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      基于FPGA的光電抗干擾電路設計

            紅外密集度光電立靶測試系統是一種新型的用于測量低伸彈道武器射擊密集度的測試系統,既測試無須進行任何特殊處理的金屬彈丸,又可測試非金屬彈丸,更有反映靈敏、精度高而穩定、操作簡單、容易維護等優點,已被許多靶場投入使用。

            光電靶的基本原理是:當光幕內的光通量發生足夠大的變化時,光電傳感器會響應這種變化而產生電信號。這就是說,一些非彈丸物體在穿過光幕時也會使得光幕內光通量發生變化以至光電傳感器產生電信號。從原理上,這種現象并非異常,而對測試來講則屬于干擾。在具體靶場測試中,當干擾嚴重時會導致測試根本無法進行。因此,如何排除干擾,保證系統的正常運行,是一個必須解決的問題。

           理論分析

            光電靶在工作時,光電傳感器響應光幕內光通量的變化,將其轉變為微弱的電信號,經過放大后,進入電壓比較器,當其幅值高于預定基準時,電壓比較器翻轉,產生觸發脈沖。

      由于隨同彈丸穿過光幕的細小物體和外界光線變化產生的信號幅值較小,通過對電壓比較器設置合適的比較門限便可濾除這種信號。在靶廠實際測試中,這種干擾信號幅值一般小于0.8V,在電路中只要將電壓比較器的門限電平設為0.8V便可消除這種干擾。

      根據光電靶的工作原理,穿過光幕的飛行物體速度不同,遮擋光幕的時間就不同,在電路中表現為比較器后產生的方波脈沖的寬度不同。與彈丸相比,蚊蟲的飛行速度要低得多,當其穿過光幕時,產生的方波脈沖的寬度要比彈丸產生得寬;在亞音速彈測試中,彈丸速度低于聲速,由聲波引起的脈沖寬度小于彈丸產生的方波脈沖寬度。因此,從原理上在比較器后利用濾波電路濾除干擾信號是可能的。

      利用FPGA實現濾波及抗干擾

      整個電路的主要功能是抗沖擊波和蚊蟲干擾,并把有效彈丸信號變成脈寬為50μs的信號輸出到下級處理電路。設計中采用的芯片是MAX7000系列的EPM7128SLC84-15芯片。下面就如何實現濾波和抗干擾作詳細介紹。

      1 電路原理

      當有物體穿過光幕時,所產生方波的脈沖寬度為:T=(L+D)/V。式中,L為飛行物的長度,D為光幕面的厚度,V為飛行物的速度。沖擊波以聲速計算,V為340m/s,D=3mm,則可知沖擊波穿過光幕產生的方波信號脈沖寬度為:T1=D/V≌8.8μs;若V=330m/s,則T1≌9.1μs。蚊蟲等飛行物飛行速度V為20m/s,物體長度L大約為10mm,則可知蚊蟲飛過光幕產生的方波信號脈沖寬度為T2≌650μs。紅外密集度立靶測試系統測試彈丸彈速范圍為200~1200m/s,主要用于5.8mm、7.62mm、9mm三種彈;沖擊波的影響主要產生于對9mm×19mm的手槍彈的測量,該彈丸彈速約為320m/s。根據彈速和彈長,可知彈丸穿過光幕產生的方波信號脈沖寬度范圍為T3=37.5μs。

      根據靶場實際測試情況,彈丸穿過光幕時產生的方波信號脈沖寬度基本都小于150μs且大于10μs,則可以認為脈沖寬度大于150μs小于10μs的信號為無效信號,可以剔除,此時可將蚊蟲干擾信號和沖擊波信號濾除,達到抗干擾的目的。

      2抗沖擊波電路

      濾除沖擊波電路如圖1所示。當PULSE_IN端出現一個正跳變時,上跳沿使得觸發器D1的輸出端產生高電平信號,則啟動計數器開始計數。當計數器計滿后,計數器輸出端產生一個正跳變,上升沿使得觸發器D3的輸出端產生一個高電平信號,將這兩個信號相與得到輸出信號PULSE_OUT1。當PULSE_IN的下降沿到來時將計數器和三個觸發器同時清零,等待下一個信號到來。由圖2可知,當PULSE_IN的脈寬小于設定計時寬度時,認為干擾信號PULSE_OUT1為低;當PULSE_IN的脈寬大于設定計時寬度時且仍為高時,認為信號有效,PULSE_OUT1為高且在PULSE_IN的下降沿變為低電平,等待下一信號的到來。


      圖1 濾除沖擊波電路


      圖2 抗沖擊波電路仿真波形圖

      3 抗“蚊蟲”干擾電路

      當PULSE_OUT1有一個正跳變時,計數器開始計數,若計數器計滿則計數器cout端將有一個正跳變,經反相后加在觸發器D4的Q輸入端。在PULSE_OUT1的下降沿到來時,觸發器D4的輸出端仍輸出低電平信號,輸出信號PULSE_OUT2為低,即若PULSE_OUT1的脈沖寬度不小于計數器計時寬度時,PULSE_OUT2端將輸出低電平信號;若計數器未計滿則cout 端將不會有上升沿,觸發器D4的Q輸入端為高,在PULSE_OUT1的下降沿使觸發器D4的輸出端為高時,輸出信號PULSE_OUT2為高。在PULSE_OUT1上升沿到來時,觸發器D6的輸出端輸出為高經反相器后將觸發器D4和D6同時清零,等待下一信號的到來。

      4 脈寬設定電路

      為了保證彈丸穿過光幕產生的脈沖信號能夠非常適合后續處理電路的需要,在設計中將彈丸穿過光幕產生的脈沖信號均變為脈寬為50μs的脈沖信號再輸出給后續電路。

      當PULSE_OUT2有一個正跳變時,觸發器D7的輸出端輸出高電平,并啟動計數器。當計數器計滿時,計數器cout出現上升沿,觸發器D8的輸出端輸出高電平,此高電平信號將計數器清零,同時經反相器反相后接到觸發器D7和D8清零端,將觸發器D7和D8清零。

      整個電路的作用就是,當PULSE_IN上跳沿到來后,先經過抗沖擊波電路,若信號脈寬大于10μs,則啟動抗蚊蟲干擾電路;若信號脈寬大于150μs,輸出PULSE_OUT為低電平信號;若脈寬小于150μs,則經過脈寬設定電路變成寬度為50μs的信號輸出。

      通過分析可知應用FPGA器件所設計的抗干擾電路具有可靈活調節信號的脈寬修改方便、對輸入信號的脈寬適應能力強可調節范圍大、輸出的脈沖寬度和幅值穩定準確的特點。


      圖3 抗蚊蟲干擾電路


      圖4 抗蚊蟲干擾電路仿真波形


      圖5 脈寬設定電路

      結語

      為了在測試彈丸射擊密集度時消除沖擊波和蚊蟲干擾,利用FPGA器件來設計抗干擾電路,本電路簡單可靠,能有效地消除干擾脈沖,從而保證了數據的準確性和可靠性。


      圖6 脈寬設定電路仿真波形圖


      圖7 整體電路仿真波形圖


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