基于USB接口的炮弹测速系统设计

引 言 
    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。测速模块是在Altera公司MAX3000A系列的EPM3128ATC144-10芯片中实现，如图4所示。其中主要的功能子模块有：计数控制模块、24位计数模块、I2C收／发模块。计数控制模块收到开始计数信号（上升沿）后通知24位计数模块开始清零、计数。当停止信号到来时，计数停止并发出中断请求，通知芯片CY7C68013的固件程序，固件程序通过I2C总线接收计数值，并等待下一次计数。 
　　2.3 USB2.0接口芯片CY7C68013  
　　CY7C68013芯片是Cypress Semiconductor公司推出的EZ-FX2系列高速USB2．0设备控制器，最高可支持480 Mbps（高速）操作。它集成了USB2．0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口（GPIF、FIFO、I2C）。在上电时，CY7C68013芯片可通过I2C接口从外挂E2PROM中读入固件程序，完成协议的自举过程。如图5所示，测量开始后，CY7C68013芯片在固件的控制下工作，当收到中断INT6，表示测量完成且转换为24位计数值，固件程序通过I2C接口读出24位计数值，即弹丸先后通过感应线圈靶的时间间隔（△t），然后通过USB接口上传给上位机。连发测量时重复上述过程，只是CY7C68013每读回一次数据都会把计数值清零，且允许下次计数。 

 
3 软件设计 
　　软件设计分为芯片CY7C68013固件程序设计和上位机应用软件设计，其中主要为固件程序设计，程序流程如图6所示。固件程序的开发应用Keil C51来完成，并且利用Hex2bix．exe在Keil C51的强大编译环境下将HEX文件转换成I2C文件，然后用EZ-USB Control Panel将I2C文件下载到E2PROM（24LC64）。在程序编写中，先将端点2和4设为块输出，端点6和8设为块输入。 

　　当一发炮弹射出后，炮弹经过前后线圈后产生一个计数值，利用I2C总线读出24位计数模块的数据，分高、中、低8位分别送回CY7C68013，然后通过USB 2．0传给上位机。 
　　应用程序使用Visual C++6．0开发工具。测试炮弹速度时，先单击按钮"准备测试"，然后打炮N发（N≤20），再单击"测试完成"，炮弹速度就显示在左边文本框，从而实现单发或连发炮弹速度测量。新建MFC工程，在BOOL CUsbTestDlg：：OnInitDialog（）中打开USB设备，得到端点信息。 
　　送控制信息给端点2，固件程序根据所送之数进行"准备测试"或"测试完成"操作。  
结语 
　　随着通用串行总线USB接口技术的发展，USB接口已被广泛应用于测试领域。本文介绍了一种应用USB接口技术，并结合大规模集成电路和电子设计自动化技术的炮速测量系统。该系统在炮速测量中具有很高的实用价值，在实际使用中表现出较高的灵活性和稳定性；加之优良的性价比，这种实现方法在测试领域有着较好的应用前景
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　编辑：何世平