基于FPGA的機械振動臺自動定中系統

0 引言

　　在力學環境試驗中，振動試驗應用最為廣泛，尤其是國防科技應用中的火藥裝填，即通過一定的振級和時間將火藥填實，其工作過程為將火藥罐體固定于機械振動臺上，然后設定相應的振動頻率及振動幅度，當到達設定的振動條件后，火藥便通過導向槽向罐體內充填。此后，隨著時間的增加，振動上火藥加罐體的重量隨之增加，而機械臺臺面安裝于空氣彈簧上，它隨著臺面上的重量的增加會下降，如果下降超過機械臺所能要求的能力，就可能出現事故，因此要求有一套自動定中系統，在機械臺靜態和振動狀態均能自動保持中間位置。

　　1 總體方案

　　要滿足機械臺臺面靜態和振動狀態均能自動保持中間位置，用分立器件判斷臺面極限位置的方法往往難以適應。解決此問題的方案有兩種：一是采用單片機系統，二是采用嵌入式系統。單片機系統雖然價格低廉，使用方便，但是程序容易跑飛，且編程及修改較為麻煩；而嵌入式系統中，基于CPU的嵌入系統價格較貴。為此，本文選用了可編程邏輯器件(FPGA)，由于FPGA具有豐富的可編程性與豐富的I／O引腳，因而其在數字系統中的應用越來越廣泛。如同自行設計集成電路一樣，利用FPGA可節省電路開發的費用與時間，因此，本文提出了一套基于FPGA的嵌入系統來實現自動定中，其系統方案如圖1所示。

　　圖中，光纖一和光纖二將振動的位置信號傳遞給系統，然后由系統判定臺面是處于靜態還是動態，再判定臺面偏高還是偏低，分別處理，最后通過兩個電磁閥來對機械臺進行充氣或放氣。

　　2 電路組成

　　系統運行時，會有以下幾種情況：一是在系統正常振動時，光纖一和光纖二輸出的波形為占空比為50％且方向相反的一對方波信號；二是當臺面位置發生變化后，振動時兩個光纖輸出的脈沖占空比會發生變化。當臺面靜止或臺面受到其他因素而低于4 Hz振動時，兩個光纖輸出的脈沖幾乎為一個恒定的電平。因此，需要系統根據脈沖情況自動分辨，本文在FPGA內設計了三個模塊，即分頻模塊，信號觸發模塊，信號比較及輸出模塊。

　　2．1 分頻模塊

　　分頻模塊共輸出四種分頻信號：參考時鐘、預讀信號、鎖存信號、觸發信號。其中參考時鐘用于信號觸發模塊中信號占空比的測量計數，考慮到計數器的容量，我們取參考時鐘為100 kHz。預讀信號read用于啟動比較模塊中靜態還是動態信號的判定。鎖存信號lock用于對比較模塊輸出的繼電器控制狀態信號的鎖存，并將其保持到下一次比較，以使模塊輸出不同的繼電器控制狀態信號。觸發信號trig用于啟動觸發模塊及對信號比較模塊中的計數器清零，以判定一定間隔時間后的臺面狀態變化情況。其時序如圖2所示。

　　2．2 信號觸發模塊

　　臺面位置發生變化后，在振動時，兩個光纖輸出的脈沖占空比就會發生變化。因此需要測量兩路信號在一個振動周期內的高電平寬度，其測量電路如圖3所示，其中上半部分用于脈沖串一的高電平測量，下半部分用于脈沖串二的高電平測量。

　　信號觸發模塊工作流程是在觸發信號trig上升沿到來時打開觸發器，以等待兩路待測信號上升沿到來；當任意一路信號(假設第一路信號signall先到來)的上升沿到來后，將該路計數允許與門打開，并將參考時鐘傳遞給下一級(即比較模塊)，然后將該路觸發器關閉，同時打開第二路信號的關斷觸發器。因此，當第一路信號signall的高電平過去后，隨著第二路信號signal2上升沿的到來，系統將關斷第一路計數允許與門，停止計數，同時打開第二路計數允許與門，開始第二路信號的高電平寬度測量。第二路測量原理同第一路，最后再輸出兩路信號高電平寬度測量完成信號。由于觸發器的關斷，每次觸發僅將一個振動周期內的兩路信號的高電平寬度轉換為參考時鐘個數，從而保證了計數的準確性。

　　2．3 信號比較模塊

　　信號比較模塊的作用是判定臺面是處于靜態還是動態，以便根據相應的計數值來輸出控制字。當臺面處于振動時可以通過信號觸發模塊來比較兩路信號的高電平寬度，但是，當臺面處于靜止狀態時，光纖就沒有脈沖信號輸出，也就沒有上升沿允許計數，計數值也就為零。因此，可以在下一次觸發信號trig到來前一個參考時鐘時設計一個預讀信號read，并用它的高電平來取出計數值。如果兩個計數器均為零，那么臺面處于靜止，此時可根據兩個光纖的高低電平來判斷臺面高度是否合適。反之，如果不為零，則通過兩路高電平寬度測量完成信號狀態及計數值來判定控制狀態字。其關鍵代碼如下：

　　2．4 輸出模塊

　　在預讀信號read到來前一個參考時鐘時，通過鎖存信號lock可將比較模塊輸出的繼電器控制狀態字鎖存，然后通過3-8譯碼器得到需要控制輸出的繼電器動作信號，以保持電磁閥到下一次比較模塊輸出不同的繼電器控制狀態字時再動作。其中，out3[1]為高電平時，繼電器控制充氣電磁閥動作，out3[2]為高電平時，繼電器控制放氣電磁閥動作。其電路圖如圖4所示。

3 系統仿真

　　圖5為系統靜止時，臺面偏向一邊時的動作狀態情況仿真波形。當臺面負載加重被壓低后，CLK1呈現高電平，CLK2呈現低電平，此時系統充氣電磁閥進行充氣。

　　圖6為系統振動時，臺面偏向一邊時的動作狀態情況仿真波形。當臺面負載減輕被氣囊抬高后。CLK1呈現30％高電平，70％低電平，CLK2則正好相反。此時系統放氣電磁閥動作，進行放氣。

　　4 結束語

　　通過實際帶載測試表明，此設計方案與預期要求基本一致。由于可編程邏輯器件(FPGA)具有豐富的可編程性與豐富的I／O引腳，因此，本系統可方便的進行在線修改而不需改動硬件電路，同時具有較高的靈活性、可靠性及穩定性，而且價格低廉。