孫倩華，馬思宇

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

0 引言

高速攝像系統(tǒng)能夠捕獲高速運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)狀態(tài)或全部歷程，記錄大量準(zhǔn)確的時(shí)空信息，為研究高速現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供可靠的依據(jù)。對(duì)于高速攝像系統(tǒng)，由于受到分辨率大和存儲(chǔ)器容量小的限制，使得工作時(shí)間有限，只有保證高速攝像系統(tǒng)的工作時(shí)間正是試驗(yàn)中高速現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間，高速攝像系統(tǒng)才能夠采集到足夠的畫幅，為試驗(yàn)提供有效的數(shù)據(jù)支持。因此，高速攝像系統(tǒng)的觸發(fā)顯得尤為重要。

目前，現(xiàn)有的觸發(fā)裝置雖然可以實(shí)現(xiàn)基本功能，但是在某些試驗(yàn)中，同步觸發(fā)裝置在接收其他系統(tǒng)提供的時(shí)統(tǒng)信號(hào)時(shí)曾出現(xiàn)誤觸發(fā)或者不觸發(fā)現(xiàn)象，導(dǎo)致測試系統(tǒng)沒有采集到有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；因其提供的通斷觸發(fā)信號(hào)不是真正意義上的無源觸點(diǎn)信號(hào)，在為電測系統(tǒng)提供時(shí)統(tǒng)信號(hào)時(shí)，還會(huì)對(duì)電測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)造成干擾；其信號(hào)輸入端欠缺有效的防干擾措施，有時(shí)甚至造成裝置的損壞；另外，現(xiàn)有的同步觸發(fā)裝置不能實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別、輸入線纜的在線檢測及輸出信號(hào)的任意設(shè)置。本文提出了一種基于CPLD的高速攝像觸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)，以提高測試系統(tǒng)的可靠性、安全性、通用性和便捷性。

1 系統(tǒng)組成

圖1 觸發(fā)裝置組成示意圖

如圖1所示，外部接口為1路信號(hào)輸入接口（以下簡稱In），四路信號(hào)輸出接口（以下簡稱Out1、Out2、Out3、Out4），以及一個(gè)電源接口（以下簡稱P）。信號(hào)輸入接口采用BNC母頭，作為時(shí)統(tǒng)信號(hào)的輸入端，連接高速運(yùn)動(dòng)過程發(fā)生時(shí)刻的特征信號(hào)，信號(hào)模式兼容TTL上升沿、TTL下降沿、由通到斷、由斷到通四種模式；信號(hào)輸出接口采用四路BNC母頭，連接高速攝像機(jī)及其他測試系統(tǒng)的觸發(fā)接口，可根據(jù)不同設(shè)備的觸發(fā)要求設(shè)置為四種觸發(fā)模式（TTL上升沿觸發(fā)、TTL下降沿觸發(fā)、由通到斷信號(hào)觸發(fā)、由斷到通信號(hào)觸發(fā)）；電源接口采用MicroUSB接口，連接具有100mA供電能力的電源適配器。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 輸入信號(hào)識(shí)別電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)識(shí)別電路用來對(duì)輸入信號(hào)In_ID的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)信號(hào)在不同電路中表現(xiàn)出的不同的電壓特性的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，其電路原理圖見圖2。

如圖2所示，利用光耦電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)In_ID信號(hào)為“TTL高”時(shí)光耦1輸出端In_ID1為高，光耦2輸出端In_ID2為低；當(dāng)In_ID信號(hào)為“TTL低”時(shí)光耦1輸出端In_ID1為低，光耦2輸出端In_ID2為高；當(dāng)In_ID信號(hào)為“通路”時(shí)光耦1輸出端In_ID1為低，光耦2輸出端In_ID2為高；當(dāng)In_ID信號(hào)為“斷路”時(shí)光耦1輸出端In_ID1為高，光耦2輸出端In_ID2為高。其真值表見表1。

通過CPLD控制電路的邏輯判斷，可以實(shí)時(shí)顯示輸入信號(hào)的狀態(tài)，以供測試人員判斷輸入信號(hào)線的正確性。

表1 信號(hào)識(shí)別電路真值表

圖2 信號(hào)識(shí)別電路原理圖

■2.2 輸入信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路用來對(duì)輸入信號(hào)In的變化（TTL由高到低、由低到高，由通到斷、由斷到通）統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為高低電平的跳變，以供CPLD控制電路進(jìn)行捕捉，其電路原理圖見圖3。

如圖3所示，當(dāng)In_ID信號(hào)為“TTL高”時(shí)INPUT輸出端為高；當(dāng)In_ID信號(hào)為“TTL低”時(shí)INPUT輸出端為低；當(dāng)In_ID信號(hào)為“通路”時(shí)INPUT輸出端為低；當(dāng)In_ID信號(hào)為“斷路”時(shí)INPUT輸出端為高。其真值表見表2。

表2 信號(hào)處理電路真值表

通過CPLD控制電路的上升沿、下降沿檢測，適時(shí)驅(qū)動(dòng)四路輸出信號(hào)同步跳變。圖中D103、D104可以有效地防止輸入端信號(hào)的瞬態(tài)干擾，大大提高了裝置的可靠性。

突然間，“奉”的一聲，很短促，很古怪。與之同步，幾乎分毫不差，整個(gè)店堂里火光大盛。峋四爺成了一個(gè)火人，一個(gè)手舞足蹈、尖聲銳叫的火人！

■2.3 輸出信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

本裝置的輸出信號(hào)調(diào)理電路分邏輯控制模塊、TTL電平轉(zhuǎn)換電路和開關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，電路原理圖見圖4。

圖4 TTL電平轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖5 觸點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖6 邏輯控制模塊原理圖

圖3 信號(hào)處理電路原理圖

如圖4所示，利用芯片74HC541將CPLD輸出的LSTTL信號(hào)經(jīng)光耦轉(zhuǎn)換后的5V電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為肖特基TTL電平；如圖5所示，利用模擬開關(guān)TS5A22364-Q1將5V電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為通-斷或斷-通的觸點(diǎn)信號(hào)。如圖6所示，利用模擬開關(guān)的開關(guān)特性對(duì)輸出模式（TTL模式、觸點(diǎn)模式）以及輸出線路進(jìn)行切換，最大限度的滿足了現(xiàn)有絕大部分測試系統(tǒng)的觸發(fā)需求。

圖7 CPLD軟件流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

CPLD控制電路主要負(fù)責(zé)輸入信號(hào)的識(shí)別、顯示、信號(hào)的設(shè)置及同步輸出，因CPLD的硬件特性，上述工作均同步進(jìn)行，保證了觸發(fā)裝置的實(shí)時(shí)性要求。其工作原理見圖7。

程序采用VerilogHDL硬件描述語言編寫，核心部分為檢測輸入信號(hào)的電壓跳變，代碼示例如下。

always @ (posedge CLK)

if(!RESET)

begin

flag1 <= 1;

flag2 <= 1;

end

else

begin

flag1 <= In_put;

flag2 <= flag1;

end

assign fallingedge = flag2 &&!flag1;

assign risingedge = flag1 &&!flag2;

當(dāng)檢測到輸入信號(hào)突變后，根據(jù)輸出設(shè)置方式控制相應(yīng)的信號(hào)輸出。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的高速攝像觸發(fā)裝置，可以根據(jù)TTL上升沿、TTL下降沿、由斷到通、由通到斷四種輸入信號(hào)同步輸出四路輸出信號(hào)，同步的時(shí)間誤差為10-9s級(jí)；裝置能實(shí)時(shí)顯示輸入信號(hào)的狀態(tài)，用以檢查線纜的正確性；并能分別設(shè)置信號(hào)的輸出形式，輸出形式為四種，分別是TTL上升沿、TTL下降沿、斷-通、通-斷信號(hào)；并且能抗3000V的瞬態(tài)干擾。據(jù)此方案研制的觸發(fā)裝置經(jīng)過2年的實(shí)際使用，參與的高速拍攝拍攝任務(wù)超過上百次，沒有發(fā)生誤觸發(fā)和漏觸發(fā)現(xiàn)象。因此，本方案可作為類似設(shè)計(jì)的參考。