基于FPGA的機械振動(dòng)臺自動(dòng)定中系統

0 引言
在力學(xué)環(huán)境試驗中，振動(dòng)試驗應用最為廣泛，尤其是國防科技應用中的火藥裝填，即通過(guò)一定的振級和時(shí)間將火藥填實(shí)，其工作過(guò)程為將火藥罐體固定于機械振動(dòng)臺上，然后設定相應的振動(dòng)頻率及振動(dòng)幅度，當到達設定的振動(dòng)條件后，火藥便通過(guò)導向槽向罐體內充填。此后，隨著(zhù)時(shí)間的增加，振動(dòng)上火藥加罐體的重量隨之增加，而機械臺臺面安裝于空氣彈簧上，它隨著(zhù)臺面上的重量的增加會(huì )下降，如果下降超過(guò)機械臺所能要求的能力，就可能出現事故，因此要求有一套自動(dòng)定中系統，在機械臺靜態(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)足機械臺臺面靜態(tài)和振動(dòng)狀態(tài)均能自動(dòng)保持中間位置，用分立器件判斷臺面極限位置的方法往往難以適應。解決此問(wèn)題的方案有兩種：一是采用單片機系統，二是采用嵌入式系統。單片機系統雖然價(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；而嵌入式系統中，基于CPU的嵌入系統價(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，因而其在數字系統中的應用越來(lái)越廣泛。如同自行設計集成電路一樣，利用FPGA可節省電路開(kāi)發(fā)的費用與時(shí)間，因此，本文提出了一套基于FPGA的嵌入系統來(lái)實(shí)現自動(dòng)定中，其系統方案如圖1所示。

圖中，光纖一和光纖二將振動(dòng)的位置信號傳遞給系統，然后由系統判定臺面是處于靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)，再判定臺面偏高還是偏低，分別處理，最后通過(guò)兩個(gè)電磁閥來(lái)對機械臺進(jìn)行充氣或放氣。

2 電路組成
系統運行時(shí)，會(huì )有以下幾種情況：一是在系統正常振動(dòng)時(shí)，光纖一和光纖二輸出的波形為占空比為50％且方向相反的一對方波信號；二是當臺面位置發(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。當臺面靜止或臺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，需要系統根據脈沖情況自動(dòng)分辨，本文在FPGA內設計了三個(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數，考慮到計數器的容量，我們取參考時(shí)鐘為100 kHz。預讀信號read用于啟動(dòng)比較模塊中靜態(tài)還是動(dòng)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(dòng)觸發(fā)模塊及對信號比較模塊中的計數器清零，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(dòng)時(shí)，兩個(gè)光纖輸出的脈沖占空比就會(huì )發(fā)生變化。因此需要測量?jì)陕沸盘栐谝粋€(gè)振動(dòng)周期內的高電平寬度，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。