基于FPGA的機械振動臺自動定中系統(tǒng)

0 引言
    在力學(xué)環(huán)境試驗中，振動試驗應(yīng)用最為廣泛，尤其是國防科技應(yīng)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(shè)定相應(yīng)的振動頻率及振動幅度，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的振動條件后，火藥便通過導(dǎo)向槽向罐體內(nèi)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(xiàn)事故，因此要求有一套自動定中系統(tǒng)，在機械臺靜態(tài)和振動狀態(tài)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(tài)和振動狀態(tài)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(yīng)。解決此問題的方案有兩種：一是采用單片機系統(tǒng)，二是采用嵌入式系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)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(tǒng)中，基于CPU的嵌入系統(tǒng)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(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。如同自行設(shè)計集成電路一樣，利用FPGA可節(jié)省電路開發(fā)的費用與時間，因此，本文提出了一套基于FPGA的嵌入系統(tǒng)來實現(xiàn)自動定中，其系統(tǒng)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(tǒng)，然后由系統(tǒng)判定臺面是處于靜態(tài)還是動態(tài)，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(tǒng)運行時，會有以下幾種情況：一是在系統(tǒng)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(dāng)臺面位置發(fā)生變化后，振動時兩個光纖輸出的脈沖占空比會發(fā)生變化。當(dāng)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(tǒng)根據(jù)脈沖情況自動分辨，本文在FPGA內(nèi)設(shè)計了三個模塊，即分頻模塊，信號觸發(fā)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(yù)讀信號、鎖存信號、觸發(fā)信號。其中參考時鐘用于信號觸發(fā)模塊中信號占空比的測量計數(shù)，考慮到計數(shù)器的容量，我們?nèi)⒖紩r鐘為100 kHz。預(yù)讀信號read用于啟動比較模塊中靜態(tài)還是動態(tài)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(tài)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(tài)信號。觸發(fā)信號trig用于啟動觸發(fā)模塊及對信號比較模塊中的計數(shù)器清零，以判定一定間隔時間后的臺面狀態(tài)變化情況。其時序如圖2所示。

2．2 信號觸發(fā)模塊
    臺面位置發(fā)生變化后，在振動時，兩個光纖輸出的脈沖占空比就會發(fā)生變化。因此需要測量兩路信號在一個振動周期內(nèi)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(fā)模塊工作流程是在觸發(fā)信號trig上升沿到來時打開觸發(fā)器，以等待兩路待測信號上升沿到來；當(dāng)任意一路信號(假設(shè)第一路信號signall先到來)的上升沿到來后，將該路計數(shù)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(fā)器關(guān)閉，同時打開第二路信號的關(guān)斷觸發(fā)器。因此，當(dāng)?shù)谝宦沸盘杝ignall的高電平過去后，隨著第二路信號signal2上升沿的到來，系統(tǒng)將關(guān)斷第一路計數(shù)允許與門，停止計數(shù)，同時打開第二路計數(shù)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(fā)器的關(guān)斷，每次觸發(fā)僅將一個振動周期內(nèi)的兩路信號的高電平寬度轉(zhuǎn)換為參考時鐘個數(shù)，從而保證了計數(shù)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(tài)還是動態(tài)，以便根據(jù)相應(yīng)的計數(shù)值來輸出控制字。當(dāng)臺面處于振動時可以通過信號觸發(fā)模塊來比較兩路信號的高電平寬度，但是，當(dāng)臺面處于靜止?fàn)顟B(tài)時，光纖就沒有脈沖信號輸出，也就沒有上升沿允許計數(shù)，計數(shù)值也就為零。因此，可以在下一次觸發(fā)信號trig到來前一個參考時鐘時設(shè)計一個預(yù)讀信號read，并用它的高電平來取出計數(shù)值。如果兩個計數(shù)器均為零，那么臺面處于靜止，此時可根據(jù)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(tài)及計數(shù)值來判定控制狀態(tài)字。其關(guān)鍵代碼如下：

2．4 輸出模塊
    在預(yù)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(tài)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(tài)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(tǒng)仿真
    圖5為系統(tǒng)靜止時，臺面偏向一邊時的動作狀態(tài)情況仿真波形。當(dāng)臺面負載加重被壓低后，CLK1呈現(xiàn)高電平，CLK2呈現(xiàn)低電平，此時系統(tǒng)充氣電磁閥進行充氣。

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

4 結(jié)束語
    通過實際帶載測試表明，此設(shè)計方案與預(yù)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(tǒng)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(wěn)定性，而且價格低廉。