基于FPGA的光电抗干扰电路设计方案

引言

光电靶测试系统是一种用于测量低伸弹道武器射击密集度的测试系统，具有反映灵敏、精度高而稳定、操作简单、容易维护等优点。然而，在实际测试中，光电靶会受到多种干扰，如冲击波、蚊虫等飞行物以及外界光线变化等，这些干扰会导致测试数据不准确甚至无法进行。因此，设计一种有效的抗干扰电路至关重要。本文将详细介绍基于FPGA（现场可编程门阵列）的光电抗干扰电路设计方案，并详细讨论主控芯片的型号及其在设计中的作用。

光电靶的基本原理

光电靶的基本原理是：当光幕内的光通量发生足够大的变化时，光电传感器会响应这种变化而产生电信号。具体来说，当物体穿过光幕时，会遮挡部分光线，导致光幕内的光通量发生变化，光电传感器将这种变化转换为电信号。然而，一些非弹丸物体（如蚊虫、细小尘埃等）在穿过光幕时也会使光通量发生变化，从而产生干扰信号。

光电靶的测试系统

红外密集度光电立靶测试系统是一种新型的测试系统，它既可以测试无须进行任何特殊处理的金属弹丸，又可以测试非金属弹丸。该系统具有反映灵敏、精度高而稳定、操作简单、容易维护等优点，已被许多靶场投入使用。

光电靶在工作时，光电传感器响应光幕内光通量的变化，将其转变为微弱的电信号。经过放大后，电信号进入电压比较器。当电信号的幅值高于预定基准时，电压比较器翻转，产生触发脉冲。由于随同弹丸穿过光幕的细小物体和外界光线变化产生的信号幅值较小，通过对电压比较器设置合适的比较门限，可以滤除这种信号。

干扰信号的分类与特点

在光电靶测试中，常见的干扰信号主要包括冲击波信号、蚊虫等飞行物产生的信号以及外界光线变化产生的信号。

1. 冲击波信号：冲击波以声速传播，当冲击波穿过光幕时，会产生一个短暂的脉冲信号。由于冲击波的传播速度较快，其产生的脉冲信号宽度较窄。

2. 蚊虫等飞行物产生的信号：蚊虫等飞行物的飞行速度较慢，当其穿过光幕时，会遮挡较长时间的光线，从而产生一个较宽的脉冲信号。

3. 外界光线变化产生的信号：外界光线变化（如阳光照射、云层遮挡等）会导致光幕内的光通量发生变化，从而产生干扰信号。这种信号通常具有随机性和不确定性。

FPGA在抗干扰电路中的应用

FPGA是一种现场可编程门阵列，具有高度的灵活性和可配置性。在光电抗干扰电路设计中，FPGA可以用于实现滤波、信号识别和处理等功能。

1. 滤波功能：FPGA可以通过编程实现各种滤波器（如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等），用于滤除干扰信号。通过调整滤波器的参数，可以灵活地适应不同的干扰信号特点。

2. 信号识别功能：FPGA可以实现对输入信号的实时识别和处理。通过比较输入信号的脉宽、幅值等特征参数，可以区分有效信号和干扰信号。

3. 处理功能：FPGA可以对识别出的有效信号进行进一步的处理，如放大、整形、计数等，以满足后续电路的需求。

主控芯片型号及其在设计中的作用

在基于FPGA的光电抗干扰电路设计中，主控芯片的选择至关重要。以下是几种常用的主控芯片型号及其在设计中的作用：

1. EPM7128SLC84-15芯片

   型号介绍：EPM7128SLC84-15是MAX7000系列的一款FPGA芯片，具有128个宏单元、4个全局时钟引脚和8Kbit的RAM。该芯片采用CMOS工艺制造，具有低功耗、高性能和可编程性等优点。

   设计中的作用：在光电抗干扰电路设计中，EPM7128SLC84-15芯片作为主控芯片，负责实现滤波、信号识别和处理等功能。通过编程，该芯片可以实现对输入信号的实时处理，滤除干扰信号，提取有效信号，并将其输出给后续电路。

   具体实现：

• 滤波功能：利用FPGA内部的逻辑单元和寄存器，实现低通滤波器或带通滤波器，用于滤除高频噪声和干扰信号。

• 信号识别功能：通过比较输入信号的脉宽和幅值等特征参数，区分有效信号和干扰信号。可以设置合适的阈值，当输入信号的脉宽和幅值满足一定条件时，认为是有效信号；否则，认为是干扰信号。

• 处理功能：对识别出的有效信号进行放大、整形等处理，以满足后续电路的需求。同时，可以通过计数器等功能模块，对有效信号进行计数和统计。

2. ALTERA Cyclone IV系列芯片

   型号介绍：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优点。该系列芯片支持多种编程语言和开发工具，方便用户进行设计和调试。

   设计中的作用：在光电抗干扰电路设计中，ALTERA Cyclone IV系列芯片可以作为主控芯片，实现更复杂的滤波、信号识别和处理功能。与EPM7128SLC84-15相比，该系列芯片具有更高的性能和更多的资源，可以适应更复杂的测试需求。

   具体实现：

• 高级滤波功能：利用ALTERA Cyclone IV系列芯片内部的DSP模块和高速乘法器，实现更高级别的滤波算法，如自适应滤波、卡尔曼滤波等，以提高滤波效果和抗干扰能力。

• 复杂信号识别功能：通过编程实现更复杂的信号识别算法，如模式识别、机器学习等，以更准确地识别有效信号和干扰信号。

• 高速数据处理功能：ALTERA Cyclone IV系列芯片具有高速的数据处理能力，可以对识别出的有效信号进行实时处理和分析，如频谱分析、波形生成等。

3. Xilinx Virtex系列芯片

   型号介绍：Xilinx Virtex系列是Xilinx公司推出的一款高性能FPGA芯片，具有高性能、高可靠性和可编程性等优点。该系列芯片支持多种编程语言和开发工具，并提供了丰富的IP核和接口资源。

   设计中的作用：在光电抗干扰电路设计中，Xilinx Virtex系列芯片可以作为主控芯片，实现更高级别的信号处理和系统控制功能。与ALTERA Cyclone IV系列芯片相比，该系列芯片在性能和资源方面更为强大，可以适应更复杂和更高级别的测试需求。

   具体实现：

• 高级信号处理功能：利用Xilinx Virtex系列芯片内部的DSP模块和高速乘法器，实现更高级别的信号处理算法，如快速傅里叶变换（FFT）、小波变换等，以提高信号处理的精度和效率。

• 系统控制功能：通过编程实现系统控制逻辑，如时序控制、状态机设计等，以实现对整个测试系统的控制和调度。

• 高速接口和通信功能：Xilinx Virtex系列芯片提供了丰富的高速接口和通信资源，如PCIe、Gigabit Ethernet等，可以方便地与其他设备进行数据交换和通信。

电路设计与实现

基于FPGA的光电抗干扰电路设计主要包括以下几个部分：信号输入模块、滤波模块、信号识别模块、处理模块和输出模块。

1. 信号输入模块：负责接收光电传感器输出的电信号，并将其转换为FPGA可以处理的数字信号。该模块可以采用ADC（模数转换器）等器件实现。

2. 滤波模块：利用FPGA内部的逻辑单元和寄存器实现滤波器功能，用于滤除高频噪声和干扰信号。可以根据实际需求选择合适的滤波器类型和参数。

3. 信号识别模块：通过比较输入信号的脉宽和幅值等特征参数，区分有效信号和干扰信号。可以设置合适的阈值和判断条件，以实现准确的信号识别。

4. 处理模块：对识别出的有效信号进行放大、整形等处理，以满足后续电路的需求。同时，可以通过计数器等功能模块对有效信号进行计数和统计。

5. 输出模块：将处理后的有效信号输出给后续电路或设备。可以根据实际需求选择合适的输出方式和接口。

电路仿真与测试

在完成电路设计后，需要进行电路仿真和测试以验证其性能和可靠性。可以采用专业的仿真软件（如ModelSim等）进行电路仿真，观察各模块的输出波形和信号质量。同时，可以在实际测试环境中进行电路测试，记录测试数据和结果，并进行分析和评估。

结论

基于FPGA的光电抗干扰电路设计方案具有高度的灵活性和可配置性，可以适应不同的测试需求和干扰环境。通过选择合适的主控芯片和设计方案，可以实现有效的滤波、信号识别和处理功能，提高测试系统的准确性和可靠性。未来，随着FPGA技术的不断发展和完善，基于FPGA的光电抗干扰电路设计方案将具有更广泛的应用前景和发展空间。