基于SOPC的工業(yè)大型吊車(chē)吊鉤位置測量的設計

1． 引言

在大型工業(yè)吊車(chē)運行中由于吊車(chē)司機位置往往離地面很高（一般為20米到50米），司機很難能準確判斷出吊鉤的準確位置，只能完全依靠地面人員的指揮，這樣效率低下，而且生產(chǎn)安全完全由地面指揮人員負責，發(fā)生事故的概率較高。為了能使吊車(chē)司機知道吊鉤的實(shí)時(shí)準確位置，提高生產(chǎn)率，降低事故的發(fā)生率，本文提出了一種基于SOPC（system on a programmable chip 片上系統）的高度測量方法。SOPC技術(shù)是將整個(gè)系統集成到單一半導體芯片上，在單一芯片上集成數字，信號采集和處理，I/O接口，存儲器，MCU(微處理器)和DSP(數字信號處理器)等芯片。采用SOPC技術(shù)可以減少外圍電路芯片，降低整機成本，提高設計的可靠性。

本文設計采用Atlera公司的FPGA：CycloneII 1P2C8[1]作為系統控制的核心實(shí)現SOPC。其靈活的現場(chǎng)可更改性，可再配置能力，對系統的各種改進(jìn)非常方便，在不更改硬件電路的基礎上還可以進(jìn)一步提高系統的性能。該設計具有高速、精確、可靠、抗干擾性強和現場(chǎng)可編程等優(yōu)點(diǎn)。

2．測量原理

   工業(yè)龍門(mén)吊車(chē)一般由吊鉤、動(dòng)滑輪組、滾筒組成，電機通過(guò)減速機驅動(dòng)滾筒，帶動(dòng)吊鉤在垂直平面上下移動(dòng)。這樣通過(guò)對滾筒的旋轉位移測量而轉換得到吊鉤的垂直位移。通過(guò)在滾筒軸心安裝旋轉編碼器可以實(shí)現對其位移的測量。

        （1）

其中    S  吊鉤對地的垂直距離；

N 吊鉤發(fā)生S位移內旋轉編碼器記錄的脈沖數；

N1 動(dòng)滑輪組數；

N2 旋轉編碼器的P/R；

L  吊鉤的上級限到底面的距離；

D 滾筒直徑。

根據公式（1）可知當旋轉編碼器已定，吊車(chē)的動(dòng)滑輪組數已定，滾筒直徑和吊鉤的上級限到底面的距離可以測量得到，吊鉤對地面的垂直距離就只于吊鉤發(fā)生于地面垂直位移內旋轉編碼器紀錄得脈沖數有關(guān)。

3．整體設計思想

由公式（1）可知，對于吊鉤的垂直位移測量通過(guò)該公式轉換成了對安裝在滾筒同軸的增量旋轉編碼器輸出脈沖的計數。再通過(guò)對于吊車(chē)動(dòng)滑輪組數N1、旋轉編碼器的P/R N2、吊鉤的上級限到底面的距離L和滾筒直徑D這四個(gè)參數的設置，經(jīng)過(guò)計算得出吊鉤對于地平面的垂直距離。

4系統結構及功能

                           圖一

4.1 編碼器信號輸入及光電隔離模塊

編碼器信號輸入模塊負責增量式旋轉編碼器的信號輸入，光電隔離模塊負責編碼器信號和系統板的電隔離。增量旋轉式編碼器選用歐姆龍的E6B2集電極開(kāi)路輸出。由于滾筒直徑比較大（一般大于1m）并且轉動(dòng)速度比較慢，編碼器輸出頻率比較低(<10k/s)，光電耦合器選用TLP系列。此模塊接收編碼器的A，B兩相信號，和吊車(chē)上級限信號（上級限信號是無(wú)源常開(kāi)節點(diǎn)）。當吊車(chē)吊鉤運行到上級限時(shí)，上級限信號閉合，FPGA接收信號并且把上級限到底面的距離L裝載入計數器初值。

4.2 EMI和電源模塊

由于該設計應用于工業(yè)現場(chǎng)，為了解決現場(chǎng)的電源干擾問(wèn)題，本設計使用了X電容，Y電容和共模電感對電源進(jìn)行濾波，通過(guò)變壓器和穩壓模塊得到+24v，+3.3v，+1.5v分別提供編碼器電源電壓，CycloneII 1P2C8的IO口電源電壓和核心電源電壓。

4.3       FPGA控制模塊

FPGA采用Altera CycloneII 1P2C8,該器件擁有8256個(gè)LE單元，36個(gè) M4K模塊，能滿(mǎn)足本設計要求。FPGA模塊采用自頂向下的設計方法[2]，首先自頂向下地生成各設計階層（本設計為二層結構)，將設計任務(wù)分解為不同的功能元件，每個(gè)元件具有專(zhuān)門(mén)定義的輸入輸出并執行專(zhuān)門(mén)的邏輯功能。然后，生成一個(gè)由各功能元件相互連接形成的頂層模塊。最后設計其中的各個(gè)元件。本設計頂層模塊用圖形描述，直觀(guān)，清晰，可擴展性強，底層元件用VHDL[3]描述。

FPGA按功能分解為以下六個(gè)功能塊：濾波模塊(filter)，編碼器相位識別模塊(phasecheck)，裝載模塊(MCload)，計算模塊(Calplus)，雙向計數模塊(Count16bit)，顯示驅動(dòng)模塊(LEDControl)。FPGA 頂層圖形描述見(jiàn)圖一。

系統接收光電碼盤(pán)的信號A，B通過(guò)濾波模塊濾除尖峰，凹峰等信號干擾，通過(guò)編碼盤(pán)相位識別模塊識別吊車(chē)滾筒正轉反轉狀態(tài)（即吊車(chē)吊鉤上移下移狀態(tài)），并且把信號和正反轉狀態(tài)送入雙向計數器記錄脈沖個(gè)數。裝載模塊把N1、N2、 L和 D四個(gè)參數裝載，并計算得到每個(gè)脈沖對應吊鉤的位移距離。計算模塊接收實(shí)時(shí)脈沖數、每個(gè)脈沖對應的吊鉤位移距離和吊鉤的上級限到底面的距離計算出吊鉤實(shí)時(shí)相對于地面的距離，再通過(guò)顯示模塊解碼并直接驅動(dòng)LED顯示吊鉤實(shí)時(shí)高度。以下是濾波模塊的VHDL描述

                               圖一 

library IEEE;

use IEEE.Std_logic_1164.all;

use IEEE.std_logic_signed.all;

use IEEE.std_logic_arith.all;

entity fitter is port(clk，A:in std_logic; AOUT:out std_logic); end entity filter;

architecture Crane of filter is

signal data0,data1,data2,data3,data4,data5:integer range 0 to 1;

signal dataall:integer range 0 to 7;

begin 

process(clk)

begin

      if clk'event and clk='1' then

        if A='1' then data0<=1;else data0<=0;end if;

        data1<=data0;data2<=data1;data3<=data2;data4<=data3;data5<=data4;

        dataall<=data0+data1+data2+data3+data4+data5;

        if (dataall>=3) then  AOUT<='1';  else  AOUT<='0'; end if;

     end if;

end process;

end architecture Crane;

5．應用實(shí)例

本設計成功應用于武鋼二煉鋼56噸龍門(mén)吊車(chē)中。該吊車(chē)上極限離地面距離18m，滾筒直徑1000mm,吊鉤滑輪組數為5，安裝在滾筒軸心的增量式旋轉編碼器為歐姆龍的e6b2-cwz6c漏極輸出式，分辨率為360P/R。 經(jīng)過(guò)計算每個(gè)脈沖對應吊鉤上下距離為1.74mm，裝載計數器的初值為10345。

調試初期發(fā)現吊鉤顯示位移比理論值要大，但是在實(shí)驗室條件下正常，故懷疑編碼器脈沖輸出在現場(chǎng)受到干擾。在現場(chǎng)換了屏蔽線(xiàn)后此現象依然存在，用便攜式示波器觀(guān)測發(fā)現，編碼器信號在經(jīng)歷一定長(cháng)度傳輸后信號發(fā)生了畸變，每個(gè)脈沖的高電平中間有48us凹峰，經(jīng)過(guò)光耦進(jìn)入FPGA時(shí)就引起了誤計數，針對此凹峰我們設計了開(kāi)窗濾波器(filter),經(jīng)過(guò)實(shí)際調試消除了現場(chǎng)干擾問(wèn)題，圖二是從現場(chǎng)采集的波形，圖三是加濾波器采集到的波形。

               圖二                                 

  圖三

6結束語(yǔ)

  本文提出了應用FPGA和旋轉編碼器的SOPC設計測量工業(yè)大型吊車(chē)吊鉤位置。該設計具有測量精度高、成本低、運行可靠、維護量少的特點(diǎn)。該設計成功應用于武鋼二煉鋼，其吊車(chē)主要任務(wù)是將煉鋼完成后的鋼包從距離地面約九米的操作臺吊到地面冷卻區域冷卻，由于鋼包體積較大，一般司機憑感覺(jué)將吊鉤碰撞一下著(zhù)鉤處才能定位，由于吊鉤重量很重（ 大約1噸）這種碰撞對于承載鋼包的萬(wàn)向軸危害很大，在應用本設計后吊車(chē)司機能很準確的知道吊鉤的位置而不用靠碰撞來(lái)定位，延長(cháng)了萬(wàn)向軸的壽命，提高了一次定位成功率，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1] Cyclone II Device Handbook. www.altera.com
[2] skahiuk.可編程邏輯系統的VHDL設計技術(shù)。南京:東南大學(xué)出版社，1998
[3] 林敏,方穎立。VHDL數字系統設計與高層次綜合「M].北京:電子工業(yè)出版社，2002。