CN109633202A - 一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法，包括电源、ARM数据处理模块、FPGA数据采集模块和散热模块。ARM数据处理模块包括主控芯片、TFTLCD触摸屏、串口和数据储存芯片；FPGA数据采集模块包括数据采集芯片和两路通用测试接口；散热模块包括两路定速风扇。电源负责为ARM数据处理模块、FPGA数据采集模块和散热模块供电；ARM数据处理模块通过信号线与FPGA数据采集模块以及散热模块进行连接。TFTLCD触摸屏、串口和数据储存芯片分别与主控芯片连接。本发明利用FPGA的高速并行处理能力来进行多路触发电平的捕获，利用ARM进行逻辑控制与数据存储交互，使得系统具有良好的人机交互界面。

Description

一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法

技术领域

本发明属于测速领域，具体涉及一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法。

背景技术

随着兵器的不断更新换代，弹丸速度的测量至关重要，不论是在兵器装置的研发还是在装甲材料的实验中，都需要对弹丸的飞行速度进行测量。本文提出了一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法，其测速方法主要是利用FPGA和网靶来测量弹丸速度，弹丸飞过两个网靶会产生高低电平的变化，通过FPGA捕获器捕捉两次电平变化之间的时间，而网靶之间的距离是已知的，距离除以时间就可以得到弹丸的平均速度。该系统结构简单、成本较低、测量精度较高。

ZHANG SHAOHUA，LI JINMING，SU SHUQING.Design and realization of dual-light screen velocity measurement system based on FPGA[J].Transducer andMicrosystem Technologies，2015，34(2):92-94，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的双光幕测速系统设计方案，采用双光幕测速方法，光幕靶自带光源，发射与接收为一体，测量精度高，重复性好，抗干扰能力强。距离已知，通过测量弹体通过两个光幕靶的时间来计算出弹体穿过两靶面的平均速度。但是该方案存在以下两个缺点：1、光幕发射器与接收器一一对准困难，2、当光幕靶工作于近炮口距离时，炮口火光会影响光幕靶产生误触发信号，从而影响测试系统的精确度。

WANG ZHANXUAN，ZHAO DONGE，LIU JI，et al.Design of an Air Gun ProjectileVelocity Measurement System Based on Laser Velocity Measurement Technology[J].Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2014，34(02):51-54，提出了基于激光测速技术的空气炮弹丸速度测试系统设计，通过测量高速飞行弹丸穿过两激光靶之间的时间间隔以及两激光靶之间的距离而获得其平均速度。利用半导体激光器和光电二极管组成光学系统对弹丸过靶信息进行识别，设计光电转换电路和滞回比较器对过靶信号放大整形，选用STC89C52单片机代替采集卡和计算机对信号进行处理，具有成本低、操作简便、响应速度快等优点，但是该方案存在以下两个缺点：1、结构复杂，2、当弹丸体积过小偏离轴线时无法遮断光束导致测速失败。

HAO GUANGRONG，ZHANG YUE.Impact Analysis of Projectile with Deviationof Passing Coil Target for Test Velocity Precision[J].Acta Armamentarii，2011，32(09):19-21，提出了一种线圈靶测速装置，将起始靶和截止靶置于预定轨道且间隔一定距离。当磁化弹丸依次穿越两靶时，产生起始和截止两个信号，用这两个信号控制测时仪，便可测得弹丸在该区间的飞行时间，从而可计算出弹丸穿越两个线圈靶间的平均速度也即该区间中点的瞬时速度。该方案不影响弹丸的飞行运动轨迹，可以连续重复使用，方便迅速，但也存在以下缺点：1、弹丸必须为金属类导体材料，否则无法产生感应电流，2、弹丸体积过小时，感应电流的磁场不能引起原磁场的明显变化。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法，利用FPGA和网靶来测量弹丸速度，弹丸飞过两个网靶会产生高低电平的变化，通过捕获器捕捉两次电平变化之间的时间，而两个网靶之间的距离是已知的，距离除以时间就可以得到弹丸的平均速度。用FPGA的高速并行处理能力来进行多路触发电平的捕获，利用STM32进行逻辑控制与数据存储交互，使得系统具有良好的人机交互界面。系统不仅可以用于自带脉冲电平输出的主动靶的速度测试，也可以用于无脉冲电平输出的被动靶。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明提供了一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法，包括电源、FPGA数据采集模块、ARM数据处理模块和散热模块。其中：

所述电源分别与ARM数据处理模块、FPGA数据采集模块和散热模块连接，向ARM数据处理模块、FPGA数据采集模块和散热模块供电。

所述FPGA数据采集模块包括数据采集芯片和两路通用测试接口，数据采集芯片通过信号线与两路通用测试接口芯片分别连接；两路通用测试接口一路用于自带脉冲电平输出的主动靶的速度测试，一路用于无脉冲电平输出的被动靶的速度测试；每路通用测试接口包括两个子接口，一个子接口通过信号线连接前靶，另一个子接口连接后靶；测试时，数据采集芯片进行多路触发电平的捕获，从而得到弹丸穿过两靶之间的时间。

所述ARM数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片、串口和TFTLCD触摸屏；主控芯片通过信号线与数据采集芯片连接，数据存储芯片、TFTLCD触摸屏和串口分别通过信号线与主控芯片连接；测量前通过触摸屏输入前靶与后靶之间的距离，测量时主控芯片接收来自FPGA数据采集模块所采集到的时间，经过运算处理后得到弹丸的飞行速度，最终将测到的弹丸飞行速度保存到数据存储芯片并显示在触摸屏上。

所述散热模块包括两路定速风扇，通过信号线分别与主控芯片连接，在温度较高的环境中测试时为主控芯片、数据采集芯片和TFTLCD触摸屏散热。

采用双供电方式，在有稳定220V市电供应环境下，电源采用室外监控电源适配器进行供电；在无220V市电供应环境下，电源采用12V航模锂电池供电。

一种基于双网靶弹丸测速系统的测试方法，方法步骤如下：

步骤1、测速前，辨别所用测试靶是主动靶还是被动靶，若为主动靶则将前靶与后靶的末端信号线接到主动靶通用测试接口，若为被动靶则将前靶与后靶的末端信号线接到被动靶通用测试接口；

步骤2、测速开始，系统得电，两路定速风扇开始工作，为主控芯片、数据采集芯片和TFTLCD触摸屏散热，通过TFTLCD触摸屏输入前靶与后靶之间的距离；

步骤3、ARM使能FPGA开始测试，FPGA数据采集芯片开始等待高低电平信号；当弹丸通过前靶时，检测到信号高低电平变化，开启时间计数；当弹丸通过后靶时，再次检测到信号高低电平变化，关闭时间计数；FPGA数据采集芯片计算测速时间并通过串口发送测量时间到主控芯片，同时FPGA整体失能，等待再次启动；

步骤4、当主控芯片接收到FPGA数据采集芯片计算测速时间后，通过TFTLCD触摸屏输入前靶与后靶之间的距离计算得到弹丸的速度；

步骤5、在得到相应的测速结果后显示在TFTLCD显示屏上，并将数据保存到数据储存芯片。

本发明与现有技术相比，其显著特点在于：

(1)采用双供电方式。无论是在有供电环境的室内还是在无供电环境的室外均可进行测速。

(2)系统总体采用FPGA+ARM的设计方案。其中充分利用FPGA的高速并行处理能力进行多路触发电平捕获器设计，利用ARM进行逻辑控制与数据存储交互设计，使得整个系统具有良好的人机交互能力。

(3)具有两路通用测试接口。系统不仅可以用于自带脉冲电平输出的主动靶的速度测试，也可以用于无脉冲电平输出的被动靶

附图说明

图1是本发明的双网靶弹丸测速系统总体结构示意图。

图2是本发明的两路通用测试接口电路图。

图3是本发明实施例的被动靶测速示意图。

图4是本发明实施例的测速系统执行流程图。

具体实施方式

结合图1，本发明提供了一种双网靶弹丸测速系统，包括电源、FPGA数据采集模块、ARM数据处理模块和散热模块。其中：

所述电源为ARM数据处理模块、FPGA数据采集模块和散热模块供电，采用双供电方式，在有稳定220V市电供应环境下，采用大华或者海康威视室外监控电源适配器进行供电；在无220V市电供应环境下，采用12V航模锂电池供电。

所述FPGA数据采集模块包括数据采集芯片和两路通用测试接口，数据采集芯片具体型号采用EP4CE6E22C8，通过信号线与两路通用测试接口芯片连接。两路通用测试接口电路图如图2所示，一路用于自带脉冲电平输出的主动靶的速度测试，其1脚外接信号，2脚接地，通过串联的外接滑阻对输入电平进行调整，以适应FPGA I/O口电平。另一路用于无脉冲电平输出的被动靶的速度测试，其1脚接地，2脚接3.3V-FPGA，向外供电。每路通用测试接口又分别具有两个子接口，以被动靶为例，如图3所示，一个通过信号线连接前靶，另一个连接后靶。测试时数据采集芯片进行多路触发电平的捕获，从而得到弹丸穿过两靶之间的时间。

所述ARM数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片、串口和TFTLCD触摸屏。主控芯片采用STM32F407VGT6，通过信号线与FPGA数据采集模块连接，数据存储芯片、TFTLCD触摸屏和串口通过信号线与主控芯片连接。测量前通过触摸屏输入前靶与后靶之间的距离，测量时主控芯片接收来自FPGA数据采集模块所采集到的时间，经过运算处理后得到弹丸的飞行速度，最终将测到的弹丸飞行速度保存到数据存储芯片并显示在TFTLCD触摸屏上。系统采用华邦公司生产的W25Q128芯片来进行数据的实时存储，W25Q128可进行10W次的数据擦写，数据储存可达20年。触摸屏采用的是ALIENTEK公司4.3寸TFTLCD模块自带的电容式触摸屏，其具有良好的显示对比度。

所述散热模块包括两路定速风扇，通过信号线与主控芯片连接。在温度较高的环境中测试时可以为主控芯片、数据采集芯片和TFTLCD触摸屏散热。

结合图4，步骤1、测速前，辨别所用测试靶是主动靶还是被动靶，若为主动靶则将前靶与后靶的末端信号线接到主动靶通用测试接口，若为被动靶则将前靶与后靶的末端信号线接到被动靶通用测试接口；

步骤2、测速开始，系统得电，两路定速风扇开始工作，为主控芯片、数据采集芯片和TFTLCD触摸屏散热，通过TFTLCD触摸屏输入前靶与后靶之间的距离；

步骤3、ARM使能FPGA开始测试，FPGA数据采集芯片开始等待高低电平信号；当弹丸通过前靶时，检测到信号高低电平变化，开启时间计数；当弹丸通过后靶时，再次检测到信号高低电平变化，关闭时间计数；FPGA数据采集芯片计算测速时间并通过串口发送测量时间到主控芯片，同时FPGA整体失能，等待再次启动；

步骤4、当主控芯片接收到FPGA数据采集芯片计算测速时间后，通过TFTLCD触摸屏输入前靶与后靶之间的距离计算得到弹丸的速度；

步骤5、在得到相应的测速结果后显示在TFTLCD显示屏上，并将数据保存到数据储存芯片。

为了验证弹丸测速系统的精确性和可靠性，特在学校汤山靶场进行实验，采用面积为50x50cm，网孔大小为1.5cmX1.5cm的网靶，测试弹丸口径为5cm。实验分为6组，主动靶3组，被动靶3组，距离分别为1m、2m、3m。将实验结果与高速摄像机的测量结果进行比较，如表1所示。其中L代表两网靶之间的距离，T代表测速系统测得的时间，V代表测速系统的测量速度，V₀代表高速摄像机的测量速度，F代表系统测量精度。实验结果表明系统对于主动靶和被动靶均具有良好的测速效果，系统测速的精度在2％以内。

表1实验结果比较

本发明实现了一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法，通过对测量误差进行分析，利用FPGA的高速并行处理能力来进行多路触发电平的捕获，系统测速的精度控制在2％以内。利用ARM进行逻辑控制与数据存储交互，使得系统具有良好的人机交互界面。系统不仅可以用于自带脉冲电平输出的主动靶的速度测试，也可以用于无脉冲电平输出的被动靶。实验结果表明该系统工作稳定可靠，能够准确测量弹丸速度，满足实际工程的应用要求。

Claims (7)

1.一种双网靶弹丸测速系统及其测试方法，其特征在于：包括电源模块、FPGA数据采集模块、ARM数据处理模块和散热模块；

所述电源分别与ARM数据处理模块、FPGA数据采集模块和散热模块连接，向ARM数据处理模块、FPGA数据采集模块和散热模块供电；

所述FPGA数据采集模块包括数据采集芯片和两路通用测试接口，数据采集芯片通过信号线与两路通用测试接口芯片分别连接；两路通用测试接口一路用于自带脉冲电平输出的主动靶的速度测试，一路用于无脉冲电平输出的被动靶的速度测试；每路通用测试接口包括两个子接口，一个子接口通过信号线连接前靶，另一个子接口连接后靶；测试时，数据采集芯片进行多路触发电平的捕获，从而得到弹丸穿过两靶之间的时间；

所述ARM数据处理模块包括主控芯片、数据存储芯片、串口和TFTLCD触摸屏；主控芯片通过信号线与数据采集芯片连接，数据存储芯片、TFTLCD触摸屏和串口分别通过信号线与主控芯片连接；测量前通过触摸屏输入前靶与后靶之间的距离，测量时主控芯片接收来自FPGA数据采集模块所采集到的时间，经过运算处理后得到弹丸的飞行速度，最终将测到的弹丸飞行速度保存到数据存储芯片并显示在触摸屏上；

所述散热模块包括两路定速风扇，通过信号线分别与主控芯片连接，在温度较高的环境中测试时为主控芯片、数据采集芯片和TFTLCD触摸屏散热。

2.根据权利要求1所述的双网靶弹丸测速系统，其特征在于：不仅可以用于自带脉冲电平输出的主动靶的速度测试，也可用于无脉冲电平输出的被动靶的速度测试。

3.根据权利要求1所述的双网靶弹丸测速系统，其特征在于：采用双供电方式，在有稳定220V市电供应环境下，电源采用室外监控电源适配器进行供电；在无220V市电供应环境下，电源采用12V航模锂电池供电。

4.根据权利要求1所述的所述的双网靶弹丸测速系统，其特征在于：数据采集芯片采用EP4CE6E22C8 。

5.根据权利要求1所述的所述的双网靶弹丸测速系统，其特征在于：主控芯片采用STM32F407VGT6 。

6.根据权利要求1所述的所述的双网靶弹丸测速系统，其特征在于：触摸屏采用ALIENTEK公司4.3寸TFTLCD 模块自带的电容式触摸屏。

7.一种基于权利要求1所述的双网靶弹丸测速系统的测试方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1、测速前，辨别所用测试靶是主动靶还是被动靶，若为主动靶则将前靶与后靶的末端信号线接到主动靶通用测试接口，若为被动靶则将前靶与后靶的末端信号线接到被动靶通用测试接口；

步骤2、测速开始，系统得电，两路定速风扇开始工作，为主控芯片、数据采集芯片和TFTLCD触摸屏散热，通过TFTLCD触摸屏输入前靶与后靶之间的距离；

步骤3、ARM使能FPGA开始测试，FPGA数据采集芯片开始等待高低电平信号；当弹丸通过前靶时，检测到信号高低电平变化，开启时间计数；当弹丸通过后靶时，再次检测到信号高低电平变化，关闭时间计数；FPGA数据采集芯片计算测速时间并通过串口发送测量时间到主控芯片，同时FPGA整体失能，等待再次启动；

步骤4、当主控芯片接收到FPGA数据采集芯片计算测速时间后，通过TFTLCD触摸屏输入前靶与后靶之间的距离计算得到弹丸的速度；

步骤5、在得到相应的测速结果后显示在TFTLCD显示屏上，并将数据保存到数据储存芯片。