基于FPGA的高速壓電板形儀信號(hào)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 豐，杜鳳山，肖海榮

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004;2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004;3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 引言

在金屬薄板帶材的軋制過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)被軋制板帶的應(yīng)力分布情況是非常重要的。如果薄板帶在軋制生產(chǎn)線上的應(yīng)力分布不均勻，軋制完成的帶材會(huì)發(fā)生扭曲、起浪等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響帶材質(zhì)量甚至于成為廢品。

目前，國(guó)內(nèi)薄板帶軋制生產(chǎn)線上的板形檢測(cè)設(shè)備均來(lái)自進(jìn)口，國(guó)際上能提供板形儀的公司主要有瑞典ABB公司、德國(guó)BFI公司等［1－3］。進(jìn)口的板形儀價(jià)格昂貴，維修維護(hù)成本很高，且很多情況下不適用國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的軋制生產(chǎn)線需求。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的薄板帶軋制質(zhì)量檢測(cè)板形儀是我國(guó)鋼鐵工業(yè)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)外的板形儀設(shè)計(jì)方案中，有少量型號(hào)是采用非接觸測(cè)量方式，但是這種方式精度比較低，信號(hào)容易失真［4］。接觸式板形儀檢測(cè)信號(hào)是直接信號(hào)，板形檢測(cè)精度高，信號(hào)保真性能好，仍然是主要的板形檢測(cè)手段。在國(guó)內(nèi)外廣泛采用的接觸式板形儀實(shí)現(xiàn)方案中，板形儀檢測(cè)輥內(nèi)多個(gè)應(yīng)力傳感器的輸出信號(hào)多是經(jīng)過(guò)機(jī)械滑環(huán)從轉(zhuǎn)動(dòng)部分引到非轉(zhuǎn)動(dòng)部分，然后在非轉(zhuǎn)動(dòng)部分用DSP采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，最后再通過(guò)PC機(jī)根據(jù)采樣的板形數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軋制過(guò)程的精確控制［5－6］。機(jī)械滑環(huán)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在高速旋轉(zhuǎn)條件下會(huì)因?yàn)槟p等原因容易損壞，需要經(jīng)常更換，影響生產(chǎn)效率的同時(shí)也提高了維護(hù)成本。

針對(duì)我國(guó)鋼鐵加工領(lǐng)域的實(shí)際需求，燕山大學(xué)軋機(jī)研究所近年來(lái)開(kāi)始自主研發(fā)能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)薄板帶軋制生產(chǎn)線需求的板形儀。采用具有更好動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)靈敏度的壓電傳感器［7－8］作為板形應(yīng)力檢測(cè)元件;用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)采集、處理與無(wú)線編碼的控制邏輯;通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的信號(hào)傳遞。在滿足高速板型儀對(duì)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)有效地解決了采用機(jī)械滑環(huán)方案存在的相關(guān)問(wèn)題。項(xiàng)目研究成果對(duì)于提升我國(guó)板帶軋制技術(shù)的整體水平具有重要的意義。

1 板型儀工作原理

板形儀的作用是用來(lái)檢測(cè)薄板帶軋制過(guò)程中薄板帶材上的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而利用獲取的應(yīng)力分布信息實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)軋制線上軋輥的控制。板形儀在軋制線上的安裝形式如圖1所示，板形儀被安裝在軋制生產(chǎn)線的軋制出口處。薄板帶在軋輥和傳動(dòng)輥的帶動(dòng)下從左到右高速運(yùn)動(dòng)，板帶經(jīng)過(guò)板形儀時(shí)會(huì)對(duì)板形儀內(nèi)的壓電傳感器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的應(yīng)力作用，通過(guò)對(duì)壓電傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)即能夠反映軋制過(guò)程中薄板帶內(nèi)部的應(yīng)力分布信息，從而為軋制系統(tǒng)提供板形反饋信息。

圖1 板帶軋制生產(chǎn)線中的板形儀安裝位置

圖2為所設(shè)計(jì)的板形儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)板形儀系統(tǒng)可以分成旋轉(zhuǎn)部分和固定部分。圖2中虛線框內(nèi)的部分是安裝在軸承上跟隨被軋制板帶旋轉(zhuǎn)的檢測(cè)輥主體部分，本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)安裝在檢測(cè)輥軸頭部分，隨檢測(cè)輥主體一起旋轉(zhuǎn)。虛線外左邊部分是無(wú)線接收單元和工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其作用是接收來(lái)自信號(hào)采集及處理系統(tǒng)無(wú)線發(fā)射過(guò)來(lái)的板帶信息，并通過(guò)軋機(jī)系統(tǒng)控制模型生成軋制生產(chǎn)線的自動(dòng)控制命令。

在檢測(cè)輥主體部分，10個(gè)壓電傳感器被交替地布置在檢測(cè)輥圓周上，上半部分的5個(gè)傳感器和下半部分的5個(gè)傳感器各自成一條直線。這種布置方法的好處是:一方面可以在檢測(cè)輥轉(zhuǎn)過(guò)一周的過(guò)程中對(duì)板形進(jìn)行兩次檢測(cè);另一方面也減少了需要同時(shí)采樣的模擬信號(hào)通道數(shù)量，降低A/D轉(zhuǎn)換器及信號(hào)處理系統(tǒng)的速度要求，更容易滿足高速軋制生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)性需求。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是同一直線上的傳感器距離比較遠(yuǎn)，對(duì)板帶應(yīng)力檢測(cè)的細(xì)密程度降低，但是通過(guò)后續(xù)的數(shù)學(xué)處理方法進(jìn)行預(yù)測(cè)和插補(bǔ)，仍然可以滿足工業(yè)板帶生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)板形檢測(cè)精度的需要。

圖2 板形儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析與實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)采集與處理系統(tǒng)整體方案

針對(duì)高速板帶軋制系統(tǒng)中板形儀對(duì)信號(hào)采集處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，本文用FPGA和高速A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套多路模擬信號(hào)實(shí)時(shí)采集、處理和無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

為了完成對(duì)檢測(cè)輥內(nèi)10路壓電傳感器模擬輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣和處理，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的板形儀信號(hào)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由隨檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分組成，其中隨檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括壓電傳感器、電荷放大器、高速模擬多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA和無(wú)線發(fā)射裝置。

圖3 板形儀信號(hào)采集與處理系統(tǒng)框圖

其詳細(xì)工作過(guò)程為:位于檢測(cè)輥內(nèi)一條直線上的每一路壓電傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)放大器放大后進(jìn)入高速模擬多路開(kāi)關(guān)，然后通過(guò)FPGA控制邏輯逐通道選擇某一路模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，將被采樣信號(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器在FPGA的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下完成信號(hào)采樣，并暫存到FPGA片內(nèi)的RAM陣列中。上述采樣過(guò)程只有當(dāng)輥體內(nèi)的壓電傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)到板帶作用范圍內(nèi)時(shí)才開(kāi)始啟動(dòng)，檢測(cè)輥的位置信息通過(guò)外光電編碼器來(lái)確定。當(dāng)壓電傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)離開(kāi)板帶作用范圍時(shí)停止采樣。在有效作用范圍內(nèi)，每一個(gè)模擬通道都將完成85次的采樣，待所有通道的數(shù)據(jù)采樣完成后，在FPGA內(nèi)部完成每一通道的數(shù)據(jù)排序、濾波和最大值提取，最后再通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置將采樣處理結(jié)果發(fā)送到工控機(jī)。當(dāng)檢測(cè)輥內(nèi)另外一組傳感器進(jìn)入到板帶作用范圍時(shí)，再進(jìn)行新的信號(hào)采集處理和無(wú)線發(fā)射工作。

2.2 信號(hào)采樣方案設(shè)計(jì)

在板帶軋制過(guò)程中，為了保證板形檢測(cè)的同時(shí)性，位于同一條直線上的5個(gè)傳感器在理論上要求同時(shí)采樣，且采樣時(shí)刻需要在檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)到板帶壓力最大處進(jìn)行。

在實(shí)際板帶軋制過(guò)程中，板帶對(duì)檢測(cè)輥壓力最大的位置是無(wú)法確定的。所以本系統(tǒng)采取的方法為:如圖4所示，當(dāng)位于某一條直線上的壓電傳感器進(jìn)入到板帶作用包角范圍內(nèi)(本項(xiàng)目中機(jī)械設(shè)計(jì)部分的板帶對(duì)檢測(cè)輥包角為15°)即開(kāi)始采樣，采樣觸發(fā)脈沖由編碼器輸出的脈沖生成。每次編碼器脈沖到來(lái)即開(kāi)始一條直線上5個(gè)傳感器的一次信號(hào)采樣，在下一個(gè)編碼器脈沖到來(lái)之前需要完成5個(gè)通道的采樣以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。最后當(dāng)傳感器轉(zhuǎn)出板帶包角的時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和無(wú)線編碼發(fā)送，這一過(guò)程必須在位于檢測(cè)輥圓周另外一邊的一組傳感器進(jìn)入板帶包角之前全部完成。

為了滿足高速數(shù)據(jù)采集的要求，本文選用了ADG716高速開(kāi)關(guān)作為模擬通道選擇芯片，其開(kāi)關(guān)時(shí)間為30 ns，導(dǎo)通電阻為4 Ω;A/D轉(zhuǎn)換器選擇AD9240，其分辨率為14位，最大工作時(shí)鐘為10 MHz，4級(jí)流水線結(jié)構(gòu);主邏輯控制芯片采用Spartan3系列的XC3S250E FPGA實(shí)現(xiàn)。

圖4 應(yīng)力傳感器的采樣范圍區(qū)間

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的板形儀檢測(cè)輥周長(zhǎng)為1 m，最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，即轉(zhuǎn)速為40 r/s;在板形儀檢測(cè)輥軸頭安裝2 048脈沖/圈的光電編碼器用來(lái)確定檢測(cè)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，編碼器每脈沖的時(shí)間間隔可以按照下式計(jì)算

即在最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，檢測(cè)輥轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中大約每12.2 μs編碼器就會(huì)輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)之前的12.2 μs時(shí)間內(nèi)，信號(hào)采集系統(tǒng)需要完成當(dāng)前位于板帶作用區(qū)內(nèi)的5個(gè)傳感器的信號(hào)采樣和存儲(chǔ)工作。根據(jù)板形檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際要求，5個(gè)傳感器通道逐個(gè)進(jìn)行采樣，那么A/D轉(zhuǎn)換器的流水線機(jī)制無(wú)法發(fā)揮作用，每個(gè)通道開(kāi)始時(shí)都要重新開(kāi)始采樣，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)(本文中A/D轉(zhuǎn)換器主驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)為8 MHz)，4級(jí)流水線完成一個(gè)通道的采樣共耗時(shí)0.5 μs，則在12.2 μs時(shí)間內(nèi)完成5個(gè)數(shù)據(jù)通道還是有很大的時(shí)間余量的，能夠滿足系統(tǒng)工作對(duì)采樣速度的要求。

2.3 FPGA主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5是設(shè)計(jì)的FPGA控制系統(tǒng)內(nèi)部功能單元?jiǎng)澐帜K圖，各功能模塊用VHDL語(yǔ)言描述設(shè)計(jì)。其中模擬多路開(kāi)關(guān)控制和A/D轉(zhuǎn)換器控制部分用來(lái)根據(jù)芯片的工作時(shí)序生成驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，完成多模擬通道切換和數(shù)據(jù)采集。FPGA片內(nèi)RAM陣列控制和數(shù)據(jù)排序單元負(fù)責(zé)將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)和后期的最大應(yīng)力值提取。采樣數(shù)據(jù)編碼單元將處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線發(fā)射邏輯單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機(jī)上的無(wú)線接收單元上。采用Zigbee芯片CC2530實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射，F(xiàn)PGA通過(guò)串口方式同CC2530進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖5 FPGA控制系統(tǒng)內(nèi)部功能單元模塊圖

圖6是FPGA主控制系統(tǒng)的控制流程圖。具體控制過(guò)程簡(jiǎn)單描述為:FPGA系統(tǒng)上電后，等待進(jìn)入有效采樣范圍的觸發(fā)脈沖到來(lái)，當(dāng)傳感器進(jìn)入采樣包角范圍內(nèi)后，等待編碼器的采樣脈沖。當(dāng)有脈沖到來(lái)時(shí)即開(kāi)始依次對(duì)該位置上5個(gè)模擬通道進(jìn)信號(hào)采集和存儲(chǔ)，然后等待編碼器的下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)，進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)采樣和存儲(chǔ)。直到檢測(cè)輥轉(zhuǎn)出了板帶應(yīng)力作用區(qū)時(shí)采樣過(guò)程結(jié)束，開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)處理和無(wú)線編碼傳輸。然后等待另外5個(gè)傳感器進(jìn)入到檢測(cè)包角范圍內(nèi)時(shí)也進(jìn)行同樣的處理。

圖6 FPGA信號(hào)采集處理系統(tǒng)工作流程圖

3 試驗(yàn)研究

按照上述設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)完成了一套基于FPGA的高速壓電板形儀信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，并成功應(yīng)用到自主研發(fā)的某型號(hào)薄板帶高速板形儀試驗(yàn)系統(tǒng)中(所設(shè)計(jì)的信號(hào)采集處理系統(tǒng)安裝在檢測(cè)輥的軸頭隨軸轉(zhuǎn)動(dòng))。

圖7為試驗(yàn)中通過(guò)示波器直接測(cè)量檢測(cè)輥內(nèi)某一應(yīng)力傳感器在輥體對(duì)應(yīng)位置受到?jīng)_擊時(shí)的響應(yīng)信號(hào)波形。在板形儀的具體工業(yè)應(yīng)用需求中，只要求獲取每一個(gè)模擬通道所受的最大應(yīng)力量值即可，不要求完全獲知整個(gè)沖擊過(guò)程的應(yīng)力變化過(guò)程。這實(shí)際上降低了信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和無(wú)線傳輸速率的要求。

圖7 檢測(cè)輥內(nèi)某一應(yīng)力傳感器的響應(yīng)輸出信號(hào)波形

表1給出了在某一個(gè)應(yīng)力傳感器上施加不同壓力時(shí)信號(hào)采樣系統(tǒng)無(wú)線發(fā)射過(guò)來(lái)的經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的FPGA信號(hào)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)能夠可靠地實(shí)現(xiàn)板帶應(yīng)力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，信號(hào)采樣與處理后的精度能夠滿足板形儀設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)際需求。

表1 信號(hào)采集系統(tǒng)應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高速壓電板形儀對(duì)板形信號(hào)檢測(cè)需求的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)完成了一套基于FPGA的高速模擬信號(hào)采集、處理與無(wú)線通信系統(tǒng)。有效地解決了高速旋轉(zhuǎn)體上多路模擬信號(hào)的采集與處理，通過(guò)無(wú)線通信方式克服了采用滑環(huán)引出模擬信號(hào)所存在的諸多缺點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min的高速板形儀的實(shí)際要求，已經(jīng)在某型號(hào)高速冷軋板形儀系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

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