FPGA在激光测速靶中的应用

0 引言
弹丸飞行速度的测量是武器系统各种运动参数中一项至关重要的内容，它是衡量火炮特性、弹药特性和弹道特性的一个重要指标。在众多的弹丸速度测量系统中，激光光幕区截测速靶以其精度高而独具优势。但采用现成的数据采集卡进行数据采集，不仅成本高，而且易受机箱等环境的限制。介绍了一种以FPGA为核心的数据采集系统，当子弹穿过光幕靶时，光电探测器获得弹丸过靶信号，FPGA控制A／D转换器进行信号采集并存储，以供后续分析和处理。

1 激光测速靶原理简介
激光测速靶就是一种利用光测法测量弹丸速度的测试装置，它由初速靶和存速靶组成，初速靶和存速靶又分别由启动靶和停止靶组成。激光测速靶的光源为半导体激光器．激光束经准直、柱面反射镜的扩束形成入射光幕，弹丸依次过靶时，先后遮挡部分入射光线，经原向反射屏反射后由光电探测器获取弹丸过靶时的交变信号，信号调理后，由数据采集电路进行采集，最后传输到上位机做数据处理和运算，得出子弹的飞行速度。

2 数据采集方案
为记录子弹在启动靶和停止靶的过靶信号，以启动靶信号为触发源，负延时触发FPGA控制2个A／D转换器同步进行数据采集，将采集到的数据分别存储到SRAM中，然后通过USB依次将SRAM中的数据传输到上位机进行信号的分析和处理。单通道数据采集方案如图2所示。

3 器件选型及依据
3．1 FPGA的选择
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
本系统采用了Xilinx公司生产的XC2S50型FPGA。XC2S50是Spartan-Ⅱ系列产品中的一款，它采用了2．5V电源供电，系统性能可达200 MHz，具有50 000个系统门，CLB数量为16×24，LC为1728，BlockRAM容量32 Kbit，拥有176个I／O口。其中XC2S50TQl44的用户可用I／O口为92个，完全能满足系统的需要。
3．2 ADC的选择
步枪子弹出膛时的初速约为710 mps，弹头长约2．5 cm。激光靶激光束宽2 mm，容易算出激光束被子弹遮挡的时间为：(25+2)／700 000=O．000 038 57 s=38．57μs，也就是说探测器要采集的信号的频率为1／38．57 MHz=25 926．88 Hz。根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理，ADC的采样频率应≥51 853．76 Hz，实际应用中采样频率应≥259 268．8 Hz。