以FPGA為核心控制A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

彈丸飛行速度的測(cè)量是武器系統(tǒng)各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)中一項(xiàng)至關(guān)重要的內(nèi)容，它是衡量火炮特性，彈藥特性和彈道特性的一個(gè)重要指標(biāo)。在眾多的彈丸速度測(cè)量系統(tǒng)中．激光光幕區(qū)截測(cè)速靶以其精度高而獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。但采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。不僅成本高，而且易受機(jī)箱等環(huán)境的限制。介紹了一種以FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．當(dāng)子彈穿過(guò)光幕靶時(shí)，光電探測(cè)器獲得彈丸過(guò)靶信號(hào)．FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集并存儲(chǔ)。以供后續(xù)分析和處理。

1激光測(cè)速靶原理簡(jiǎn)介

激光測(cè)速靶就是一種利用光測(cè)法測(cè)量彈丸速度的測(cè)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(dòng)靶和停止靶組成。激光測(cè)速靶的光源為半導(dǎo)體激光器，激光束經(jīng)準(zhǔn)直、柱面反射鏡的擴(kuò)柬形成人射光幕．彈丸依次過(guò)靶時(shí)．先后遮擋部分入射光線。經(jīng)原向反射屏反射后由光電探測(cè)器獲取彈丸過(guò)靶時(shí)的交變信號(hào)。信號(hào)調(diào)理后，由數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行采集．最后傳輸?shù)?a target="_blank">上位機(jī)做數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算得出子彈的飛行速度。

2數(shù)據(jù)采集方案

為記錄子彈在啟動(dòng)靶和停止靶的過(guò)靶信號(hào)，以啟動(dòng)靶信號(hào)為觸發(fā)源，負(fù)延時(shí)觸發(fā)FPGA控制2個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到SRAM中，然后通過(guò)USB依次將SRAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行信號(hào)的分析和處理。單通道數(shù)據(jù)采集方案如圖2所示。

3器件選型及依據(jù)

3．1 FPGA的選擇

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用了xilinx公司生產(chǎn)的xC2S50型FPGA。xc2s50是Spartan-Ⅱ系列產(chǎn)品中的一款，它采用了2．5 V電源供電，系統(tǒng)性能可達(dá)200 MHz，具有50 OOO個(gè)系統(tǒng)門，CLB數(shù)量為16×24，LC為1728，BlockRAM容量32 Kbit，擁有176個(gè)1／o口。其中XC2S50TQl44的用戶可用I／O口為92個(gè)，完全能滿足系統(tǒng)的需要。

3．2 ADC的選擇

步槍子彈出膛時(shí)的初速約為710 mps，彈頭長(zhǎng)約2．5 crn。激光靶激光束寬2 mm，容易算出激光束被子彈遮擋的時(shí)間為：（25+2）／700 ooo=o．ooo 038 57 s=38．57鼬。也就是說(shuō)探測(cè)器要采集的信號(hào)的頻率為1／38．57 MHz=25 926．88 Hz。根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，ADC的采樣頻率應(yīng)≥5l 853。76 Hz，實(shí)際應(yīng)用中采樣頻率應(yīng)≥259 268．8Hz。

AD7482是ADl公司推出的一款12位高速、低功耗逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，配有一個(gè)并行接口，最高吞吐量可3MsPS。該器件內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣一保持放大器，可處理40 MHz以上的輸入頻率。

3．3存儲(chǔ)器的選擇

可作為固態(tài)記錄器件的半導(dǎo)體件有多種，主要包括SRAM．DRAM。FRAM，F(xiàn)LASH等幾種器件。由于采集的時(shí)間短，數(shù)據(jù)容量小，采用SRAM就能滿足應(yīng)用。N08T1630C1BT是NanoAmp Solutions公司～款低功耗512 k×16 bit SRAM，它有19位地址線，16位數(shù)據(jù)線，邏輯控制簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)。

4主要模塊邏輯實(shí)現(xiàn)

FPGA設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)模塊部分：A／D轉(zhuǎn)換器控制模塊、SRAM控制模塊和計(jì)時(shí)器模塊。系統(tǒng)工作過(guò)程為：觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)后。FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器開始采集。同時(shí)將A／D轉(zhuǎn)換到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM中，200 ps后FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器停止采集。等待下一次觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)。

4．1 A／D轉(zhuǎn)換器控制模塊

AD7482的主要控制信號(hào)有：片選（CS）、讀信號(hào)（RD）、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換（C（）NVST）、忙信號(hào)（BUSY）。其中，片選（CS）、讀信號(hào)（RD）控制轉(zhuǎn)換結(jié)果讀??；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換（CoNVST）控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程；忙信號(hào)（BUSY）標(biāo)志AD7482正處于轉(zhuǎn)換過(guò)程。AD7482滿額度工作時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（conversion time）為300 ns．其中．跟蹤保持獲取時(shí)間（track-and—hold acquisitiontime）為70ns，轉(zhuǎn)換結(jié)果存取時(shí)間為30 ns。實(shí)際應(yīng)用中，2MSPS的采樣頻率就能滿足系統(tǒng)的要求。C（）M研控制轉(zhuǎn)換開啟關(guān)閉，CS和RD連接在一起控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的存?。帉慥HI）L程序．在C她毗usU軟件中仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3中，convst跳轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，AD7482開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，rd跳轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀取到SRAM中。

4．2 SRAM控制模塊

A／D轉(zhuǎn)換器每轉(zhuǎn)換一次。FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀取存儲(chǔ)到SRAM中。N08T1630ClBT的主要控制信號(hào)有：片選（CE）、寫使能（WE）、輸出使能（oE）、高字節(jié)使能（UB）、低字節(jié)使能（LB）。N08T1630ClBT的寫時(shí)序?yàn)椋捍_定地址一》拉低CE一》拉低WE一》將要寫入的12位數(shù)據(jù)置于數(shù)據(jù)線上一》拉高wE。電路中將N08T1630ClBT的片選（CE）端和寫使能（wE）端連接到一起，由FPGA發(fā)出的rd信號(hào)進(jìn)行控制，即可完成A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)·編寫相應(yīng)的VHDL程序，在QuartusII軟件中仿真·仿真結(jié)果如圖4所示：rd跳轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)寫入SRAM，SRAM的地址位加一。

4．3計(jì)時(shí)器模塊

由于啟動(dòng)靶和終止靶之間的距離5是已知的．只要能測(cè)出子彈通過(guò)啟動(dòng)靶和終止靶之間的時(shí)間￡，就可利用u=s/t測(cè)出子彈的速度。用VHDL語(yǔ)言編一以啟動(dòng)靶觸發(fā)信號(hào)為啟動(dòng)信號(hào)和以終止靶觸發(fā)信號(hào)為停止計(jì)數(shù)的計(jì)時(shí)器，便可得出子彈通過(guò)啟動(dòng)靶和終止靶之間的時(shí)間。計(jì)數(shù)器的編程很簡(jiǎn)單。在此就不再多作說(shuō)明。

5．結(jié)論

通芒翌．激光測(cè)速靶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進(jìn)，采用FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成數(shù)據(jù)采集，以代替現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集卡，具有電路簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展、體積小等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了測(cè)速靶的成本，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。