朱亮，李東波，李妍，袁延強(qiáng)

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094;2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京江蘇210094;3.南京地鐵運(yùn)營(yíng)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(lái)，隨著我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，其精度會(huì)有所下降，這是由于皮帶張力、跑偏和現(xiàn)場(chǎng)溫度等緣故。因此，為了保持甚至進(jìn)一步提高皮帶秤精度，針對(duì)皮帶跑偏這一主要原因設(shè)計(jì)出一套能夠?qū)崟r(shí)精確檢測(cè)出跑偏量的皮帶跑偏檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)跑偏檢測(cè)不僅能對(duì)皮帶秤精度進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)還可以衡量皮帶秤的整體性能［1－2］。

非接觸式跑偏檢測(cè)一般采用的是CCD或PSD傳感器，針對(duì)兩者信號(hào)處理復(fù)雜、開(kāi)發(fā)成本高且對(duì)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(mén)電路和組合邏輯電路進(jìn)行數(shù)字信號(hào)采集處理［5］，采用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)通信網(wǎng)關(guān)，上位機(jī)采集軟件使用 VB 進(jìn)行開(kāi)發(fā)［6］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)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(cè)量時(shí)，點(diǎn)光源照射皮帶及光電管陣列，陣列輸出若干個(gè)5 V TTL電平信號(hào);輸出的電平信號(hào)由FPGA進(jìn)行動(dòng)態(tài)矩陣掃描，掃描后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理得到9位并行數(shù)據(jù)，再上傳至單片機(jī);單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)一步打包處理傳送至數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

皮帶跑偏傳感器主要由光電三極管陣列構(gòu)成，同時(shí)配以輔助的照射光源。

(1)照射光源

考慮到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境，傳感器設(shè)計(jì)中選擇了使用波長(zhǎng)為880 nm的近紅外光源。光源使用普通的點(diǎn)光源、合適放置即可，無(wú)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(zhǎng)880 nm。由于光電三極管在光照射時(shí)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(kāi)關(guān)元件。每個(gè)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(hào)。

圖3 光電三極管測(cè)量單元

如圖4，序號(hào)1－N(N為光電三極管總數(shù))都代表著有編號(hào)的光電三極管，編號(hào)相鄰光電管錯(cuò)開(kāi)排放，間隔d為1 mm，整個(gè)陣列分三排，這樣既能保證一定的測(cè)量精度又能保證各個(gè)接受元件不會(huì)互相干擾。檢測(cè)時(shí)，光電三極管陣列的信號(hào)采集類(lèi)似于優(yōu)先編碼器存在著優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)由程序來(lái)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(hào)處理電路

文中提出采用FPGA對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)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(shí)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(mén)電路和組合邏輯芯片進(jìn)行組合邏輯或者時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jī)相連。因?yàn)閱纹瑱C(jī)I/O口是5 V TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，所以需將FPGA的I/O口設(shè)置為3.3 V LVTTL電平驅(qū)動(dòng)單片機(jī)9個(gè)I/O口，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)FPGA數(shù)據(jù)的讀取。

圖5 FPGA信號(hào)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(pán)電路進(jìn)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(jiǎn)便。每個(gè)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(jī)通信電路

通信電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、USB通信模塊和RS485轉(zhuǎn)換模塊組成。單片機(jī)采用STC公司的STC89C52RC型單片機(jī);USB通訊模塊主要用來(lái)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(yuǎn)RSM485CHT模塊，該模塊符合EIA/TIA-485標(biāo)準(zhǔn)，單片機(jī)通過(guò)一個(gè)I/O口控制RS485模塊的收發(fā)狀態(tài)，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與RS485模塊通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA軟件是在Quartus II環(huán)境下使用Verilog語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，F(xiàn)PGA硬件語(yǔ)言主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)矩陣光電三極管動(dòng)態(tài)掃描和信號(hào)數(shù)字濾波。參考矩陣鍵盤(pán)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(hào)的優(yōu)先級(jí)，避免數(shù)據(jù)混亂。參照PT100MC0MP光電管手冊(cè)，光電管的響應(yīng)時(shí)間為幾微秒，因此需將時(shí)鐘信號(hào)分頻到微秒級(jí)。建立矩陣掃描時(shí)序關(guān)系，如圖7。

圖7 陣列式光電三極管矩陣掃描時(shí)序圖

初始時(shí)，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(dāng)O［i］(i=1，2，3，…，N)為低電平時(shí)，對(duì) I［1］－I［M］依次進(jìn)行讀取，若讀取到I［j］為低電平時(shí)，則檢測(cè)結(jié)束且檢測(cè)到的數(shù)據(jù)為 (i－1)*M+j，即第(i－1)*M+j個(gè)光電管為皮帶投影邊緣。數(shù)據(jù)采集時(shí)，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(chǔ)器器。如圖6，I［j］和 Data［L－1:0］數(shù)據(jù)的讀取和計(jì)算都是在O［i］為低電平時(shí)完成的。

讀取到跑偏數(shù)據(jù)的同時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波。跑偏傳感器輸出的信號(hào)含有以振動(dòng)為主的高頻噪聲信號(hào)，為了節(jié)約LE資源、提高處理速度，采用滑動(dòng)平均濾波算法，該算法相當(dāng)于有一個(gè)固定長(zhǎng)度L(文中通過(guò)多次仿真選定為5)的滑動(dòng)窗口，沿離散時(shí)間序列滑動(dòng)。每滑動(dòng)一個(gè)采樣間隔，Data［4∶0］隊(duì)列數(shù)據(jù)右移，窗口前面進(jìn)入一個(gè)新數(shù)據(jù)Data［0］、后面擠出一個(gè)舊數(shù)據(jù)Data［4］，然后對(duì)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(dāng)于一個(gè)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(dòng)信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)起到了平滑作用。程序綜合后，進(jìn)行時(shí)序仿真，如圖8，數(shù)據(jù)響應(yīng)快，無(wú)亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)［7］。

圖8 FPGA硬件時(shí)序仿真圖

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖9 單片機(jī)程序流程圖

單片機(jī)軟件用Keil C51進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)FPGA數(shù)據(jù)的讀取和與上位機(jī)進(jìn)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(mén)狗初始化以及中斷開(kāi)啟;單片機(jī)接受到上位機(jī)命令時(shí)，立即采集并發(fā)送數(shù)據(jù);幾何補(bǔ)償是指將皮帶投影跑偏數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何模型換算成皮帶真正的跑偏數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)用VB開(kāi)發(fā)的采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)。開(kāi)發(fā)時(shí)，使用MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)通信，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Excel中，人機(jī)交互界面如圖10。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:該系統(tǒng)能夠?qū)ζ芷M(jìn)行有效實(shí)時(shí)檢測(cè)，精度為1 mm，量程滿足現(xiàn)場(chǎng)需求;將多個(gè)跑偏傳感器組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶秤多處跑偏同時(shí)檢測(cè)。

圖10 上位機(jī)人機(jī)交互界面

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，基于FPGA+MCU的皮帶跑偏測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際測(cè)量要求，為皮帶秤的跑偏補(bǔ)償提供了必要數(shù)據(jù)，為評(píng)價(jià)皮帶秤性能提供一定的指標(biāo)依據(jù)。采用陣列式光電三極管作為檢測(cè)元件，成功適應(yīng)了惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境;采用FPGA作為信號(hào)采集和處理核心，大大減小系統(tǒng)檢測(cè)儀器的體積，提高了檢測(cè)的可靠性，更方便了以后信號(hào)處理算法的升級(jí)。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)具有一定的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

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