基于FPGA的機(jī)械振動(dòng)臺(tái)自動(dòng)定中系統(tǒng)

0 引言
在力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中，振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛，尤其是國(guó)防科技應(yīng)用中的火藥裝填，即通過(guò)一定的振級(jí)和時(shí)間將火藥填實(shí)，其工作過(guò)程為將火藥罐體固定于機(jī)械振動(dòng)臺(tái)上，然后設(shè)定相應(yīng)的振動(dòng)頻率及振動(dòng)幅度，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的振動(dòng)條件后，火藥便通過(guò)導(dǎo)向槽向罐體內(nèi)充填。此后，隨著時(shí)間的增加，振動(dòng)上火藥加罐體的重量隨之增加，而機(jī)械臺(tái)臺(tái)面安裝于空氣彈簧上，它隨著臺(tái)面上的重量的增加會(huì)下降，如果下降超過(guò)機(jī)械臺(tái)所能要求的能力，就可能出現(xiàn)事故，因此要求有一套自動(dòng)定中系統(tǒng)，在機(jī)械臺(tái)靜態(tài)和振動(dòng)狀態(tài)均能自動(dòng)保持中間位置。

1 總體方案
要滿(mǎn)足機(jī)械臺(tái)臺(tái)面靜態(tài)和振動(dòng)狀態(tài)均能自動(dòng)保持中間位置，用分立器件判斷臺(tái)面極限位置的方法往往難以適應(yīng)。解決此問(wèn)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(lái)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)的位置信號(hào)傳遞給系統(tǒng)，然后由系統(tǒng)判定臺(tái)面是處于靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)，再判定臺(tái)面偏高還是偏低，分別處理，最后通過(guò)兩個(gè)電磁閥來(lái)對(duì)機(jī)械臺(tái)進(jìn)行充氣或放氣。

2 電路組成
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)有以下幾種情況：一是在系統(tǒng)正常振動(dòng)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(duì)方波信號(hào)；二是當(dāng)臺(tái)面位置發(fā)生變化后，振動(dòng)時(shí)兩個(gè)光纖輸出的脈沖占空比會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)臺(tái)面靜止或臺(tái)面受到其他因素而低于4 Hz振動(dòng)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(dòng)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(hào)觸發(fā)模塊，信號(hào)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(hào)：參考時(shí)鐘、預(yù)讀信號(hào)、鎖存信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)。其中參考時(shí)鐘用于信號(hào)觸發(fā)模塊中信號(hào)占空比的測(cè)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(hào)read用于啟動(dòng)比較模塊中靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)信號(hào)的判定。鎖存信號(hào)lock用于對(duì)比較模塊輸出的繼電器控制狀態(tài)信號(hào)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(hào)。觸發(fā)信號(hào)trig用于啟動(dòng)觸發(fā)模塊及對(duì)信號(hào)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(tái)面狀態(tài)變化情況。其時(shí)序如圖2所示。

2．2 信號(hào)觸發(fā)模塊
臺(tái)面位置發(fā)生變化后，在振動(dòng)時(shí)，兩個(gè)光纖輸出的脈沖占空比就會(huì)發(fā)生變化。因此需要測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的高電平寬度，其測(cè)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(cè)量，下半部分用于脈沖串二的高電平測(cè)量。