潘 登

(西安工业大学 西安 710021)

基于CPLD天幕靶抗外界干扰技术研究*

潘 登

(西安工业大学 西安 710021)

为了解决天幕靶输出的目标信号容易受到外界干扰的难题,研究了天幕靶输出真实的目标信号和外界干扰信号的特点,提出了基于CPLD建立抗干扰电路,可以对目标信号和干扰信号进行有效的区分,并通过仿真实验和具体的应用证明了该方法能有效实现对真实目标的输出和干扰目标信号的排除,提高了电路的抗干扰能力和天幕靶测量结果的可靠性和准确性。

靶场; CPLD; 抗干扰; 天幕靶

1 引言

天幕靶测量系统主要应用于靶场测试领域,可获得准确的目标飞行参数[1]。由于天幕靶测量系统工作环境主要在野外,所以天幕靶的输出信号容易受到蚊虫、风沙等干扰,这给真实目标信号的提取带来较大难度,影响着整个测试系统的准确性与稳定性,且传统的天幕靶对目标识别方法是将光电探测器输出的模拟信号经过多次放大,通过设定阈值电压,当单元探测光幕输出模拟信号的电压值大于一定的阈值Vth时,就认为这个信号为目标信号,从而达到对目标的判断[2],这种方法虽然简单,但是无法实现对真实目标信号进行识别和对干扰目标信号的排除。为了解决上述的问题,本论文基于CPLD建立抗干扰电路,将光电探测器输出变化的信号经过放大,整形等处理得到一个脉冲信号,通过计算该脉冲信号的宽度实现对真正目标信号的输出和干扰信号的排除,提高天幕靶的抗干扰能力和测试结果的可靠性和准确性。

2 天幕靶输出信号特性的研究

天幕靶是以光电传感器为核心探测飞行目标参数的仪器[3]。天幕靶主要由透镜、光电传感器、狭缝光阑以及信号调理电路组成。在室外工作时,天幕靶以天空为背景光源,由于狭缝光阑的作用,天幕镜头的视场为一定厚度的扇形,通常称为天幕,一旦弹丸进入天幕,遮住天幕投射到狭缝的部分光能而使光电探测器上的光电流发生变化,该变化信号经处理电路放大、整形后输出一个脉冲信号,其工作原理如图1所示。

图1 天幕靶工作原理示意图

通过理论分析可知,影响弹丸过靶信号脉冲宽度的因素包括:天幕在目标穿越位置上的厚度d,目标的飞行速度v,飞行目标的长度L,当有以目标穿过天幕靶的探测光幕,如图2所示,信号脉冲宽度Δt的理论计算[8]:

(1)

图2 目标信号处理后得到脉冲信号

由式(1)可知,由于飞行目标之间的长度和速度不同,遮挡住光幕的时间也就不相同,体现在电路中为信号经过比较器后形成的方波脉冲信号的脉冲宽度不一致[9]。在靶场测试时,蚊虫的飞行速度比弹丸的速度低得多,蚊虫穿过天幕靶的脉冲信号的宽度比弹丸产生的脉冲信号的的宽度要大的多,因此通过CPLD对电路输出的脉冲宽度计数的方法可以实现对干扰信号排除。

根据靶场实测情况,某种弹丸穿过光幕产生的方波信号脉冲宽度基本都大于50μs且小于150μs,则可认为脉冲宽度大于150μs或小于50μs的信号为干扰信号。滤除蚊虫和风沙干扰信号,以达到抗干扰目的。

基于CPLD设计的抗干扰电路中,光电探测器本省输出含有一定的噪声,经过多级放大之后,输出信号的噪声已经达到400mv左右,所以对目标过靶信号提取的过程中,必须设置一个比噪声信号更大的比较门限[5]。本文将电路中比较器比较电压的门限Vth设为500mv可有效排除噪声信号,当有目标穿过天幕靶时,可以准确地提取相互目标信号。

3 利用CPLD实现滤波及抗干扰

天幕靶加入CPLD电路的主要功能是消除蚊虫干扰,并把有效弹丸信号延时200μs后,将脉冲信号变成脉宽为50μs的信号输出到下级处理电路。下面就如何实现滤波和抗干扰进行详细介绍。

光电探测器输出的信号经多级放大、整形后形成一个脉冲信号single,将真个脉冲信号single输入到CPLD中进行处理。CPLD的晶振选取为10MHz,当有信号输入到CPLD的146管脚,CPLD内部检测到有脉冲信号的上升沿到来后,立马启动计时器工作,直到输入信号single的下降沿到来或计时器技术计数值到达滤波信号的上限脉宽150μs,计数器停止技术,并判断该脉冲信号的脉宽是否在设置的脉宽大于50μs且小于150μs之中,如果脉冲信号宽度在范围内,证明该信号为正确的目标信号,延时到200μs后输出脉宽为1ms脉冲信号到下级电路中;如果脉冲信号的脉宽不在范围内,则CPLD内部的寄存器全部清零,等待下一个脉冲信号的到来。CPLD内部结构设计如图3所示。

图3 CPLD内部结构设计

Interfere1内部的程序如下:

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

通过仿真对天幕靶中CPLD电路进行功能性验证,脉冲信号single的输入信号加三个不同脉宽的信号,分别为194μs、123μs和34μs的脉冲信号,两个为干扰信号,一个为真正的目标信号,其仿真结果如图4所示,可以看出干扰信号只有输入到CPLD的信号,没有输出CPLD的信号,而正确的目标信号进入CPLD后,将信号延时200μs后输出脉冲,并将信号展宽到50μs。通过仿真分析可知,基于CPLD的天幕靶抗干扰电路完全满足系统抗蚊虫干扰的要求。

图4 不同脉宽信号仿真结果

5 结语

CPLD具有体积小、功耗小、效率高、使用寿命长、可靠性高等特点,便于电路结构的集成化和小型化[7],并且通过上面的仿真结构和实际电路的测量结果证明了基于CPLD抗干扰电路的可行性和稳定性,对蚊虫、风沙等干扰信号可以完全的滤除,保证了天幕靶测试结果的可靠性。

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《计算机与数字工程》编辑部

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,硕士研究生,研究方向:目标检测。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.013