基于USB接口的炮弹测速系统设计
发布时间:2008/6/2 0:00:00 访问次数:508
目前弹丸初速测量的主要方法有激光测量法、红外线测量法、线圈靶法。由于火药气体对光的污染，对激光测量法和红外线测量法都有一定的影响，火炮的强大机械冲击也会影响测量的性能;野外作业还需要测试系统便于携带。本文阐述从分立逻辑器件测量炮口初速改装为应用cpld测量炮速，提高了测量系统的集成度，且传输接口采用的是目前流行的串行高速数据传输接口usb 2.o接口技术。该接口具有操作方便、速度快的特点，其理论最大传输速度为480 mbps，故炮弹测速的可靠性和方便性大大提高，具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。
1 测量原理
首先要求在炮口的末端安装两个间距为s(20 cm)的感应线圈靶;线靶传感器输出端以差分方式接至测量仪器上。打炮时，带有磁性的弹丸出炮口，先后穿过感应线圈靶，在感应线圈靶中产生感应电动势。在测量仪器输入端会得到具有一定时间间隔(△t)的两次突变信号，如图1中a路信号和b路信号。两次突变的信号经调理整形后变成了脉冲信号，速度为ds/dt，弹丸的初速为v=s/△t。
时间间隔△t是通过计数的方式测量的，采用40 mhz的有源晶振作为计数脉冲源，计数的最小分辨率可达到o.25μs。测量原理如图2所示。
2 系统方案及硬件实现
在图1中，当炮弹经过线圈a和b时将产生一定脉冲幅度的感应信号，并且这两个信号之间有一定的时间间隔。调理部分即是将感应信号整形为规则的方波，然后再输入到测速模块中去。测速模块在完成速度测量后将结果由usb接口传输到主控制台。由主控制台软件来进行显示和处理，如图3所示。
2.1 调理模块
弹丸穿过感应线圈输出的信号为ys(t)，信号幅度在150 mv左右。因为外界的干扰(如温度和电源的变化)，即使没有弹丸穿过感应线圈，感应线圈上也有20 mv左右的随机信号输出.yn(t)，即背景噪声。
感应线圈输出y(t)的表达式：
y(t)=ys(t)+yn(t)
实际上，输出信号为感应信号ys(t)和背景噪声yn(t)的叠加。把弹丸穿过感应线圈的有用信号和随机背景噪声分离的通常办法有：阀值比较法、滤波处理和智能法。本系统选用了阀值比较法。它简单明了，易于实现。
因为最前端感应线圈输出的模拟信号微弱，所以调理模块最前端选用了仪表运放in129，差模输入。它输入阻抗高，内部包括三级运放。后端采用高精密双运放ad712，它有输入失调电压小，输入失调电压漂移小的优点，可以减小信号在传输放大过程中的失真。最后一级通过电压比校器lm311来实现阀值比较。其中阀值是通过理论计算和实验得出的经验值。整个工作过程是炮弹通过线圈的感应信号(150 mv左右)经过高输入阻抗的仪表运放in129后，再用高精密运放ad712进行一定倍数放大，最后和基准电压比较后整形输出方波。输出的方波信号直接作为计数的门控制。
2.2 测速模块
要在启停脉冲的控制下实现计数主要三种方法：mcu(单片机)实现、数字集成电路搭接、cpld/fpga硬件描述语言实现。用单片机定时器或中断方式实现时，单片机计数快慢受mcu的主频限制，弹丸速度测量精度会受到影响。用数字集成块搭接的方式过于繁琐，且印制板体积会加大，影响稳定性和集成度。本系统采用硬件描述语言在cpld中实现的方式，集成度高，稳定性好，且可以在不改动印制板的情况下实现硬件的升级。测
目前弹丸初速测量的主要方法有激光测量法、红外线测量法、线圈靶法。由于火药气体对光的污染，对激光测量法和红外线测量法都有一定的影响，火炮的强大机械冲击也会影响测量的性能;野外作业还需要测试系统便于携带。本文阐述从分立逻辑器件测量炮口初速改装为应用cpld测量炮速，提高了测量系统的集成度，且传输接口采用的是目前流行的串行高速数据传输接口usb 2.o接口技术。该接口具有操作方便、速度快的特点，其理论最大传输速度为480 mbps，故炮弹测速的可靠性和方便性大大提高，具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。
1 测量原理
首先要求在炮口的末端安装两个间距为s(20 cm)的感应线圈靶;线靶传感器输出端以差分方式接至测量仪器上。打炮时，带有磁性的弹丸出炮口，先后穿过感应线圈靶，在感应线圈靶中产生感应电动势。在测量仪器输入端会得到具有一定时间间隔(△t)的两次突变信号，如图1中a路信号和b路信号。两次突变的信号经调理整形后变成了脉冲信号，速度为ds/dt，弹丸的初速为v=s/△t。
时间间隔△t是通过计数的方式测量的，采用40 mhz的有源晶振作为计数脉冲源，计数的最小分辨率可达到o.25μs。测量原理如图2所示。
2 系统方案及硬件实现
在图1中，当炮弹经过线圈a和b时将产生一定脉冲幅度的感应信号，并且这两个信号之间有一定的时间间隔。调理部分即是将感应信号整形为规则的方波，然后再输入到测速模块中去。测速模块在完成速度测量后将结果由usb接口传输到主控制台。由主控制台软件来进行显示和处理，如图3所示。
2.1 调理模块
弹丸穿过感应线圈输出的信号为ys(t)，信号幅度在150 mv左右。因为外界的干扰(如温度和电源的变化)，即使没有弹丸穿过感应线圈，感应线圈上也有20 mv左右的随机信号输出.yn(t)，即背景噪声。
感应线圈输出y(t)的表达式：
y(t)=ys(t)+yn(t)
实际上，输出信号为感应信号ys(t)和背景噪声yn(t)的叠加。把弹丸穿过感应线圈的有用信号和随机背景噪声分离的通常办法有：阀值比较法、滤波处理和智能法。本系统选用了阀值比较法。它简单明了，易于实现。
因为最前端感应线圈输出的模拟信号微弱，所以调理模块最前端选用了仪表运放in129，差模输入。它输入阻抗高，内部包括三级运放。后端采用高精密双运放ad712，它有输入失调电压小，输入失调电压漂移小的优点，可以减小信号在传输放大过程中的失真。最后一级通过电压比校器lm311来实现阀值比较。其中阀值是通过理论计算和实验得出的经验值。整个工作过程是炮弹通过线圈的感应信号(150 mv左右)经过高输入阻抗的仪表运放in129后，再用高精密运放ad712进行一定倍数放大，最后和基准电压比较后整形输出方波。输出的方波信号直接作为计数的门控制。
2.2 测速模块
要在启停脉冲的控制下实现计数主要三种方法：mcu(单片机)实现、数字集成电路搭接、cpld/fpga硬件描述语言实现。用单片机定时器或中断方式实现时，单片机计数快慢受mcu的主频限制，弹丸速度测量精度会受到影响。用数字集成块搭接的方式过于繁琐，且印制板体积会加大，影响稳定性和集成度。本系统采用硬件描述语言在cpld中实现的方式，集成度高，稳定性好，且可以在不改动印制板的情况下实现硬件的升级。测
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