基于FPGA的機(jī)械振動臺自動定中系統(tǒng)

0 引言
在力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中，振動試驗(yàn)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(shí)間將火藥填實(shí)，其工作過程為將火藥罐體固定于機(jī)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_(dá)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(shí)間的增加，振動上火藥加罐體的重量隨之增加，而機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)，二是采用嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)雖然價(jià)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(jià)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(jì)集成電路一樣，利用FPGA可節(jié)省電路開發(fā)的費(fèi)用與時(shí)間，因此，本文提出了一套基于FPGA的嵌入系統(tǒng)來實(shí)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(gè)電磁閥來對機(jī)械臺進(jìn)行充氣或放氣。

2 電路組成
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會有以下幾種情況：一是在系統(tǒng)正常振動時(shí)，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(shí)兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)光纖輸出的脈沖幾乎為一個(gè)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(jì)了三個(gè)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(shí)鐘、預(yù)讀信號、鎖存信號、觸發(fā)信號。其中參考時(shí)鐘用于信號觸發(fā)模塊中信號占空比的測量計(jì)數(shù)，考慮到計(jì)數(shù)器的容量，我們?nèi)⒖紩r(shí)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(jì)數(shù)器清零，以判定一定間隔時(shí)間后的臺面狀態(tài)變化情況。其時(shí)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(shí)，兩個(gè)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(gè)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。