基于FPGA+PXI的破片測速系統設計

謝虎

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京210094）

基于FPGA+PXI的破片測速系統設計

謝虎

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京210094）

為了對各類武器系統的靜、動爆破片速度進行定量評定，設計出一種基于FPGA+PXI多路計時系統的破片測速系統設計方法。系統硬件上采用了FPGA+PXI多路計時系統的架構，軟件上采用Labview設計出破片速度測量及分析軟件。系統經過多次破片速度試驗檢測，穩定可靠，可以實現破片飛行速度的測量。

破片測速；FPGA；PXI多路計時系統；Labview

戰斗部利用爆炸后產生的破片殺傷和摧毀目標，因此，破片的飛行速度是衡量戰斗部爆炸效能的一個重要參數[1]。破片速度測試系統為常規兵器試驗、各型預制破片戰斗部的靜、動爆試驗、定向發射裝置破片飛行速度試驗中破片速度及其分布規律的測量提供定量測試手段，可用于預制破片戰斗部、槍彈、小口徑炮彈等靜、動爆試驗中破片飛行速度的測量[2]。系統設計目標是用于先進彈藥、戰斗部在研發、交驗、考核測試試驗的破片速度參量測量，此類試驗往往伴隨著高溫、高壓、振動沖擊等惡劣環境[3]，因此系統在設計中充分考慮到系統的通用性、先進性，并同時保證系統的可靠性、穩定性、實用性、可操作性、可維護性及擴展性。

1 破片速度測試系統原理

1.1 總體方案

“破片速度測試系統”由通斷靶（鋁箔靶及梳狀靶）[4]及安裝支架、通斷靶信號調理器、同步觸發器、基于PXI的多路計時系統、破片速度測量檢測及分析軟件、設備模擬校驗器等6個分系統構成。

通斷靶（鋁箔靶及梳狀靶）及安裝支架用于布靶及過靶信號產生，通斷靶信號調理器用于過靶信號整形，同步觸發器用于產生同步脈沖，基于PXI的多路計時系統用于多通道破片飛行時間測量，破片速度測量檢測及分析軟件用于系統設置、數據分析及計算，設備模擬校驗器用于同步信號與過靶模擬、設備檢測、校準和試驗前的設備工作狀態檢查。系統總體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案框圖

1.2 系統工作原理

破片速度測試系統實現破片速度測試的方式有2種：一種是戰斗部預制破片速度測試；另一種是定向破片速度測試。具體實現方法如下。

1）戰斗部預制破片速度測試

在破片速度測量檢測及分析軟件中選擇測速模式為戰斗部預制破片速度測試模式；根據測試要求在不同方位φi上設置通斷靶，并將各通斷靶輸出信號、同步觸發器產生的測速開始信號S連接至PXI多路計時系統中不同的測速通道CHi；測量破片發射裝置或戰斗部與各通斷靶之間的距離Li；在破片速度測量檢測及分析軟件上完成各通斷靶方位φi、距離Li與計時系統計數頻率f的設置。由通斷靶方位φi、距離Li即可實現通斷靶布設情況的可視化顯示。不同飛散方位上的破片初速測量示意圖如圖2所示。

圖2 不同飛散方位上的破片初速測量示意圖（頂示圖）

設置完成后即可啟動速度測試。破片發射或戰斗部起爆時發出測速開始信號，該信號清0并啟動PXI多路計時系統中的32位定時器；破片穿過通斷靶時對應的通斷靶產生過靶信號TRi，TRi經通斷靶信號調理器整形后通過測速線送入PXI多路計時系統，PXI多路計時系統讀取與TRi對應的定時器計數值ni并將其送入破片速度測量檢測及分析軟件，破片速度測量檢測及分析軟件由計數值ni以及計數時鐘頻率f計算得到破片飛行至各通斷靶時的時間ti：

忽略重力對破片速度及破片運動方向的影響，根據Newton阻力定律，可以計算得到破片速度Vi。

由 φi、S、TRi即可實現各通道 CHi信號波形的顯示。φi、S、TRi、Vi等數據在測試結束后自動保存，并可生成報表。

2）定向破片速度測試

在破片速度測量檢測及分析軟件中選擇測速模式為定向破片速度測試模式；在距離破片發射裝置或戰斗部Ri處依次設置2個通斷靶，較近的通斷靶（前靶）的過靶信號作為開始測速信號Si，較遠的通斷靶（后靶）的過靶信號作為讀定時器信號TRi，Si信號和TRi連接到PXI多路計時系統中的測速通道CHi；測量2個通斷靶之間的距離Li；在破片速度測量檢測及分析軟件上完成測速通道CHi、靶間距離Li與計時系統計數信號頻率f的設置。由測速通道CHi布靶距離Ri、靶間距離Li即可實現通斷靶布設情況的可視化顯示。不同飛行距離Ri處的破片速度測量示意圖如圖3所示。

圖3 不同飛行距離Ri處的破片速度測量示意圖

設置完成后即可啟動速度測試。破片發射或戰斗部起爆后，破片穿過前靶時，Si信號清0并啟動PXI多路計時系統中CHi通道的32位定時器；破片穿過后靶時，TRi信號經通斷靶信號調理器整形后通過測速線送入PXI多路計時系統CHi通道，PXI多路計時系統讀取與TRi信號對應的定時器計數值ni并將其送入破片速度測量檢測及分析軟件，破片速度測量檢測及分析軟件由計數值ni以及計數時鐘頻率f計算得到破片在兩通斷靶之間的飛行時間ti：

進而得到破片在距離Ri處的速度Vi為：

由Si、TRi即可實現各通道CHi信號波形的顯示。類似的，在不同距離Ri處按上述方法成對設置通斷靶，可實現不同距離Ri處的速度Vi測量。由不同距離Ri處的速度測量結果Vi，可繪制并顯示距離-破片速度曲線圖，實現速度衰減特性分析。CHi、Si、TRi、Ri、Li、Vi等數據在測試結束后自動保存，并可生成報表。

2 關鍵分系統功能設計

2.1 同步觸發控制器

彈藥（戰斗部、云爆彈、溫壓彈等）爆炸試驗的成本是非常高的[5]，如果試驗沒有采集到數據則損失是非常巨大的，因此必須使數據采集系統可靠觸發。常用數據采集系統中默認的觸發模式包括內觸發、手動觸發模式及外觸發模式[6]。

內觸發模式下，硬件判斷當前溫度信號的幅值是否大于預設閾值，如果大于閾值條件，則采集系統開始采集存儲數據，該觸發模式可靠性稍差，存在高于或低于閾值電平觸發的情況。

手動觸發需要手動點擊軟件中開始和停止采集按鈕才能開始和停止數據采集和存盤工作，實際瞬態工況下不可能實現，相比之下，外觸發模式最為可靠也最為常用；另外，爆炸場通常存在多臺數據采集系統，用于測試爆炸場不同的參量，如沖擊波信號采集、破片速度信號采集以及高速相機、紅外熱像儀等[7]，多臺設備之間需要統一的時基信號，保持各臺設備時基同步。因此系統中要配有外觸發同步控制器，捕捉爆炸時刻產生外觸發信號，提供給爆炸場測試的多臺數據采集系統。調試完成后，人員撤離爆炸現場，爆心起爆，同步觸發控制器通過通斷靶感應爆炸時刻，外觸發同步控制器產生同步觸發信號給數據采集系統，數據采集系統采集、顯示溫度信號，并將數據保存至硬盤，提供后期的數據分析處理[8]。同步觸發控制器的工作過程如圖4所示。

圖4 同步觸發控制器工作過程圖

2.2 設備模擬校驗器

由破片速度測試原理可知，破片速度測試系統速度測試正確與否取決于其對通斷靶過靶信號間隔測量是否準確[9]，因此可設計一測速系統檢驗設備，該設備能夠基于高精度的時鐘信號產生固定周期的多路脈沖信號，脈沖信號通過信號調理器輸入測速系統，啟動測速軟件系統自檢功能對相鄰兩路脈沖信號前沿進行計時，若計時結果與校驗設備輸出信號周期相同，則說明系統工作正常[10]。其功能框圖如圖5所示。

設備模擬校驗器采用Xilinx公司Virtex-Ⅱ系列FPGA實現[11]，FPGA模塊基于高精度晶振信號產生32個通道的脈沖信號，各通道的2路脈沖信號前沿時間差由用戶通過按鍵進行設置，如可循環設置為1 ms、2 ms、…、8 ms，當前設置通過 led 進行顯示[12]。

圖5 設備模擬校驗器功能框圖

3 系統軟件設計

破片速度測量檢測及分析軟件采用Labview設計[13]，可完成基于PXI的多路計時系統的硬件控制、數據的采集、回放及處理功能。軟件采用模塊化設計，界面簡單、直觀，操作方便，并留有一定的擴展空間。在主界面上可完成通斷靶的模擬布點，可直觀地看到現場通斷靶的布設情況。在波形顯示界面上可以控制采集開始、波形顯示、數據分析與計算、數據保存、報表生成等[14]。軟件的運行環境為Windows XP或Windows 2000以上的操作系統，軟件可免費升級。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

軟件可完成以下主要功能：

結合模擬校驗器完成設備校驗與工作狀態檢測；兩種測速模式選擇與設置；與測速模式對應的通斷靶布設參數設置；通斷靶布設情況可視化顯示；同步信號、過靶信號采集與破片速度測量；同步信號、過靶信號波形顯示；測量結果顯示與存儲；數據分析與計算；數據保存與報表生成[15]。軟件主界面設計示意圖如圖7所示。

4 結束語

破片速度測試系統充分利用了FPGA與PXI計時系統的優點，在基于FPGA+PXI計時系統的平臺上設計出破片速度測試系統，利用Labview設計出可視化交互程序。系統經過試驗測試，能夠順利完成破片測速任務。系統設計結構清晰、條理嚴謹、程序簡單可靠，這種設計思想對破片測速系統及同類設計具有較大的參考意義。

圖7 破片速度測量檢測及分析軟件主界面設計圖

[1]李鐵鵬.戰斗部破片初速分布及空間數量分布[D].南京:南京理工大學，1998.

[2]劉吉，趙冬娥，于麗霞，等.激光光幕戰斗部破片速度測試系統的信號處理[J].彈箭與制導學報，2013，33（2）:49-51.

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Design of velocity-measuring system based on FPGA+PXI

XIE Hu
（School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In order to quantitatively evaluate static and dynamic fragment velocity of all kinds of weapons system，a method to design the system based on FPGA+PXI multi timing system is presented.The FPGA+PXI multi timing system is adopted for the hardware of the system.As for the software，Labview is employed to design the software of fragment velocity measurement and analysis.The system works well in the field experiments for the fragment velocity-measuring test.The starting velocity was acquired by the system.

fragment velocity measurement；FPGA；PXI multi timing system；Labview

TN410

A

1674－6236（2017）16-0090-04

2016-08-20稿件編號：201608148

謝 虎（1990—），男，江蘇南京人，碩士，助理工程師。研究方向：信號與信息處理、引戰可視化仿真。