基于FPGA的高精度薄膜寬度控制儀設(shè)計(jì)

仲　驥,周國平,黃　峰,邢　蘇,何碧漪

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

基于FPGA的高精度薄膜寬度控制儀設(shè)計(jì)

仲驥,周國平,黃峰,邢蘇,何碧漪

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

摘要:為了達(dá)到薄膜生產(chǎn)指標(biāo)，利用線陣電荷耦合器件(CCD)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量，反射式紅外光電傳感器作為反饋控制，并以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為核心控制器，設(shè)計(jì)出一種高精度薄膜寬度控制儀。該裝置能在精確檢測(cè)出生產(chǎn)薄膜的寬度同時(shí)，將其與生產(chǎn)要求的設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)充氣開關(guān)進(jìn)行控制。通過實(shí)驗(yàn)分析，該系統(tǒng)提高了整個(gè)生產(chǎn)過程的精度和可靠性。

關(guān)鍵詞：線陣電荷耦合器件；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；高精度；可靠性

0引言

電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)成像技術(shù)主要用于吹膜生產(chǎn)過程中的非接觸式測(cè)量，生產(chǎn)出的薄膜寬度滿足預(yù)先設(shè)置的要求。控制端由反射式紅外光電傳感器執(zhí)行，目前很多薄膜寬度控制儀都采用單光電頭控制方式，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，受到薄膜抖動(dòng)和光照變化的影響，薄膜精度和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性將會(huì)大打折扣。這會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的薄膜尺寸達(dá)不到精度要求，更有可能浪費(fèi)一大卷薄膜，因此單光電頭吹膜機(jī)想要得到精度上的保障，就得投入大量的人力物力[1]。

本文設(shè)計(jì)通過在線檢測(cè)后反饋給控制系統(tǒng)來控制薄膜寬度，從而生產(chǎn)出的薄膜寬度的精度有了很大提高。

1薄膜寬度控制儀工作原理

系統(tǒng)中有3只光電傳感器，很大程度上減小了吹膜過程中薄膜抖動(dòng)對(duì)產(chǎn)品精度的影響。

本設(shè)計(jì)采用FPGA作為主控單元，根據(jù)反射式紅外光電傳感器感應(yīng)到與薄膜之間的距離控制繼電器切換充氣開關(guān)狀態(tài)。利用線陣CCD檢測(cè)生產(chǎn)過程中的薄膜寬度，假如超出設(shè)定范圍則通過FPGA改變輸出脈寬調(diào)制(PWM)波的占空比調(diào)節(jié)偏差，實(shí)時(shí)控制精度，進(jìn)而達(dá)到閉環(huán)控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1　Overall structure block diagram of system

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

作為光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器，CCD具備了很好的非接觸無損檢測(cè)能力，使其正常工作的關(guān)鍵是要產(chǎn)生相應(yīng)的工作時(shí)序。在設(shè)計(jì)中采用ALTERA公司CycloneII家族的EP2C35F672C6提供多路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將CCD得到的輸出信號(hào)進(jìn)行微分二值化處理(低通濾波、微分取值、過零比較)后的值與系統(tǒng)設(shè)定的值進(jìn)行比較，若測(cè)量誤差超過設(shè)定范圍，則將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)作為反饋調(diào)節(jié)PWM波的占空比，可對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)微調(diào)[2～4]。

2.2TCRT5000電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用了三對(duì)TCRT5000型紅外光電傳感器，并將其固定在薄膜周圍，呈120°，這樣分布使光電頭獲得的信號(hào)更加勻稱，對(duì)測(cè)量過程中外界的影響會(huì)相對(duì)減小，光電頭的位置如圖2所示。

圖2　傳感器位置Fig 2　Position of sensor

在模塊電路中，利用FPGA給PW1～PW3分別提供周期為240 μs，占空比10 %的PWM波，換言之PW1～PW3的三個(gè)PWM波上升沿相隔80 μs,其模塊電路如圖3所示[5]。

圖3　TCRT5000電路Fig 3　TCRT5000 circuit

2.3PWM波的生成

設(shè)計(jì)中運(yùn)用了分頻比較的方法來產(chǎn)生PWM波，首先將算法單元計(jì)算出的占空比值存放入鎖存器內(nèi)，然后與分頻所得的周期信號(hào)進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生高低電平，將經(jīng)過由計(jì)數(shù)器時(shí)控的觸發(fā)模塊后，即可得到所需占空比的PWM波。最后在輸出端加入延時(shí)給PW1～PW3進(jìn)行輸入。

這種方法對(duì)于模擬電路的控制非常有效，且具備較強(qiáng)的抗干擾能力，用所選芯片容易實(shí)現(xiàn)。圖4所示為FPGA產(chǎn)生PWM波的原理框圖[6,7]。

圖4　PWM波產(chǎn)生框圖Fig 4　Block diagram of generation of PWM wave

2.4信號(hào)放大電路

如圖5所示，當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到塑料薄膜靠近與遠(yuǎn)離時(shí)，其P1端輸出信號(hào)必須通過多級(jí)放大電路放大電壓信號(hào)后再進(jìn)行處理，提高了系統(tǒng)的靈敏度。

圖中有6個(gè)NPN管8050，Q2與Q5均處于開關(guān)狀態(tài)，Q3為共射極放大電路，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反，通過RW1來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，即調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度。Q4起反向作用，圖中P3測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)即為正向信號(hào)。Q6為共集電極放大電路，是整個(gè)電路的輸出級(jí)，接入電容器C7充放電，使得P4點(diǎn)輸出一個(gè)變化范圍在0～12 V之間的電壓信號(hào)。總體看整個(gè)電路，隨著P1端的輸入PWM波的變化，則P4端輸出的電壓也會(huì)隨之變化，形成了實(shí)時(shí)控制的作用。

圖5　信號(hào)放大電路Fig 5　Signal amplification circuit

2.5開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)

經(jīng)放大電路放大后輸出的電壓信號(hào)隨薄膜與光電傳感器距離的實(shí)時(shí)變化而變化，若用該電壓信號(hào)直接去控制繼電器開關(guān)，防止電壓在小范圍內(nèi)上下波動(dòng)時(shí)引起系統(tǒng)反復(fù)動(dòng)作，后端的充氣閥無法快速響應(yīng)，甚至可能造成死機(jī)現(xiàn)象。

在此加入了滯環(huán)控制電路，并輸出可供FPGA檢測(cè)。在LM358構(gòu)成的反饋比較器的作用下，環(huán)內(nèi)輸出電壓基本保持不變，這樣繼電器的動(dòng)作次數(shù)減少，延長了開關(guān)的使用壽命[8]。另外，輸出端用電阻分壓，即可達(dá)到FPGA的高低電平檢測(cè)范圍。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為采集和反饋兩部分，由線陣CCD采集出數(shù)據(jù),通過運(yùn)算得到薄膜尺寸，并與設(shè)定范圍進(jìn)行比較，然后用FPGA調(diào)節(jié)PWM波作為反饋，減小紅外光電傳感器受外界影響而產(chǎn)生的偏差。程序設(shè)計(jì)主流程是：用FPGA設(shè)計(jì)出線陣CCD的驅(qū)動(dòng)程序，將線陣CCD采集到的信號(hào)直接由FPGA處理后得到相應(yīng)的薄膜寬度，并存儲(chǔ)顯示。假如所測(cè)寬度在設(shè)定的范圍之內(nèi)，則正常顯示;否則,調(diào)節(jié)PWM波占空比，超過范圍則減小占空比，低于范圍則增大占空比。系統(tǒng)的程序流程如圖6所示。

圖6　程序流程圖Fig 6　Flow chart of program

4數(shù)據(jù)分析

將工廠原有的單光電頭薄膜寬度控制儀與基于FPGA的高精度薄膜寬度控制儀放在同樣的工作環(huán)境，并分別生產(chǎn)寬度為500，300，200 mm的三種不同規(guī)格的薄膜。經(jīng)過一系列測(cè)試，每種規(guī)格取200組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到的平均值與方差結(jié)果如表1所示。

通過數(shù)據(jù)分析，所設(shè)計(jì)的基于FPGA的高精度薄膜寬度控制儀生產(chǎn)數(shù)據(jù)的平均值和方差明顯較低，說明其生產(chǎn)出的薄膜產(chǎn)品精度相對(duì)較高，誤差基本可控制在0.1 mm以內(nèi)。

5結(jié)束語

本文針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)的薄膜寬度控制儀精度不高，系統(tǒng)穩(wěn)定性差的狀況，設(shè)計(jì)出一種基于FPGA的高精度薄膜寬度控制儀，利用線陣CCD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜尺寸,并通過紅外光電傳感器控制薄膜生產(chǎn)過程，若有偏差則通過調(diào)節(jié)PWM

表1　二種薄膜寬度控制儀數(shù)據(jù)

波占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光電傳感器動(dòng)作電路進(jìn)行微調(diào)，結(jié)合了直接測(cè)量和反饋控制方式來保證生產(chǎn)出的薄膜精度。基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的薄膜寬度控制儀工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)精度優(yōu)于±0.05 mm，完全滿足了企業(yè)±0.3 mm的要求。

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Design of high precision thin film width control instrument based on FPGA

ZHONG Ji,ZHOU Guo-ping,HUANG Feng,XING Su,HE Bi-yi

(College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,China)

Abstract:In order to achieve index of thin film production,using linear array CCD to carry out data acquisition and measurement,reflective infrared photoelectric sensor as feedback control,and field programmable gate array(FPGA)is used as core controller,design a high precision thin film width control instrument.The device can detect width of the produced thin film accurately,at the same time,compare it with setting value of production requirements,then realize pneumatic switch control.Through experimental analysis,the system improves precision and reliability of the whole production process.

Key words:linear CCD；FPGA；high precision；reliability

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0094—03

收稿日期：2015—09—08

中圖分類號(hào)：TP 23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000—9787(2016)05—0094—03

作者簡介:

仲驥(1991-)男，江蘇興化人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。