基于FPGA的光電抗干擾電路設計方案

引言

光電靶測試系統(tǒng)是一種用于測量低伸彈道武器射擊密集度的測試系統(tǒng)，具有反映靈敏、精度高而穩(wěn)定、操作簡單、容易維護等優(yōu)點。然而，在實際測試中，光電靶會受到多種干擾，如沖擊波、蚊蟲等飛行物以及外界光線變化等，這些干擾會導致測試數(shù)據(jù)不準確甚至無法進行。因此，設計一種有效的抗干擾電路至關(guān)重要。本文將詳細介紹基于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的光電抗干擾電路設計方案，并詳細討論主控芯片的型號及其在設計中的作用。

光電靶的基本原理

光電靶的基本原理是：當光幕內(nèi)的光通量發(fā)生足夠大的變化時，光電傳感器會響應這種變化而產(chǎn)生電信號。具體來說，當物體穿過光幕時，會遮擋部分光線，導致光幕內(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。然而，一些非彈丸物體（如蚊蟲、細小塵埃等）在穿過光幕時也會使光通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生干擾信號。

光電靶的測試系統(tǒng)

紅外密集度光電立靶測試系統(tǒng)是一種新型的測試系統(tǒng)，它既可以測試無須進行任何特殊處理的金屬彈丸，又可以測試非金屬彈丸。該系統(tǒng)具有反映靈敏、精度高而穩(wěn)定、操作簡單、容易維護等優(yōu)點，已被許多靶場投入使用。

光電靶在工作時，光電傳感器響應光幕內(nèi)光通量的變化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?。?jīng)過放大后，電信號進入電壓比較器。當電信號的幅值高于預定基準時，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。由于隨同彈丸穿過光幕的細小物體和外界光線變化產(chǎn)生的信號幅值較小，通過對電壓比較器設置合適的比較門限，可以濾除這種信號。

干擾信號的分類與特點

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

1. 沖擊波信號：沖擊波以聲速傳播，當沖擊波穿過光幕時，會產(chǎn)生一個短暫的脈沖信號。由于沖擊波的傳播速度較快，其產(chǎn)生的脈沖信號寬度較窄。

2. 蚊蟲等飛行物產(chǎn)生的信號：蚊蟲等飛行物的飛行速度較慢，當其穿過光幕時，會遮擋較長時間的光線，從而產(chǎn)生一個較寬的脈沖信號。

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

FPGA在抗干擾電路中的應用

FPGA是一種現(xiàn)場可編程門陣列，具有高度的靈活性和可配置性。在光電抗干擾電路設計中，F(xiàn)PGA可以用于實現(xiàn)濾波、信號識別和處理等功能。

1. 濾波功能：FPGA可以通過編程實現(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。通過調(diào)整濾波器的參數(shù)，可以靈活地適應不同的干擾信號特點。

2. 信號識別功能：FPGA可以實現(xiàn)對輸入信號的實時識別和處理。通過比較輸入信號的脈寬、幅值等特征參數(shù)，可以區(qū)分有效信號和干擾信號。

3. 處理功能：FPGA可以對識別出的有效信號進行進一步的處理，如放大、整形、計數(shù)等，以滿足后續(xù)電路的需求。

主控芯片型號及其在設計中的作用

在基于FPGA的光電抗干擾電路設計中，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及其在設計中的作用：

1. EPM7128SLC84-15芯片

   型號介紹：EPM7128SLC84-15是MAX7000系列的一款FPGA芯片，具有128個宏單元、4個全局時鐘引腳和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。

   設計中的作用：在光電抗干擾電路設計中，EPM7128SLC84-15芯片作為主控芯片，負責實現(xiàn)濾波、信號識別和處理等功能。通過編程，該芯片可以實現(xiàn)對輸入信號的實時處理，濾除干擾信號，提取有效信號，并將其輸出給后續(xù)電路。

   具體實現(xiàn)：

• 濾波功能：利用FPGA內(nèi)部的邏輯單元和寄存器，實現(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。

• 信號識別功能：通過比較輸入信號的脈寬和幅值等特征參數(shù)，區(qū)分有效信號和干擾信號。可以設置合適的閾值，當輸入信號的脈寬和幅值滿足一定條件時，認為是有效信號；否則，認為是干擾信號。

• 處理功能：對識別出的有效信號進行放大、整形等處理，以滿足后續(xù)電路的需求。同時，可以通過計數(shù)器等功能模塊，對有效信號進行計數(shù)和統(tǒng)計。

2. ALTERA Cyclone IV系列芯片

   型號介紹：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。該系列芯片支持多種編程語言和開發(fā)工具，方便用戶進行設計和調(diào)試。

   設計中的作用：在光電抗干擾電路設計中，ALTERA Cyclone IV系列芯片可以作為主控芯片，實現(xiàn)更復雜的濾波、信號識別和處理功能。與EPM7128SLC84-15相比，該系列芯片具有更高的性能和更多的資源，可以適應更復雜的測試需求。

   具體實現(xiàn)：

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

• 復雜信號識別功能：通過編程實現(xiàn)更復雜的信號識別算法，如模式識別、機器學習等，以更準確地識別有效信號和干擾信號。

• 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，可以對識別出的有效信號進行實時處理和分析，如頻譜分析、波形生成等。

3. Xilinx Virtex系列芯片

   型號介紹：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。該系列芯片支持多種編程語言和開發(fā)工具，并提供了豐富的IP核和接口資源。

   設計中的作用：在光電抗干擾電路設計中，Xilinx Virtex系列芯片可以作為主控芯片，實現(xiàn)更高級別的信號處理和系統(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大，可以適應更復雜和更高級別的測試需求。

   具體實現(xiàn)：

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

• 系統(tǒng)控制功能：通過編程實現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯，如時序控制、狀態(tài)機設計等，以實現(xiàn)對整個測試系統(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備進行數(shù)據(jù)交換和通信。

電路設計與實現(xiàn)

基于FPGA的光電抗干擾電路設計主要包括以下幾個部分：信號輸入模塊、濾波模塊、信號識別模塊、處理模塊和輸出模塊。

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

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

3. 信號識別模塊：通過比較輸入信號的脈寬和幅值等特征參數(shù)，區(qū)分有效信號和干擾信號?？梢栽O置合適的閾值和判斷條件，以實現(xiàn)準確的信號識別。

4. 處理模塊：對識別出的有效信號進行放大、整形等處理，以滿足后續(xù)電路的需求。同時，可以通過計數(shù)器等功能模塊對有效信號進行計數(shù)和統(tǒng)計。

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

電路仿真與測試

在完成電路設計后，需要進行電路仿真和測試以驗證其性能和可靠性?？梢圆捎脤I(yè)的仿真軟件（如ModelSim等）進行電路仿真，觀察各模塊的輸出波形和信號質(zhì)量。同時，可以在實際測試環(huán)境中進行電路測試，記錄測試數(shù)據(jù)和結(jié)果，并進行分析和評估。

結(jié)論

基于FPGA的光電抗干擾電路設計方案具有高度的靈活性和可配置性，可以適應不同的測試需求和干擾環(huán)境。通過選擇合適的主控芯片和設計方案，可以實現(xiàn)有效的濾波、信號識別和處理功能，提高測試系統(tǒng)的準確性和可靠性。未來，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計方案將具有更廣泛的應用前景和發(fā)展空間。