潘 登

(西安工業(yè)大學(xué) 西安 710021)

基于CPLD天幕靶抗外界干擾技術(shù)研究*

潘 登

(西安工業(yè)大學(xué) 西安 710021)

為了解決天幕靶輸出的目標(biāo)信號(hào)容易受到外界干擾的難題,研究了天幕靶輸出真實(shí)的目標(biāo)信號(hào)和外界干擾信號(hào)的特點(diǎn),提出了基于CPLD建立抗干擾電路,可以對(duì)目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行有效的區(qū)分,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和具體的應(yīng)用證明了該方法能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的輸出和干擾目標(biāo)信號(hào)的排除,提高了電路的抗干擾能力和天幕靶測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

靶場(chǎng); CPLD; 抗干擾; 天幕靶

1 引言

天幕靶測(cè)量系統(tǒng)主要應(yīng)用于靶場(chǎng)測(cè)試領(lǐng)域,可獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)飛行參數(shù)[1]。由于天幕靶測(cè)量系統(tǒng)工作環(huán)境主要在野外,所以天幕靶的輸出信號(hào)容易受到蚊蟲(chóng)、風(fēng)沙等干擾,這給真實(shí)目標(biāo)信號(hào)的提取帶來(lái)較大難度,影響著整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性,且傳統(tǒng)的天幕靶對(duì)目標(biāo)識(shí)別方法是將光電探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)多次放大,通過(guò)設(shè)定閾值電壓,當(dāng)單元探測(cè)光幕輸出模擬信號(hào)的電壓值大于一定的閾值Vth時(shí),就認(rèn)為這個(gè)信號(hào)為目標(biāo)信號(hào),從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)的判斷[2],這種方法雖然簡(jiǎn)單,但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和對(duì)干擾目標(biāo)信號(hào)的排除。為了解決上述的問(wèn)題,本論文基于CPLD建立抗干擾電路,將光電探測(cè)器輸出變化的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大,整形等處理得到一個(gè)脈沖信號(hào),通過(guò)計(jì)算該脈沖信號(hào)的寬度實(shí)現(xiàn)對(duì)真正目標(biāo)信號(hào)的輸出和干擾信號(hào)的排除,提高天幕靶的抗干擾能力和測(cè)試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

2 天幕靶輸出信號(hào)特性的研究

天幕靶是以光電傳感器為核心探測(cè)飛行目標(biāo)參數(shù)的儀器[3]。天幕靶主要由透鏡、光電傳感器、狹縫光闌以及信號(hào)調(diào)理電路組成。在室外工作時(shí),天幕靶以天空為背景光源,由于狹縫光闌的作用,天幕鏡頭的視場(chǎng)為一定厚度的扇形,通常稱為天幕,一旦彈丸進(jìn)入天幕,遮住天幕投射到狹縫的部分光能而使光電探測(cè)器上的光電流發(fā)生變化,該變化信號(hào)經(jīng)處理電路放大、整形后輸出一個(gè)脈沖信號(hào),其工作原理如圖1所示。

圖1 天幕靶工作原理示意圖

通過(guò)理論分析可知,影響彈丸過(guò)靶信號(hào)脈沖寬度的因素包括:天幕在目標(biāo)穿越位置上的厚度d,目標(biāo)的飛行速度v,飛行目標(biāo)的長(zhǎng)度L,當(dāng)有以目標(biāo)穿過(guò)天幕靶的探測(cè)光幕,如圖2所示,信號(hào)脈沖寬度Δt的理論計(jì)算[8]:

(1)

圖2 目標(biāo)信號(hào)處理后得到脈沖信號(hào)

由式(1)可知,由于飛行目標(biāo)之間的長(zhǎng)度和速度不同,遮擋住光幕的時(shí)間也就不相同,體現(xiàn)在電路中為信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器后形成的方波脈沖信號(hào)的脈沖寬度不一致[9]。在靶場(chǎng)測(cè)試時(shí),蚊蟲(chóng)的飛行速度比彈丸的速度低得多,蚊蟲(chóng)穿過(guò)天幕靶的脈沖信號(hào)的寬度比彈丸產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的的寬度要大的多,因此通過(guò)CPLD對(duì)電路輸出的脈沖寬度計(jì)數(shù)的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)排除。

根據(jù)靶場(chǎng)實(shí)測(cè)情況,某種彈丸穿過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度基本都大于50μs且小于150μs,則可認(rèn)為脈沖寬度大于150μs或小于50μs的信號(hào)為干擾信號(hào)。濾除蚊蟲(chóng)和風(fēng)沙干擾信號(hào),以達(dá)到抗干擾目的。

基于CPLD設(shè)計(jì)的抗干擾電路中,光電探測(cè)器本省輸出含有一定的噪聲,經(jīng)過(guò)多級(jí)放大之后,輸出信號(hào)的噪聲已經(jīng)達(dá)到400mv左右,所以對(duì)目標(biāo)過(guò)靶信號(hào)提取的過(guò)程中,必須設(shè)置一個(gè)比噪聲信號(hào)更大的比較門(mén)限[5]。本文將電路中比較器比較電壓的門(mén)限Vth設(shè)為500mv可有效排除噪聲信號(hào),當(dāng)有目標(biāo)穿過(guò)天幕靶時(shí),可以準(zhǔn)確地提取相互目標(biāo)信號(hào)。

3 利用CPLD實(shí)現(xiàn)濾波及抗干擾

天幕靶加入CPLD電路的主要功能是消除蚊蟲(chóng)干擾,并把有效彈丸信號(hào)延時(shí)200μs后,將脈沖信號(hào)變成脈寬為50μs的信號(hào)輸出到下級(jí)處理電路。下面就如何實(shí)現(xiàn)濾波和抗干擾進(jìn)行詳細(xì)介紹。

光電探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)多級(jí)放大、整形后形成一個(gè)脈沖信號(hào)single,將真?zhèn)€脈沖信號(hào)single輸入到CPLD中進(jìn)行處理。CPLD的晶振選取為10MHz,當(dāng)有信號(hào)輸入到CPLD的146管腳,CPLD內(nèi)部檢測(cè)到有脈沖信號(hào)的上升沿到來(lái)后,立馬啟動(dòng)計(jì)時(shí)器工作,直到輸入信號(hào)single的下降沿到來(lái)或計(jì)時(shí)器技術(shù)計(jì)數(shù)值到達(dá)濾波信號(hào)的上限脈寬150μs,計(jì)數(shù)器停止技術(shù),并判斷該脈沖信號(hào)的脈寬是否在設(shè)置的脈寬大于50μs且小于150μs之中,如果脈沖信號(hào)寬度在范圍內(nèi),證明該信號(hào)為正確的目標(biāo)信號(hào),延時(shí)到200μs后輸出脈寬為1ms脈沖信號(hào)到下級(jí)電路中;如果脈沖信號(hào)的脈寬不在范圍內(nèi),則CPLD內(nèi)部的寄存器全部清零,等待下一個(gè)脈沖信號(hào)的到來(lái)。CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Interfere1內(nèi)部的程序如下:

module interfere1(clk,single,out);

inputsingle;

inputclk;

output out;

regtest1_0,test1_1;

reg[14:0] cnt;

reg[14:0] cnt_lock;

reg pos_lock,neg_lock;

reg [14:0] cnt_x;

reg [14:0] cnt_50us;

regcnt_200us_lock;

wirepos_test1,neg_test1;

wire out;

parameter cnt_200us = 14'd2000;

always @ (posedge clk )

begin

test1_0 <= single;

test1_1 <= test1_0;

end

assign pos_test1 = test1_0 & ～test1_1;

assign neg_test1 = ～test1_0 & test1_1;

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt = = 15'd1500)

begin

pos_lock <= 1'b0;

neg_lock <= 1'b0;

end

else if(pos_test1)

begin

pos_lock <= 1'b1;

neg_lock <= 1'b0;

end

else if(neg_test1)

begin

pos_lock <= 1'b0;

neg_lock <= 1'b1;

end

else

begin

pos_lock <= pos_lock;

neg_lock <= neg_lock;

end

end

always @ (posedge clk )

begin

if(pos_lock)

cnt <= cnt +1'b1;

else if(neg_lock)

cnt <= 15'b0;

else

cnt <= cnt;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(pos_test1)

cnt_lock <= 15'b0;

else if(cnt_x = = cnt_200us - cnt_lock)

cnt_lock <= 15'b0;

else if(neg_test1)

cnt_lock <= cnt;

else

cnt_lock <= cnt_lock;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt_x = = cnt_200us - cnt_lock)

cnt_x <= 15'b0;

else if(!single)

begin

if(cnt_lock > 15'd500 && cnt_lock < 15'd1500)

cnt_x <= cnt_x+1'b1;

else

cnt_x <= 15'd0;

end

else if(pos_lock)

cnt_x <= 1'b0;

else

cnt_x <= cnt_x;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt_50us = = 24'd500)

cnt_200us_lock <= 1'b0;

else if(cnt_x = = cnt_200us - cnt_lock)

cnt_200us_lock <=1'b1;

else

cnt_200us_lock <= cnt_200us_lock;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt_50us = = 15'd500)

cnt_50us <= 15'b0;

else if(cnt_200us_lock)

cnt_50us <= cnt_50us + 1'b1;

else

cnt_50us <= cnt_50us ;

end

assignout = (cnt_50us > 15'd1 && cnt_50us < 15'd500)? 1:0;

endmodule

4 仿真分析

通過(guò)仿真對(duì)天幕靶中CPLD電路進(jìn)行功能性驗(yàn)證,脈沖信號(hào)single的輸入信號(hào)加三個(gè)不同脈寬的信號(hào),分別為194μs、123μs和34μs的脈沖信號(hào),兩個(gè)為干擾信號(hào),一個(gè)為真正的目標(biāo)信號(hào),其仿真結(jié)果如圖4所示,可以看出干擾信號(hào)只有輸入到CPLD的信號(hào),沒(méi)有輸出CPLD的信號(hào),而正確的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)入CPLD后,將信號(hào)延時(shí)200μs后輸出脈沖,并將信號(hào)展寬到50μs。通過(guò)仿真分析可知,基于CPLD的天幕靶抗干擾電路完全滿足系統(tǒng)抗蚊蟲(chóng)干擾的要求。

圖4 不同脈寬信號(hào)仿真結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

CPLD具有體積小、功耗小、效率高、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn),便于電路結(jié)構(gòu)的集成化和小型化[7],并且通過(guò)上面的仿真結(jié)構(gòu)和實(shí)際電路的測(cè)量結(jié)果證明了基于CPLD抗干擾電路的可行性和穩(wěn)定性,對(duì)蚊蟲(chóng)、風(fēng)沙等干擾信號(hào)可以完全的濾除,保證了天幕靶測(cè)試結(jié)果的可靠性。

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《計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程》編輯部

Technology of Anti-interference of Sky Screen Based on CPLD

PAN Deng

(Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

In order to solve the problem that the sky screen target output target signal is vulnerable to outside interference single, the characteristics of the real target signal and the interference signal output of sky screen is studied, anti-interference circuit based on CPLD is proposed, it can be effectively distinguished between the target signal and outside interference signal, and by simulation experiment and practical application, it is proved that the method can effectively achieve the output of the real target and the rejection of the target signal, this improves the anti-interference ability of the circuit and the measurement results of the reliability and accuracy of sky screen.

proving ground, CPLD, anti-interference, sky screen Class Number TP391

2016年10月14日,

2016年11月23日

潘登,男,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)檢測(cè)。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.013