FPGA在激光測速靶中的應用

0 引言
彈丸飛行速度的測量是武器系統各種運動參數中一項至關重要的內容，它是衡量火炮特性、彈藥特性和彈道特性的一個重要指標。在眾多的彈丸速度測量系統中，激光光幕區截測速靶以其精度高而獨具優勢。但采用現成的數據采集卡進行數據采集，不僅成本高，而且易受機箱等環境的限制。介紹了一種以FPGA為核心的數據采集系統，當子彈穿過光幕靶時，光電探測器獲得彈丸過靶信號，FPGA控制A／D轉換器進行信號采集并存儲，以供后續分析和處理。

1 激光測速靶原理簡介
激光測速靶就是一種利用光測法測量彈丸速度的測試裝置，它由初速靶和存速靶組成，初速靶和存速靶又分別由啟動靶和停止靶組成。激光測速靶的光源為半導體激光器．激光束經準直、柱面反射鏡的擴束形成入射光幕，彈丸依次過靶時，先后遮擋部分入射光線，經原向反射屏反射后由光電探測器獲取彈丸過靶時的交變信號，信號調理后，由數據采集電路進行采集，最后傳輸到上位機做數據處理和運算，得出子彈的飛行速度。

2 數據采集方案
為記錄子彈在啟動靶和停止靶的過靶信號，以啟動靶信號為觸發源，負延時觸發FPGA控制2個A／D轉換器同步進行數據采集，將采集到的數據分別存儲到SRAM中，然后通過USB依次將SRAM中的數據傳輸到上位機進行信號的分析和處理。單通道數據采集方案如圖2所示。

3 器件選型及依據
3．1 FPGA的選擇
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。
本系統采用了Xilinx公司生產的XC2S50型FPGA。XC2S50是Spartan-Ⅱ系列產品中的一款，它采用了2．5V電源供電，系統性能可達200 MHz，具有50 000個系統門，CLB數量為16×24，LC為1728，BlockRAM容量32 Kbit，擁有176個I／O口。其中XC2S50TQl44的用戶可用I／O口為92個，完全能滿足系統的需要。
3．2 ADC的選擇
步槍子彈出膛時的初速約為710 mps，彈頭長約2．5 cm。激光靶激光束寬2 mm，容易算出激光束被子彈遮擋的時間為：(25+2)／700 000=O．000 038 57 s=38．57μs，也就是說探測器要采集的信號的頻率為1／38．57 MHz=25 926．88 Hz。根據奈奎斯特(Nyquist)采樣定理，ADC的采樣頻率應≥51 853．76 Hz，實際應用中采樣頻率應≥259 268．8 Hz。