0 引言
    彈丸飛行速度的測量是武器系統(tǒng)各種運動參數(shù)中一項至關重要的內(nèi)容，它是衡量火炮特性、彈藥特性和彈道特性的一個重要指標。在眾多的彈丸速度測量系統(tǒng)中，激光光幕區(qū)截測速靶以其精度高而獨具優(yōu)勢。但采用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，不僅成本高，而且易受機箱等環(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)，當子彈穿過光幕靶時，光電探測器獲得彈丸過靶信號，F(xiàn)PGA控制A／D轉(zhuǎn)換器進行信號采集并存儲，以供后續(xù)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(jīng)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(jīng)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(diào)理后，由數(shù)據(jù)采集電路進行采集，最后傳輸?shù)缴衔粰C做數(shù)據(jù)處理和運算，得出子彈的飛行速度。

2 數(shù)據(jù)采集方案
    為記錄子彈在啟動靶和停止靶的過靶信號，以啟動靶信號為觸發(fā)源，負延時觸發(fā)FPGA控制2個A／D轉(zhuǎn)換器同步進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)分別存儲到SRAM中，然后通過USB依次將SRAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行信號的分析和處理。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(fā)展的產(chǎn)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(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。
    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2．5V電源供電，系統(tǒng)性能可達200 MHz，具有50 000個系統(tǒng)門，CLB數(shù)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(tǒng)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(jù)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。
    AD7482是ADI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，配有一個并行接口，最高吞吐量可達3MSPS。該器件內(nèi)置一個低噪聲、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 存儲器的選擇
    可作為固態(tài)記錄器件的半導體件有多種，主要包括SRAM，DRAM，F(xiàn)RAM，F(xiàn)LASH等幾種器件。由于采集的時間短，數(shù)據(jù)容量小，采用SRAM就能滿足應用。N08T1630C1BT是NanoAmp Solutions公司一款低功耗512 k×16 bit SRAM，它有19位地址線，16位數(shù)據(jù)線，邏輯控制簡單且易實現(xiàn)。

4 主要模塊邏輯實現(xiàn)
    FPGA設計主要包括3個模塊部分：A／D轉(zhuǎn)換器控制模塊、SRAM控制模塊和計時器模塊。系統(tǒng)工作過程為：觸發(fā)信號觸發(fā)后，F(xiàn)PGA控制A／D轉(zhuǎn)換器開始采集，同時將A／D轉(zhuǎn)換到的數(shù)據(jù)存儲到SRAM中，200μs后FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器停止采集，等待下一次觸發(fā)信號的到來。
4．1 A／D轉(zhuǎn)換器控制模塊
    AD7482的主要控制信號有：片選(CS)、讀信號(RD)、啟動轉(zhuǎn)換(CONVST)、忙信號(BUSY)。其中，片選(CS)、讀信號(RD)控制轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取；啟動轉(zhuǎn)換(CONVST)控制啟動轉(zhuǎn)換過程；忙信號(BUSY)標志AD7482正處于轉(zhuǎn)換過程。AD7482滿額度工作時的轉(zhuǎn)換時間(conversion time)為300 ns，其中，跟蹤保持獲取時間(track-and-hold acquisitiontime)為70 ns．轉(zhuǎn)換結(jié)果存取時間為30 ns。實際應用中，2MSPS的采樣頻率就能滿足系統(tǒng)的要求，CONVST控制轉(zhuǎn)換開啟關閉，CS和RD連接在一起控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的存取，編寫VHDL程序，在QuartusII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，AD7482開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，rd跳轉(zhuǎn)為低電平時，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，F(xiàn)PGA控制A／D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀取存儲到SRAM中。N08T1630ClBT的主要控制信號有：片選(CE)、寫使能(WE)、輸出使能(0E)、高字節(jié)使能(UB)、低字節(jié)使能(LB)。N08T1630C1BT的寫時序為：確定地址=>拉低CE=>拉低WE一>將要寫入的12位數(shù)據(jù)置于數(shù)據(jù)線上=>拉高wE。電路中將N08T1630C1BT的片選(CE)端和寫使能(WE)端連接到一起，由FPGA發(fā)出的rd信號進行控制，即可完成A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲，編寫相應的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，數(shù)據(jù)寫入SRAM，SRAM的地址位加一。

4．3 計時器模塊
    由于啟動靶和終止靶之間的距離s是已知的，只要能測出子彈通過啟動靶和終止靶之間的時間t，就可利用v=s／t測出子彈的速度。用VHDL語言編一以啟動靶觸發(fā)信號為啟動信號和以終止靶觸發(fā)信號為停止計數(shù)的計時器，便可得出子彈通過啟動靶和終止靶之間的時間。計數(shù)器的編程很簡單，在此就不再多作說明。

5 結(jié)論
    通過對激光測速靶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進，采用FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器來完成數(shù)據(jù)采集，以代替現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集卡，具有電路簡單、易于擴展、體積小等優(yōu)點，大大降低了測速靶的成本，進一步增加了系統(tǒng)應用的靈活性。