基于嵌入式技术的靶场破片测速系统设计

摘要：为了增强靶场破片测速系统的便携性和实时性，提出了一种基于嵌入式技术的靶场破片测速系统设计方法。系统硬件上采用ARM+FPGA的架构，软件上不仅采用Qt／Embedded设计了图形界面，而且给出了嵌入式设备上Qt／Embedded程序的优化方法。经过多次野外破片测速试验检测，系统工作稳定，可实现破片飞行速度、速度降、末速度、破片速度分布等参数的获取。试验结果证明，系统能够满足靶场破片测速的大多数需要。
关键词：嵌入式技术；破片测速；ARM；FPGA；Qt／Embedded

0 引言
破片速度是战斗部爆炸效能评估的一个重要参数。传统的靶场破片测速系统多使用多路数据采集卡设置好的参数现场采集标靶的试验波形，试验完成后再交由计算机进行后期处理和解读以获取破片速度等参数。但随着军事科技的日新月异，靶场破片测速系统需要根据实际情况现场设置的参数越来越多，参数设置的灵活性越来越强，对系统工作的实时性要求越来越高；另一方面，战斗部爆炸试验在野外进行，条件恶劣，大型设备携带不便，以往的PC机+数据采集卡设计已经越来越不能满足靶场试验的要求。嵌入式系统具有功耗小、便携性好、稳定性高、实时性强的特点，近年来随着嵌入式技术的不断发展，把嵌入式技术引入靶场破片测速系统设计中，为靶场破片测速系统设计提供了一个新的思路。
本文设计的靶场破片测速系统以ARM处理器为控制核心，利用了FPGA强大的多路并行处理能力进行数据处理，在基于嵌入式Linux的平台上采用Qt／Embedded设计了友好的人机交互界面。系统功能完善，操作直观简单，携行方便，能够满足在野外进行破片测速的大多数需要。

1 系统硬件设计
系统使用ARM+FPGA的设计方式。
ARM处理器选用Samsung公司推出的基于ARM920T内核的S3C2440。S3C2440主频高达400 MHz，完全能够胜任系统工作要求。S3C2440集成了SDRAM和FLASH控制器，提供了串口，触摸屏接口，USB接口等多种接口，接口丰富、功能强大，是一款高性能，低价格的处理器，在嵌入式设备中获得了广泛的应用。
FPGA(现场可编程门阵列)选用了Altera公司StratixⅡ系列的EP2S15芯片，该芯片器件密度可达到15600等效逻辑元(LE)，能提供419Kb片内TriMatrix存储器，多达12个DSP区块共有48个(18×18 b)乘法器，用来实现高性能滤波器和其他DSP功能。支持多种高速外接存储器接口，支持各种标准的I／O，高速差分I／O，具有强大的高速多通道并行处理能力。
系统使用该芯片64 MB SDRAM作为系统内存，64 MB FLASH用于Linux内核、文件系统、应用程序和试验数据的存储，为系统运行提供了充足的存储空间。
系统硬件结构图如图1所示。

在图1中，系统采用了32个标靶用于破片测速，一个标靶对应FPGA的一个通道，每个通道对应一个32 b计数器。战斗部爆炸后，破片击穿标靶时产生的脉冲将作为起停信号，控制FPGA中相应通道的计数。所有通道中最早触发的通道为基准通道，相应通道计数器值为0。从基准通道被触发时刻起，除基准通道外所有通道计数器开始计数，直到本通道收到触发信号或者最长计数时间时停止计数。停止计数时的通道计数值即为本通道的触发计数值。
FPGA设置了32通道通断寄存器、32通道输入触发器、通道触发计数器等多个数据寄存器，用于保存标靶的通断、触发状态及各个通道的触发计数值；设置了最长记录时间寄存器等多个控制寄存器用于控制FPGA的动作。经过处理，FPGA将标靶的通断、触发状态及最终触发计数值写入相应数据寄存器中。
ARM处理器与FPGA通过总线方式实现通信。FPGA作为一个外部存储器挂载在ARM的存储器总线上，这样ARM处理器通过存储器指令可直接访问FPGA，从而通过读写FPGA的数据和控制寄存器实现对FPGA的控制和对数据的读取。
ARM与FPGA接口如图2所示。

为了便于交互，系统配置了一块5．7英寸带触摸屏的LCD显示屏作为显示控制设备，并且提供了USB口实现与主机通信。
通过试验测试，本系统能够充分发挥ARM的强大处理能力和FPGA的并行处理能力，成功达到试验目的。

2 系统软件设计
系统软件结构图如图3所示。

在设计具体应用程序前首先要对操作系统进行裁减。嵌入式Linux内核，是一种完全开源、功能强大的操作系统内核，与时下流行的Wi-nce等嵌入式操作系统相比，其优点之一就在于内核的可裁减性，使用者完全能够根据自己的需要对内核进行裁减，删减去不必要的功能，完成自定义设计。本文经过裁减后的内核大小仅有1．2 MB，大大减少了对系统存储空间的占用。
GUI为用户提供了与应用系统交互的可视化通道，在嵌入式软件系统中占据重要地位。针对嵌入式设备资源有限的特点，嵌入式GUI要求提供这样一种交互接口，即它占用资源少且反应迅速，具备高度的可移植性和可裁减性。目前国内主流的嵌入式GUI系统有MINIGUI，MICRO WINDOW，Qt／Embedded等几种，各有优缺点。综合比较各种GUI系统的优劣，从GUI系统的封装性、可移植性和系统设计的便捷性考虑，最终选取Qt／Embedded进行GUI的设计。
Qt／Embedded(以下简称Qt／E)是由著名的Trolltech公司专门针对pda等嵌入式移动手持设备开发的开放源码的一套应用程序包和开发库，具有可视化强，界面美观，类库完善丰富，封装性好的优点。与其他嵌入式GUI系统相比，Qt／E开发方便，尤其是Qt／E提供了一种类型安全的基于signal和slot的真正组件化编程机制，简化了编写过程，有助于开发人员把握核心功能，使程序编写更加灵活；Qt／E程序可移植性强，具有极好的跨平台特性，完全可以“一处编写，处处编译”。许多基于计算机Qt的X Window程序在交叉编译后都可以非常方便地移植为Qt／E版本，这样完全可以在主机上完成程序开发，查看效果后经交叉编译直接在嵌入式设备上运行，大大简化了开发流程，节约了开发时间。