基于CPLD天幕靶抗外界干擾技術研究*

潘 登

(西安工業大學 西安 710021)

基于CPLD天幕靶抗外界干擾技術研究*

潘 登

(西安工業大學 西安 710021)

為了解決天幕靶輸出的目標信號容易受到外界干擾的難題,研究了天幕靶輸出真實的目標信號和外界干擾信號的特點,提出了基于CPLD建立抗干擾電路,可以對目標信號和干擾信號進行有效的區分,并通過仿真實驗和具體的應用證明了該方法能有效實現對真實目標的輸出和干擾目標信號的排除,提高了電路的抗干擾能力和天幕靶測量結果的可靠性和準確性。

靶場; CPLD; 抗干擾; 天幕靶

1 引言

天幕靶測量系統主要應用于靶場測試領域,可獲得準確的目標飛行參數[1]。由于天幕靶測量系統工作環境主要在野外,所以天幕靶的輸出信號容易受到蚊蟲、風沙等干擾,這給真實目標信號的提取帶來較大難度,影響著整個測試系統的準確性與穩定性,且傳統的天幕靶對目標識別方法是將光電探測器輸出的模擬信號經過多次放大,通過設定閾值電壓,當單元探測光幕輸出模擬信號的電壓值大于一定的閾值Vth時,就認為這個信號為目標信號,從而達到對目標的判斷[2],這種方法雖然簡單,但是無法實現對真實目標信號進行識別和對干擾目標信號的排除。為了解決上述的問題,本論文基于CPLD建立抗干擾電路,將光電探測器輸出變化的信號經過放大,整形等處理得到一個脈沖信號,通過計算該脈沖信號的寬度實現對真正目標信號的輸出和干擾信號的排除,提高天幕靶的抗干擾能力和測試結果的可靠性和準確性。

2 天幕靶輸出信號特性的研究

天幕靶是以光電傳感器為核心探測飛行目標參數的儀器[3]。天幕靶主要由透鏡、光電傳感器、狹縫光闌以及信號調理電路組成。在室外工作時,天幕靶以天空為背景光源,由于狹縫光闌的作用,天幕鏡頭的視場為一定厚度的扇形,通常稱為天幕,一旦彈丸進入天幕,遮住天幕投射到狹縫的部分光能而使光電探測器上的光電流發生變化,該變化信號經處理電路放大、整形后輸出一個脈沖信號,其工作原理如圖1所示。

圖1 天幕靶工作原理示意圖

通過理論分析可知,影響彈丸過靶信號脈沖寬度的因素包括:天幕在目標穿越位置上的厚度d,目標的飛行速度v,飛行目標的長度L,當有以目標穿過天幕靶的探測光幕,如圖2所示,信號脈沖寬度Δt的理論計算[8]:

(1)

圖2 目標信號處理后得到脈沖信號

由式(1)可知,由于飛行目標之間的長度和速度不同,遮擋住光幕的時間也就不相同,體現在電路中為信號經過比較器后形成的方波脈沖信號的脈沖寬度不一致[9]。在靶場測試時,蚊蟲的飛行速度比彈丸的速度低得多,蚊蟲穿過天幕靶的脈沖信號的寬度比彈丸產生的脈沖信號的的寬度要大的多,因此通過CPLD對電路輸出的脈沖寬度計數的方法可以實現對干擾信號排除。

根據靶場實測情況,某種彈丸穿過光幕產生的方波信號脈沖寬度基本都大于50μs且小于150μs,則可認為脈沖寬度大于150μs或小于50μs的信號為干擾信號。濾除蚊蟲和風沙干擾信號,以達到抗干擾目的。

基于CPLD設計的抗干擾電路中,光電探測器本省輸出含有一定的噪聲,經過多級放大之后,輸出信號的噪聲已經達到400mv左右,所以對目標過靶信號提取的過程中,必須設置一個比噪聲信號更大的比較門限[5]。本文將電路中比較器比較電壓的門限Vth設為500mv可有效排除噪聲信號,當有目標穿過天幕靶時,可以準確地提取相互目標信號。

3 利用CPLD實現濾波及抗干擾

天幕靶加入CPLD電路的主要功能是消除蚊蟲干擾,并把有效彈丸信號延時200μs后,將脈沖信號變成脈寬為50μs的信號輸出到下級處理電路。下面就如何實現濾波和抗干擾進行詳細介紹。

光電探測器輸出的信號經多級放大、整形后形成一個脈沖信號single,將真個脈沖信號single輸入到CPLD中進行處理。CPLD的晶振選取為10MHz,當有信號輸入到CPLD的146管腳,CPLD內部檢測到有脈沖信號的上升沿到來后,立馬啟動計時器工作,直到輸入信號single的下降沿到來或計時器技術計數值到達濾波信號的上限脈寬150μs,計數器停止技術,并判斷該脈沖信號的脈寬是否在設置的脈寬大于50μs且小于150μs之中,如果脈沖信號寬度在范圍內,證明該信號為正確的目標信號,延時到200μs后輸出脈寬為1ms脈沖信號到下級電路中;如果脈沖信號的脈寬不在范圍內,則CPLD內部的寄存器全部清零,等待下一個脈沖信號的到來。CPLD內部結構設計如圖3所示。

圖3 CPLD內部結構設計

Interfere1內部的程序如下:

module interfere1(clk,single,out);

inputsingle;

inputclk;

output out;

regtest1_0,test1_1;

reg[14:0] cnt;

reg[14:0] cnt_lock;

reg pos_lock,neg_lock;

reg [14:0] cnt_x;

reg [14:0] cnt_50us;

regcnt_200us_lock;

wirepos_test1,neg_test1;

wire out;

parameter cnt_200us = 14'd2000;

always @ (posedge clk )

begin

test1_0 <= single;

test1_1 <= test1_0;

end

assign pos_test1 = test1_0 & ～test1_1;

assign neg_test1 = ～test1_0 & test1_1;

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt = = 15'd1500)

begin

pos_lock <= 1'b0;

neg_lock <= 1'b0;

end

else if(pos_test1)

begin

pos_lock <= 1'b1;

neg_lock <= 1'b0;

end

else if(neg_test1)

begin

pos_lock <= 1'b0;

neg_lock <= 1'b1;

end

else

begin

pos_lock <= pos_lock;

neg_lock <= neg_lock;

end

end

always @ (posedge clk )

begin

if(pos_lock)

cnt <= cnt +1'b1;

else if(neg_lock)

cnt <= 15'b0;

else

cnt <= cnt;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(pos_test1)

cnt_lock <= 15'b0;

else if(cnt_x = = cnt_200us - cnt_lock)

cnt_lock <= 15'b0;

else if(neg_test1)

cnt_lock <= cnt;

else

cnt_lock <= cnt_lock;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt_x = = cnt_200us - cnt_lock)

cnt_x <= 15'b0;

else if(!single)

begin

if(cnt_lock > 15'd500 && cnt_lock < 15'd1500)

cnt_x <= cnt_x+1'b1;

else

cnt_x <= 15'd0;

end

else if(pos_lock)

cnt_x <= 1'b0;

else

cnt_x <= cnt_x;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt_50us = = 24'd500)

cnt_200us_lock <= 1'b0;

else if(cnt_x = = cnt_200us - cnt_lock)

cnt_200us_lock <=1'b1;

else

cnt_200us_lock <= cnt_200us_lock;

end

always @ (posedge clk )

begin

if(cnt_50us = = 15'd500)

cnt_50us <= 15'b0;

else if(cnt_200us_lock)

cnt_50us <= cnt_50us + 1'b1;

else

cnt_50us <= cnt_50us ;

end

assignout = (cnt_50us > 15'd1 && cnt_50us < 15'd500)? 1:0;

endmodule

4 仿真分析

通過仿真對天幕靶中CPLD電路進行功能性驗證,脈沖信號single的輸入信號加三個不同脈寬的信號,分別為194μs、123μs和34μs的脈沖信號,兩個為干擾信號,一個為真正的目標信號,其仿真結果如圖4所示,可以看出干擾信號只有輸入到CPLD的信號,沒有輸出CPLD的信號,而正確的目標信號進入CPLD后,將信號延時200μs后輸出脈沖,并將信號展寬到50μs。通過仿真分析可知,基于CPLD的天幕靶抗干擾電路完全滿足系統抗蚊蟲干擾的要求。

圖4 不同脈寬信號仿真結果

5 結語

CPLD具有體積小、功耗小、效率高、使用壽命長、可靠性高等特點,便于電路結構的集成化和小型化[7],并且通過上面的仿真結構和實際電路的測量結果證明了基于CPLD抗干擾電路的可行性和穩定性,對蚊蟲、風沙等干擾信號可以完全的濾除,保證了天幕靶測試結果的可靠性。

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版 權 聲 明

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《計算機與數字工程》編輯部

Technology of Anti-interference of Sky Screen Based on CPLD

PAN Deng

(Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

In order to solve the problem that the sky screen target output target signal is vulnerable to outside interference single, the characteristics of the real target signal and the interference signal output of sky screen is studied, anti-interference circuit based on CPLD is proposed, it can be effectively distinguished between the target signal and outside interference signal, and by simulation experiment and practical application, it is proved that the method can effectively achieve the output of the real target and the rejection of the target signal, this improves the anti-interference ability of the circuit and the measurement results of the reliability and accuracy of sky screen.

proving ground, CPLD, anti-interference, sky screen Class Number TP391

2016年10月14日,

2016年11月23日

潘登,男,碩士研究生,研究方向:目標檢測。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.013