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

彈丸飛行速度的測量是武器系統(tǒng)各種運(yùn)動參數(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重要指標(biāo)。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(dú)具優(yōu)勢。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)子彈穿過光幕靶時，光電探測器獲得彈丸過靶信號．FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(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(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

為記錄子彈在啟動靶和停止靶的過靶信號，以啟動靶信號為觸發(fā)源，負(fù)延時觸發(fā)FPGA控制2個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(jī)進(jìn)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(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個系統(tǒng)門，CLB數(shù)量為16×24，LC為1728，BlockRAM容量32 Kbit，擁有176個1／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 crn。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 ooo=o．ooo 038 57 s=38．57鼬。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(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，配有一個并行接口，最高吞吐量可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(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個模塊部分：A／D轉(zhuǎn)換器控制模塊、SRAM控制模塊和計(jì)時器模塊。系統(tǒng)工作過程為：觸發(fā)信號觸發(fā)后。FPGA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，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（C（）NVST）、忙信號（BUSY）。其中，片選（CS）、讀信號（RD）控制轉(zhuǎn)換結(jié)果讀?。粏愚D(zhuǎn)換（CoNVST）控制啟動轉(zhuǎn)換過程；忙信號（BUSY）標(biāo)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70ns，轉(zhuǎn)換結(jié)果存取時間為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，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。FPGA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（oE）、高字節(jié)使能（UB）、低字節(jié)使能（LB）。N08T1630ClBT的寫時序?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信號進(jìn)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(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，數(shù)據(jù)寫入SRAM，SRAM的地址位加一。

4．3計(jì)時器模塊

由于啟動靶和終止靶之間的距離5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￡，就可利用u=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(jì)數(shù)的計(jì)時器，便可得出子彈通過啟動靶和終止靶之間的時間。計(jì)數(shù)器的編程很簡單。在此就不再多作說明。

5．結(jié)論

通芒翌．激光測速靶數(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(kuò)展、體積小等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了測速靶的成本，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。