基于USB接口的炮彈測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引 言

　　目前彈丸初速測量的主要方法有激光測量法、紅外線測量法、線圈靶法。由于火藥氣體對光的污染，對激光測量法和紅外線測量法都有一定的影響，火炮的強(qiáng)大機(jī)械沖擊也會影響測量的性能;野外作業(yè)還需要測試系統(tǒng)便于攜帶。本文闡述從分立邏輯器件測量炮口初速改裝為應(yīng)用CPLD測量炮速，提高了測量系統(tǒng)的集成度，且傳輸接口采用的是目前流行的串行高速數(shù)據(jù)傳輸接口USB 2.O接口技術(shù)。該接口具有操作方便、速度快的特點(diǎn)，其理論最大傳輸速度為480 Mbps，故炮彈測速的可靠性和方便性大大提高，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 測量原理

　　首先要求在炮口的末端安裝兩個(gè)間距為s(20 cm)的感應(yīng)線圈靶;線靶傳感器輸出端以差分方式接至測量儀器上。打炮時(shí)，帶有磁性的彈丸出炮口，先后穿過感應(yīng)線圈靶，在感應(yīng)線圈靶中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在測量儀器輸入端會得到具有一定時(shí)間間隔(△t)的兩次突變信號，如圖1中A路信號和B路信號。兩次突變的信號經(jīng)調(diào)理整形后變成了脈沖信號，速度為ds/dt，彈丸的初速為V=s/△t。

　　時(shí)間間隔△t是通過計(jì)數(shù)的方式測量的，采用40 MHz的有源晶振作為計(jì)數(shù)脈沖源，計(jì)數(shù)的最小分辨率可達(dá)到O.25μs。測量原理如圖2所示。

　　2 系統(tǒng)方案及硬件實(shí)現(xiàn)

　　在圖1中，當(dāng)炮彈經(jīng)過線圈A和B時(shí)將產(chǎn)生一定脈沖幅度的感應(yīng)信號，并且這兩個(gè)信號之間有一定的時(shí)間間隔。調(diào)理部分即是將感應(yīng)信號整形為規(guī)則的方波，然后再輸入到測速模塊中去。測速模塊在完成速度測量后將結(jié)果由USB接口傳輸?shù)街骺刂婆_。由主控制臺軟件來進(jìn)行顯示和處理，如圖3所示。

　　2.1 調(diào)理模塊

　　彈丸穿過感應(yīng)線圈輸出的信號為ys(t)，信號幅度在150 mv左右。因?yàn)橥饨绲母蓴_(如溫度和電源的變化)，即使沒有彈丸穿過感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈上也有20 mV左右的隨機(jī)信號輸出.yn(t)，即背景噪聲。

　　感應(yīng)線圈輸出y(t)的表達(dá)式：

　　y(t)=ys(t)+yn(t)

　　實(shí)際上，輸出信號為感應(yīng)信號ys(t)和背景噪聲yn(t)的疊加。把彈丸穿過感應(yīng)線圈的有用信號和隨機(jī)背景噪聲分離的通常辦法有：閥值比較法、濾波處理和智能法。本系統(tǒng)選用了閥值比較法。它簡單明了，易于實(shí)現(xiàn)。

　　因?yàn)樽钋岸烁袘?yīng)線圈輸出的模擬信號微弱，所以調(diào)理模塊最前端選用了儀表運(yùn)放IN129，差模輸入。它輸入阻抗高，內(nèi)部包括三級運(yùn)放。后端采用高精密雙運(yùn)放AD712，它有輸入失調(diào)電壓小，輸入失調(diào)電壓漂移小的優(yōu)點(diǎn)，可以減小信號在傳輸放大過程中的失真。最后一級通過電壓比校器LM311來實(shí)現(xiàn)閥值比較。其中閥值是通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值。整個(gè)工作過程是炮彈通過線圈的感應(yīng)信號(150 mV左右)經(jīng)過高輸入阻抗的儀表運(yùn)放IN129后，再用高精密運(yùn)放AD712進(jìn)行一定倍數(shù)放大，最后和基準(zhǔn)電壓比較后整形輸出方波。輸出的方波信號直接作為計(jì)數(shù)的門控制。

　　2.2 測速模塊

　　要在啟停脈沖的控制下實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)主要三種方法：MCU(單片機(jī))實(shí)現(xiàn)、數(shù)字集成電路搭接、CPLD/FPGA硬件描述語言實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)定時(shí)器或中斷方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，單片機(jī)計(jì)數(shù)快慢受MCU的主頻限制，彈丸速度測量精度會受到影響。用數(shù)字集成塊搭接的方式過于繁瑣，且印制板體積會加大，影響穩(wěn)定性和集成度。本系統(tǒng)采用硬件描述語言在CPLD中實(shí)現(xiàn)的方式，集成度高，穩(wěn)定性好，且可以在不改動印制板的情況下實(shí)現(xiàn)硬件的升級。測速模塊是在Altera公司MAX3000A系列的EPM3128ATC144-10芯片中實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。其中主要的功能子模塊有：計(jì)數(shù)控制模塊、24位計(jì)數(shù)模塊、I2C收/發(fā)模塊。計(jì)數(shù)控制模塊收到開始計(jì)數(shù)信號(上升沿)后通知24位計(jì)數(shù)模塊開始清零、計(jì)數(shù)。當(dāng)停止信號到來時(shí)，計(jì)數(shù)停止并發(fā)出中斷請求，通知芯片CY7C68013的固件程序，固件程序通過I2C總線接收計(jì)數(shù)值，并等待下一次計(jì)數(shù)。

　　2.3 USB2.0接口芯片CY7C68013

　　CY7C68013芯片是Cypress Semiconductor公司推出的EZ-FX2系列高速USB2.0設(shè)備控制器，最高可支持480 Mbps(高速)操作。它集成了USB2.0收發(fā)器、SIE(串行接口引擎)、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口(GPIF、FIFO、I2C)。在上電時(shí)，CY7C68013芯片可通過I2C接口從外掛E2PROM中讀入固件程序，完成協(xié)議的自舉過程。如圖5所示，測量開始后，CY7C68013芯片在固件的控制下工作，當(dāng)收到中斷INT6，表示測量完成且轉(zhuǎn)換為24位計(jì)數(shù)值，固件程序通過I2C接口讀出24位計(jì)數(shù)值，即彈丸先后通過感應(yīng)線圈靶的時(shí)間間隔(△t)，然后通過USB接口上傳給上位機(jī)。連發(fā)測量時(shí)重復(fù)上述過程，只是CY7C68013每讀回一次數(shù)據(jù)都會把計(jì)數(shù)值清零，且允許下次計(jì)數(shù)。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)分為芯片CY7C68013固件程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，其中主要為固件程序設(shè)計(jì)，程序流程如圖6所示。固件程序的開發(fā)應(yīng)用Keil C51來完成，并且利用Hex2bix.exe在Keil C51的強(qiáng)大編譯環(huán)境下將HEX文件轉(zhuǎn)換成I2C文件，然后用EZ-USB Control Panel將I2C文件下載到E2PROM(24LC64)。在程序編寫中，先將端點(diǎn)2和4設(shè)為塊輸出，端點(diǎn)6和8設(shè)為塊輸入。

　　當(dāng)一發(fā)炮彈射出后，炮彈經(jīng)過前后線圈后產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)值，利用I2C總線讀出24位計(jì)數(shù)模塊的數(shù)據(jù)，分高、中、低8位分別送回CY7C68013，然后通過USB 2.0傳給上位機(jī)。

　　應(yīng)用程序使用Visual C++6.0開發(fā)工具。測試炮彈速度時(shí)，先單擊按鈕"準(zhǔn)備測試"，然后打炮N發(fā)(N≤20)，再單擊"測試完成"，炮彈速度就顯示在左邊文本框，從而實(shí)現(xiàn)單發(fā)或連發(fā)炮彈速度測量。新建MFC工程，在BOOL CUsbTestDlg：：OnInitDialog()中打開USB設(shè)備，得到端點(diǎn)信息。

　　送控制信息給端點(diǎn)2，固件程序根據(jù)所送之?dāng)?shù)進(jìn)行"準(zhǔn)備測試"或"測試完成"操作。

　　結(jié)語

　　隨著通用串行總線USB接口技術(shù)的發(fā)展，USB接口已被廣泛應(yīng)用于測試領(lǐng)域。本文介紹了一種應(yīng)用USB接口技術(shù)，并結(jié)合大規(guī)模集成電路和電子設(shè)計(jì)自動化技術(shù)的炮速測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在炮速測量中具有很高的實(shí)用價(jià)值，在實(shí)際使用中表現(xiàn)出較高的靈活性和穩(wěn)定性;加之優(yōu)良的性價(jià)比，這種實(shí)現(xiàn)方法在測試領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。