基于FPGA+MCU的皮帶跑偏檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計

朱亮，李東波，李妍，袁延強

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094;2.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京江蘇210094;3.南京地鐵運營有限責(zé)任公司，江蘇南京210094;4.南京三埃工控股份有限公司，江蘇南京211100)

近年來，隨著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型、工業(yè)原燃料需求量和成本的迅速提高，以高精度皮帶秤作為標準貿(mào)易結(jié)算方式已廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、電力、港口等行業(yè)。然而皮帶秤往往會隨著使用時間的增長，其精度會有所下降，這是由于皮帶張力、跑偏和現(xiàn)場溫度等緣故。因此，為了保持甚至進一步提高皮帶秤精度，針對皮帶跑偏這一主要原因設(shè)計出一套能夠?qū)崟r精確檢測出跑偏量的皮帶跑偏檢測系統(tǒng)。通過跑偏檢測不僅能對皮帶秤精度進行補償，同時還可以衡量皮帶秤的整體性能［1－2］。

非接觸式跑偏檢測一般采用的是CCD或PSD傳感器，針對兩者信號處理復(fù)雜、開發(fā)成本高且對惡劣環(huán)境敏感等弊端［3－4］，提出采用陣列式近紅外光電三極管作為傳感元件，使用FPGA替代大量門電路和組合邏輯電路進行數(shù)字信號采集處理［5］，采用STC89C52單片機設(shè)計通信網(wǎng)關(guān)，上位機采集軟件使用 VB 進行開發(fā)［6］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1，在皮帶下方與皮帶邊緣切平面平行的平面上布置光電三極管陣列，陣列方向垂直于v(皮帶的運動方向)。調(diào)整皮帶邊緣，使其投影約在陣列中間，保證皮帶跑偏在量程內(nèi)。測量時，點光源照射皮帶及光電管陣列，陣列輸出若干個5 V TTL電平信號;輸出的電平信號由FPGA進行動態(tài)矩陣掃描，掃描后的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波處理得到9位并行數(shù)據(jù)，再上傳至單片機;單片機將數(shù)據(jù)進一步打包處理傳送至數(shù)據(jù)采集平臺。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件構(gòu)成及信號流如圖2，以下主要提出皮帶跑偏傳感器、跑偏信號處理電路及通信電路的設(shè)計方案。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

2.1 皮帶跑偏傳感器設(shè)計

皮帶跑偏傳感器主要由光電三極管陣列構(gòu)成，同時配以輔助的照射光源。

(1)照射光源

考慮到檢測現(xiàn)場惡劣環(huán)境，傳感器設(shè)計中選擇了使用波長為880 nm的近紅外光源。光源使用普通的點光源、合適放置即可，無須任何濾光處理。

(2)光電三極管陣列

光電接受元件采用SHARP公司的PT100MC0MP光電三極管，接受波長880 nm。由于光電三極管在光照射時產(chǎn)生的光電流比光電二極管大得多，所以光電三極管更適合作為邏輯開關(guān)元件。每個光電管單元如圖3，將光照射和未照射狀態(tài)輸出成5 V TTL數(shù)字電平信號。

圖3 光電三極管測量單元

如圖4，序號1－N(N為光電三極管總數(shù))都代表著有編號的光電三極管，編號相鄰光電管錯開排放，間隔d為1 mm，整個陣列分三排，這樣既能保證一定的測量精度又能保證各個接受元件不會互相干擾。檢測時，光電三極管陣列的信號采集類似于優(yōu)先編碼器存在著優(yōu)先級，優(yōu)先級由程序來設(shè)定，一般設(shè)置為正向1—N或反向N—1。

圖4 光電三極管陣列示意圖

2.2 光電三極管陣列信號處理電路

文中提出采用FPGA對陣列信號進行采集和處理，其高度并行處理能力相比于DSP更適合于濾波這種重復(fù)性任務(wù)，同時其豐富的LE邏輯單元資源和I/O口資源亦可以替代大量門電路和組合邏輯芯片進行組合邏輯或者時序邏輯設(shè)計，大大縮小了PCB面積［5］。FPGA 芯片選用 Altera公司 CycloneII系列EP2C8Q208C8N，電源3.3 V，內(nèi)核電壓1.2 V，外圍配有EPCS16配置芯片、JTAG和AS下載口、50M晶振電路、復(fù)位電路以及3.3 V和1.2 V的穩(wěn)壓電路。如圖5，F(xiàn)PGA的一部分I/O口與矩陣光電三極管的集電極和發(fā)射極相聯(lián)進行光電三極管陣列矩陣掃描;另一部分為9位輸出端口與單片機相連。因為單片機I/O口是5 V TTL電平標準，所以需將FPGA的I/O口設(shè)置為3.3 V LVTTL電平驅(qū)動單片機9個I/O口，從而實現(xiàn)單片機對FPGA數(shù)據(jù)的讀取。

圖5 FPGA信號采集處理電路示意圖

如圖6，將陣列式光電管參照矩陣鍵盤電路進行矩陣排布，這樣既可以節(jié)省I/O口資源，又可以使后續(xù)的故障維修診斷快速簡便。每個光電三極管的兩端分別連接到FPGA的I/O口，與集電極相連接的I/O口設(shè)置為FPGA的輸出端，與發(fā)射極相連接的I/O口 設(shè)置為FPGA的輸入端。

圖6 FPGA矩陣原理圖

2.3 單片機通信電路

通信電路主要由單片機最小系統(tǒng)、USB通信模塊和RS485轉(zhuǎn)換模塊組成。單片機采用STC公司的STC89C52RC型單片機;USB通訊模塊主要用來連接調(diào)試設(shè)備，該模塊采用PL2303集成芯片，一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器;RS485轉(zhuǎn)換模塊采用廣東致遠RSM485CHT模塊，該模塊符合EIA/TIA-485標準，單片機通過一個I/O口控制RS485模塊的收發(fā)狀態(tài)，通過串口實現(xiàn)與RS485模塊通信。

3 軟件設(shè)計

3.1 FPGA軟件設(shè)計

FPGA軟件是在Quartus II環(huán)境下使用Verilog語言開發(fā)的，F(xiàn)PGA硬件語言主要實現(xiàn)的功能是對矩陣光電三極管動態(tài)掃描和信號數(shù)字濾波。參考矩陣鍵盤掃描采用單向逐行掃描法，這樣不僅可以避免光電三極管單向工作方式的尷尬，又可以確定光電三極管信號的優(yōu)先級，避免數(shù)據(jù)混亂。參照PT100MC0MP光電管手冊，光電管的響應(yīng)時間為幾微秒，因此需將時鐘信號分頻到微秒級。建立矩陣掃描時序關(guān)系，如圖7。

圖7 陣列式光電三極管矩陣掃描時序圖

初始時，將與光電管集電極相連的I/O口O［1］－O［N］統(tǒng)一設(shè)置為 3.3 V LVTTL高電平，然后將O［1］－O［N］每隔20 μs依次設(shè)置為低電平。當O［i］(i=1，2，3，…，N)為低電平時，對 I［1］－I［M］依次進行讀取，若讀取到I［j］為低電平時，則檢測結(jié)束且檢測到的數(shù)據(jù)為 (i－1)*M+j，即第(i－1)*M+j個光電管為皮帶投影邊緣。數(shù)據(jù)采集時，在FPGA內(nèi)部定義一組9位的Memory型數(shù)據(jù)Data［L－1:0］作為皮帶跑偏數(shù)據(jù)暫存存儲器器。如圖6，I［j］和 Data［L－1:0］數(shù)據(jù)的讀取和計算都是在O［i］為低電平時完成的。

讀取到跑偏數(shù)據(jù)的同時，需要對其進行簡單的數(shù)字濾波。跑偏傳感器輸出的信號含有以振動為主的高頻噪聲信號，為了節(jié)約LE資源、提高處理速度，采用滑動平均濾波算法，該算法相當于有一個固定長度L(文中通過多次仿真選定為5)的滑動窗口，沿離散時間序列滑動。每滑動一個采樣間隔，Data［4∶0］隊列數(shù)據(jù)右移，窗口前面進入一個新數(shù)據(jù)Data［0］、后面擠出一個舊數(shù)據(jù)Data［4］，然后對窗口數(shù)據(jù)求平均值，得到的平均值放入到輸出寄存器D［8:0］傳遞給MCU。窗口相當于一個低通濾波器，濾波器的傳遞函數(shù)為， 衰減了較高頻率的振動信號，對數(shù)據(jù)起到了平滑作用。程序綜合后，進行時序仿真，如圖8，數(shù)據(jù)響應(yīng)快，無亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)［7］。

圖8 FPGA硬件時序仿真圖

3.2 單片機軟件設(shè)計

圖9 單片機程序流程圖

單片機軟件用Keil C51進行開發(fā)，主要實現(xiàn)的功能是對FPGA數(shù)據(jù)的讀取和與上位機進行通信，程序流程圖如圖9。

初始化包括串口初始化、I/O初始化、看門狗初始化以及中斷開啟;單片機接受到上位機命令時，立即采集并發(fā)送數(shù)據(jù);幾何補償是指將皮帶投影跑偏數(shù)據(jù)通過簡單的幾何模型換算成皮帶真正的跑偏數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)果

現(xiàn)場實驗時通過用VB開發(fā)的采集軟件進行數(shù)據(jù)采集，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲。開發(fā)時，使用MSCOMM控件實現(xiàn)與下位機通信，數(shù)據(jù)存儲到Excel中，人機交互界面如圖10。

實驗結(jié)果顯示:該系統(tǒng)能夠?qū)ζ芷M行有效實時檢測，精度為1 mm，量程滿足現(xiàn)場需求;將多個跑偏傳感器組網(wǎng)可實現(xiàn)對皮帶秤多處跑偏同時檢測。

圖10 上位機人機交互界面

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)證明，基于FPGA+MCU的皮帶跑偏測量系統(tǒng)能夠滿足實際測量要求，為皮帶秤的跑偏補償提供了必要數(shù)據(jù)，為評價皮帶秤性能提供一定的指標依據(jù)。采用陣列式光電三極管作為檢測元件，成功適應(yīng)了惡劣的現(xiàn)場環(huán)境;采用FPGA作為信號采集和處理核心，大大減小系統(tǒng)檢測儀器的體積，提高了檢測的可靠性，更方便了以后信號處理算法的升級。由此可見，該系統(tǒng)具有一定的推廣與應(yīng)用價值。

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