保證了測速系統(tǒng)的精度，并輔以軟件調(diào)零和彈底觸發(fā)計時，實現(xiàn)了時間數(shù)據(jù)的直接采集。測速系統(tǒng)表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確測量彈丸速度，滿足實際工程應(yīng)用要求。與傳統(tǒng)基于計時儀測速相比，該系統(tǒng)更方便、更靈活，具有較強(qiáng)的抗干擾性和可擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)：

［1］倪晉平，王鐵嶺.光電靶的工作原理及應(yīng)用［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1997，17（1）：31-33.

［2］左兆陸，鄭賓，丁高林，吳健.基于紅外線光電開關(guān)的測速系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］.自動化與儀表，2011（8）：29-32+36.

［3］胡小平，朱萍玉，余以道.一種實用的近距離測速儀的研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（3）：24-25

［4］陳建軍，楊雷，倪晉平.基于數(shù)據(jù)采集方法的彈丸速度測量［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，25（3）：235-238.

［5］魏漢明，張彥軍，劉文怡.基于雙模接口的測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2014，22（12）：1104-1107.

［6］吳昊，嚴(yán)勝剛，薛雙喜.基于W5300的4 K網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子設(shè)計工程，2012，20（9）：92-95.

［7］李勛，劉文怡.基于FPGA的以太網(wǎng)接口設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化與儀表，2014，29（5）：57-60.

江旭東（1988-），男，山西省長治人，碩士研究生，主要從事存儲測試方向的研究；

李錦明（1971-），男，重慶市人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事動態(tài)測試技術(shù)與智能儀器方向的研究。

Research and Design of Sun Tracker in Solar Energy Heating Asphalt*

QU Chunying*，BIAN Xiufen

（Department of Automation，College of Physics＆Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China）

Abstract：Traditional asphalt heating is poor in quality of oiling，pollution，energy consumption and high cost prob?lems，it is a good way to solve with adopting the solar-thermal conversion heating asphalt. For this purpose，a high pre?cision solar spotlight is developed. The single-chip C8051F021 is used to process the output signals of the PSD posi?tion sensor and control the motor to the solar tracking，the automatic track can be achieved by combining optical track?ing way calendar-reckoning method. Experiments show that tracking accuracy is not lower than 0.2°with all-weather，good stability，and it provides the necessary condition to reach the high temperature process of asphalt temperature.

Key words：solar energy；sun tracker；optical tracking；calendar-reckoning；PSD position sensor；asphalt heating

doi：EEACC：825010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.037

收稿日期：2015-04-25修改日期：2015-05-27

中圖分類號：TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0172-04