基于FPGA的光電抗干擾電路設(shè)計(jì)方案

引言

光電靶測(cè)試系統(tǒng)是一種用于測(cè)量低伸彈道武器射擊密集度的測(cè)試系統(tǒng)，具有反映靈敏、精度高而穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然而，在實(shí)際測(cè)試中，光電靶會(huì)受到多種干擾，如沖擊波、蚊蟲(chóng)等飛行物以及外界光線變化等，這些干擾會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確甚至無(wú)法進(jìn)行。因此，設(shè)計(jì)一種有效的抗干擾電路至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹基于FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）的光電抗干擾電路設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)討論主控芯片的型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用。

光電靶的基本原理

光電靶的基本原理是：當(dāng)光幕內(nèi)的光通量發(fā)生足夠大的變化時(shí)，光電傳感器會(huì)響應(yīng)這種變化而產(chǎn)生電信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)物體穿過(guò)光幕時(shí)，會(huì)遮擋部分光線，導(dǎo)致光幕內(nèi)的光通量發(fā)生變化，光電傳感器將這種變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。然而，一些非彈丸物體（如蚊蟲(chóng)、細(xì)小塵埃等）在穿過(guò)光幕時(shí)也會(huì)使光通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生干擾信號(hào)。

光電靶的測(cè)試系統(tǒng)

紅外密集度光電立靶測(cè)試系統(tǒng)是一種新型的測(cè)試系統(tǒng)，它既可以測(cè)試無(wú)須進(jìn)行任何特殊處理的金屬?gòu)椡?，又可以測(cè)試非金屬?gòu)椡?。該系統(tǒng)具有反映靈敏、精度高而穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已被許多靶場(chǎng)投入使用。

光電靶在工作時(shí)，光電傳感器響應(yīng)光幕內(nèi)光通量的變化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)。經(jīng)過(guò)放大后，電信號(hào)進(jìn)入電壓比較器。當(dāng)電信號(hào)的幅值高于預(yù)定基準(zhǔn)時(shí)，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。由于隨同彈丸穿過(guò)光幕的細(xì)小物體和外界光線變化產(chǎn)生的信號(hào)幅值較小，通過(guò)對(duì)電壓比較器設(shè)置合適的比較門(mén)限，可以濾除這種信號(hào)。

干擾信號(hào)的分類與特點(diǎn)

在光電靶測(cè)試中，常見(jiàn)的干擾信號(hào)主要包括沖擊波信號(hào)、蚊蟲(chóng)等飛行物產(chǎn)生的信號(hào)以及外界光線變化產(chǎn)生的信號(hào)。

1. 沖擊波信號(hào)：沖擊波以聲速傳播，當(dāng)沖擊波穿過(guò)光幕時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短暫的脈沖信號(hào)。由于沖擊波的傳播速度較快，其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)寬度較窄。

2. 蚊蟲(chóng)等飛行物產(chǎn)生的信號(hào)：蚊蟲(chóng)等飛行物的飛行速度較慢，當(dāng)其穿過(guò)光幕時(shí)，會(huì)遮擋較長(zhǎng)時(shí)間的光線，從而產(chǎn)生一個(gè)較寬的脈沖信號(hào)。

3. 外界光線變化產(chǎn)生的信號(hào)：外界光線變化（如陽(yáng)光照射、云層遮擋等）會(huì)導(dǎo)致光幕內(nèi)的光通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生干擾信號(hào)。這種信號(hào)通常具有隨機(jī)性和不確定性。

FPGA在抗干擾電路中的應(yīng)用

FPGA是一種現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，具有高度的靈活性和可配置性。在光電抗干擾電路設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA可以用于實(shí)現(xiàn)濾波、信號(hào)識(shí)別和處理等功能。

1. 濾波功能：FPGA可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種濾波器（如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等），用于濾除干擾信號(hào)。通過(guò)調(diào)整濾波器的參數(shù)，可以靈活地適應(yīng)不同的干擾信號(hào)特點(diǎn)。

2. 信號(hào)識(shí)別功能：FPGA可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)識(shí)別和處理。通過(guò)比較輸入信號(hào)的脈寬、幅值等特征參數(shù)，可以區(qū)分有效信號(hào)和干擾信號(hào)。

3. 處理功能：FPGA可以對(duì)識(shí)別出的有效信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如放大、整形、計(jì)數(shù)等，以滿足后續(xù)電路的需求。

主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

在基于FPGA的光電抗干擾電路設(shè)計(jì)中，主控芯片的選擇至關(guān)重要。以下是幾種常用的主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用：

1. EPM7128SLC84-15芯片

   型號(hào)介紹：EPM7128SLC84-15是MAX7000系列的一款FPGA芯片，具有128個(gè)宏單元、4個(gè)全局時(shí)鐘引腳和8Kbit的RAM。該芯片采用CMOS工藝制造，具有低功耗、高性能和可編程性等優(yōu)點(diǎn)。

   設(shè)計(jì)中的作用：在光電抗干擾電路設(shè)計(jì)中，EPM7128SLC84-15芯片作為主控芯片，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)濾波、信號(hào)識(shí)別和處理等功能。通過(guò)編程，該芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，濾除干擾信號(hào)，提取有效信號(hào)，并將其輸出給后續(xù)電路。

   具體實(shí)現(xiàn)：

• 濾波功能：利用FPGA內(nèi)部的邏輯單元和寄存器，實(shí)現(xiàn)低通濾波器或帶通濾波器，用于濾除高頻噪聲和干擾信號(hào)。

• 信號(hào)識(shí)別功能：通過(guò)比較輸入信號(hào)的脈寬和幅值等特征參數(shù)，區(qū)分有效信號(hào)和干擾信號(hào)。可以設(shè)置合適的閾值，當(dāng)輸入信號(hào)的脈寬和幅值滿足一定條件時(shí)，認(rèn)為是有效信號(hào)；否則，認(rèn)為是干擾信號(hào)。

• 處理功能：對(duì)識(shí)別出的有效信號(hào)進(jìn)行放大、整形等處理，以滿足后續(xù)電路的需求。同時(shí)，可以通過(guò)計(jì)數(shù)器等功能模塊，對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)。

2. ALTERA Cyclone IV系列芯片

   型號(hào)介紹：ALTERA Cyclone IV系列是ALTERA公司推出的一款高性能FPGA芯片，具有高密度、低功耗和高速接口等優(yōu)點(diǎn)。該系列芯片支持多種編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具，方便用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。

   設(shè)計(jì)中的作用：在光電抗干擾電路設(shè)計(jì)中，ALTERA Cyclone IV系列芯片可以作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的濾波、信號(hào)識(shí)別和處理功能。與EPM7128SLC84-15相比，該系列芯片具有更高的性能和更多的資源，可以適應(yīng)更復(fù)雜的測(cè)試需求。

   具體實(shí)現(xiàn)：

• 高級(jí)濾波功能：利用ALTERA Cyclone IV系列芯片內(nèi)部的DSP模塊和高速乘法器，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的濾波算法，如自適應(yīng)濾波、卡爾曼濾波等，以提高濾波效果和抗干擾能力。

• 復(fù)雜信號(hào)識(shí)別功能：通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的信號(hào)識(shí)別算法，如模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等，以更準(zhǔn)確地識(shí)別有效信號(hào)和干擾信號(hào)。

• 高速數(shù)據(jù)處理功能：ALTERA Cyclone IV系列芯片具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，可以對(duì)識(shí)別出的有效信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，如頻譜分析、波形生成等。

3. Xilinx Virtex系列芯片

   型號(hào)介紹：Xilinx Virtex系列是Xilinx公司推出的一款高性能FPGA芯片，具有高性能、高可靠性和可編程性等優(yōu)點(diǎn)。該系列芯片支持多種編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具，并提供了豐富的IP核和接口資源。

   設(shè)計(jì)中的作用：在光電抗干擾電路設(shè)計(jì)中，Xilinx Virtex系列芯片可以作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的信號(hào)處理和系統(tǒng)控制功能。與ALTERA Cyclone IV系列芯片相比，該系列芯片在性能和資源方面更為強(qiáng)大，可以適應(yīng)更復(fù)雜和更高級(jí)別的測(cè)試需求。

   具體實(shí)現(xiàn)：

• 高級(jí)信號(hào)處理功能：利用Xilinx Virtex系列芯片內(nèi)部的DSP模塊和高速乘法器，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的信號(hào)處理算法，如快速傅里葉變換（FFT）、小波變換等，以提高信號(hào)處理的精度和效率。

• 系統(tǒng)控制功能：通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯，如時(shí)序控制、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制和調(diào)度。

• 高速接口和通信功能：Xilinx Virtex系列芯片提供了豐富的高速接口和通信資源，如PCIe、Gigabit Ethernet等，可以方便地與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。

電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于FPGA的光電抗干擾電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：信號(hào)輸入模塊、濾波模塊、信號(hào)識(shí)別模塊、處理模塊和輸出模塊。

1. 信號(hào)輸入模塊：負(fù)責(zé)接收光電傳感器輸出的電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為FPGA可以處理的數(shù)字信號(hào)。該模塊可以采用ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）等器件實(shí)現(xiàn)。

2. 濾波模塊：利用FPGA內(nèi)部的邏輯單元和寄存器實(shí)現(xiàn)濾波器功能，用于濾除高頻噪聲和干擾信號(hào)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需求選擇合適的濾波器類型和參數(shù)。

3. 信號(hào)識(shí)別模塊：通過(guò)比較輸入信號(hào)的脈寬和幅值等特征參數(shù)，區(qū)分有效信號(hào)和干擾信號(hào)?？梢栽O(shè)置合適的閾值和判斷條件，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)識(shí)別。

4. 處理模塊：對(duì)識(shí)別出的有效信號(hào)進(jìn)行放大、整形等處理，以滿足后續(xù)電路的需求。同時(shí)，可以通過(guò)計(jì)數(shù)器等功能模塊對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)。

5. 輸出模塊：將處理后的有效信號(hào)輸出給后續(xù)電路或設(shè)備?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需求選擇合適的輸出方式和接口。

電路仿真與測(cè)試

在完成電路設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行電路仿真和測(cè)試以驗(yàn)證其性能和可靠性。可以采用專業(yè)的仿真軟件（如ModelSim等）進(jìn)行電路仿真，觀察各模塊的輸出波形和信號(hào)質(zhì)量。同時(shí)，可以在實(shí)際測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行電路測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果，并進(jìn)行分析和評(píng)估。

結(jié)論

基于FPGA的光電抗干擾電路設(shè)計(jì)方案具有高度的靈活性和可配置性，可以適應(yīng)不同的測(cè)試需求和干擾環(huán)境。通過(guò)選擇合適的主控芯片和設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)有效的濾波、信號(hào)識(shí)別和處理功能，提高測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。未來(lái)，隨著FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，基于FPGA的光電抗干擾電路設(shè)計(jì)方案將具有更廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。