基于FPGA的色選機下料振動器振動狀態檢測系統設計

(1.合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，合肥 230009;2.航空結構件成型制造與裝備實驗室，合肥 230009;3.安徽中科光電色選機械有限公司，合肥 230012)

0 引言

下料振動器是色選機的重要的組成部件之一。由于電網電壓的波動和色選下料過程中物料重量的突然變化等多種外界因素的存在，下料振動器的振幅會發生較大的變化，使得物料下落速率不穩定且下料量不均勻，從而導致色選精度和產量受到嚴重的影響[1]。對此，有必要對下料振動器的振動狀態進行檢測，及時發現振動器存在的問題及原因，以便有針對性地對振動器進行改進，從而減小或消除由于振動器的工作異常帶來的色選效果差的影響。

相比于單片機和多數其他器件，FPGA具有高性能、低成本、高速率和高穩定性的特點[2]，本課題正是利用FPGA的這種優良的特點，以FPGA為核心實現振動信號的采集、處理、傳輸與通信，將工作狀態下振動器的振幅變化情況實時地傳輸到上位機顯示界面中，通過觀測振幅波形曲線的變化，了解振動器的工作情況，從而對振動器的調整與改進提供相應的參考?？傮w來說，本系統具有速率快、精度高和實時性強的優勢，從而保證整個系統具有較好的工作性能。

1 檢測系統整體框架及其工作原理

如圖1所示是色選機下料振動器振動狀態檢測系統的系統結構原理框圖，其中下料振動器是由底盤、隔振彈簧、電磁線圈、銜鐵、彈片和物料斗組成，實際上可以將它等效成為雙質點雙自由度的強迫振動系統模型[3]。當振動器通電后，電流流過電磁線圈使其產生一定的電磁吸引力，銜鐵受力后會使得彈片產生一定的形變，從而使物料斗朝著送料方向運動，通過控制電源信號的幅值和頻率就可以讓物料斗產生一定幅度和頻率的來回運動，實現下料功能[4]。

圖1 色選機下料振動器振動狀態檢測系統框圖

為了準確地得到振動器的工作狀態，需要對可能存在的振動方向做全面的檢測，在此本文定義了振動器的振動方向，如圖1所示。其中，X方向為送料方向的水平垂直方向，這個方向上若存在較大的振動就會使得滑槽各個通道物料下落量不均勻；Z方向為豎直方向，如果這個方向存在較大的振動，會使得物料跳動；而Y方向為送料方向，這個方向的振動量必須合適，振動過大會使得下料過快，影響色選精度；振動過小會嚴重影響色選產量，因此Y方向需要有合適的振動量。

振動狀態檢測系統主要由振動加速度傳感器、FPGA處理板卡和上位機顯示器件組成。如圖1所示，振動加速度傳感器安裝在物料斗上，用于采集物料斗工作狀態下的加速度信號，然后通過相應的預處理，包括信號的濾波、放大、AD轉換和隔離等，由TTL傳輸線將采集到的數據發送給FPGA處理板卡；FPGA板卡用于配置采集數據時的時鐘和控制信號，以及與上位機進行數據通信；上位機顯示器件主要用于顯示振動數據波形和最大振幅等參數。

2 檢測系統硬件設計和關鍵器件選擇

檢測系統硬件包括振動加速度傳感器和FPGA處理板卡，前者主要負責振動信號的采集和預處理，后者用于數據采集過程中的信號控制以及與上位機通信。

2.1 振動加速度傳感器

振動加速度傳感器是整個檢測系統的第一級，如圖2所示是振動加速度傳感器的硬件電路各個部分示意圖，圖中箭頭的方向就是振動數據的數據流傳輸方向。該模塊的目的是采集下料振動器工作時的振動數據，并將其轉換為數字量提供給FPGA進行后續處理和通信。

圖2 振動加速度傳感器內部原理框圖

采集模塊選擇了亞德諾半導體公司(Analog Devices)的振動加速度傳感器芯片ADXL326為核心器件，可采集X、Y和Z三個方向的振動加速度，采集范圍為±16 g(g為重力加速度且g=9.81 m/s2)，可將加速度信號轉化為電壓信號，在供電電壓Vs=3.3 V時的轉換系數為60 mV/g，具有十分良好的采集特性。三個方向的振動加速度被采集到后，經過信號放大電路和跟隨電路，同時經電容濾波和去耦等預處理作用，進入信號采樣模塊。

信號采樣模塊是將采集和預處理的振動模擬信號轉換為數字信號。本模塊采用了TI公司的ADC124S101器件，該器件模擬輸入通道數為4，精度為12位，轉換速率為500 ksps～1 Msps，功耗低，采樣頻率范圍寬，器件基于逐次逼近采樣法[5]，其內部采用采樣-保持電路、DAC和比較器，通過配置采樣時鐘信號、片選信號和通道控制信號實現振動信號的高精度采樣，最后將振動數據輸出到FPGA中進行下一步操作。

振動加速度傳感器采用小型LDO器件將5 V輸入電壓轉換為3.3 V電壓，作為傳感器各個電路和模塊的工作電壓。此外，在選擇器件時，主要以性能和尺寸作為依據，這是為了提高傳感器工作時的穩定性、減小傳感器對振動器工作的影響以及便于集成和封裝。

2.2 FPGA處理板卡

如圖3所示，圍繞著FPGA搭建了電源模塊、數據采集的控制接口模塊和通信模塊。

圖3 FPGA處理板卡內部結構及通信原理圖

電源模塊根據FPGA內部工作的電源要求，首先將輸入的24 V直流電源用DC-DC芯片轉換成5 V的初始電壓，這個初始電壓通過IO口輸入到振動加速度傳感器中做電壓源，從而節省傳感器的空間；同時5 V的初始電壓通過相應的LDO轉換成FPGA和外接芯片的適配電壓：其中3.3 V電壓為FPGA的IO管腳及所有外接芯片供電；VCCINT即1.2 V電壓作為FPGA內部核心邏輯電源電壓；VCCAUX即2.5 V電壓作為FPGA內部輔助電源電壓。

數據采集的控制接口模塊是將FPGA產生控制傳感器內部ADC的時鐘信號、片選信號和通道控制信號通過緩沖隔離并以集成的方式傳輸給傳感器，為了信號的一致性，將傳感器和FPGA處理板卡的地端通過接口模塊相連設置成“公共地”。此接口可采用多種方式傳輸，本設計采用了TTL傳輸的方式。

通信模塊包括FPGA內部測試的JTAG通信以及板卡與FPGA之間的通信。JTAG作為一種通信協議，在FPGA器件內部定義一個TAP即測試訪問端口，并以在線編程的方式將測試時鐘TCK、測試模式TMS和測試數據輸入TDI寫入FPGA，通過返回數據即測試輸出數據TDO的結果得出FPGA內部各個邏輯節點和模塊的狀態[6]。這種測試的方法可以幫助設計者完善邏輯設計，節省設計時間，也可以準確找出設計中的不足，從而得到及時更正。板卡與上位機之間通過RS-485總線通信，它是一種全雙工的通信方式，發送距離遠、傳輸速率快、成本和功耗低[7]。通過RS-485驅動芯片將處理后的振動數據配置成相應的數據格式，最終采用UART通信協議將振動數據信息從RJ45端口輸出上傳至上位機。

3 FPGA邏輯算法設計與分析

3.1 基于FPGA的振動數據AD采樣邏輯設計

本文采用了一種基于FPGA的AD采樣設計，通過FPGA對振動傳感器AD采樣模塊配置相應的時鐘和控制信號，從而將模擬振動信號轉換為數字振動信號，便于FPGA處理和通信[8]。

在水稻生長后期還重點觀察了10個品種的抗倒性和抗病性。在抗倒性方面，10個品種兩季均未出現明顯倒伏情況。在抗病性方面，10個品種中黃廣油占高抗和黃科香2號達中抗水平，其他品種為中感或者高感；所有品種再生季田間均未發生稻瘟病。由于抽穗期采取兩次藥劑防治，因此紋枯病和稻曲病均發生較輕。

圖4 ADC采樣時序圖

采樣通道選擇信號DIN為8位的輸入控制字。高位在前，低位在后，格式為b7-b0，且通道選擇由b4和b3共同決定，它們與采樣通道之間的控制關系如表1所示。采樣通道為4位，本設計選擇IN1、IN2和IN3通道分別作為X、Y和Z方向的輸入通道，IN4不使用，可懸空或通過下拉電阻接地。

表1 ADC采樣控制字與采樣通道對應關系

3.2 基于FPGA的UART振動數據傳輸通信設計

振動數據經過FPGA后，需要匹配數據上傳到上位機的時的通信速率。一般地，相比較數據通信速率而言，采樣速率要比其大很多，并且振動數據量較大，為了減少數據通信過程中數據丟失量，保持較高的通信效率，盡可能將采集到的振動數據發送給上位機器件，需要采用FIFO進行緩存[9]。

數據上傳通信時，采用UART通信方式[10]，波特率為115200 bps，格式為“1位起始位+8位數據位+1位停止位”，不采用校驗。采用異步FIFO緩存數據時，FIFO的深度FIFO_depth應滿足下面的條件：

(1)

其中:vwr為數據寫入FIFO的速率，vrd為數據讀出速率，T1為FIFO被填滿的時間，T2位數據包傳遞時間，W為寫入的數據量。根據采樣時鐘、波特率和數據上傳格式確定的數據量，采用位寬為12位、深度為1K的FIFO，實際使用軟件內部自帶的IP核功能實現[11]。

FPGA與上位機通信協議格式如表2所示，發送數據位為8位，采用異或校驗方式，所有1字節數據按照表格順序發送，所有2字節及以上長度數據按照小段模式發送(即低字節在前、高字節在后的發送模式)，有效數據的基本單位為16 bit。

表2 FPGA與上位機通信協議格式

按照數據流的方向，通信數據流分為上位機到FPGA處理板卡的命令數據流和板卡數據返回流，其中上位機命令字分別為串口測試、開始檢測、停止檢測和請求接收數據流，板卡收到命令后，返回相應的數據信息，如若信息錯誤則可判斷串口或者命令出現了問題，否則將FIFO中的振動數據上傳給上位機，振動數據是字節長度為600的數據定長包，其格式如表3所示。

表3 振動數據發送定長包格式

圖5 FPGA與上位機數據通信框圖

4 仿真與實驗結果分析

4.1 振動數據采集和通信仿真

本系統采用了Altera Cyclone IV E系列的FPGA。為了更好地觀察和驗證振動數據采集和通信過程中的時序問題，本設計使用Quartus II 15.1軟件內部的Signal Tap II進行命令信號和數據信號的時序檢查，分別對數據采集、串口測試、開始檢測、停止檢測和請求數據流5個功能進行時序仿真，得到如圖6所示的時序邏輯圖。

圖6 振動數據采集時序波形仿真

通過時序仿真圖可以得到，基于FPGA的AD采樣設計基本滿足前文所提到的時序關系，但由于時鐘周期是無理數，若仿真時間過長，可能會由于積累效應而產生微小的時間差；通信方面，4種命令情況下的輸入輸出滿足通信協議規定的要求，因此具有較好的通信效果。

4.2 振動檢測系統實驗結果與分析

圖7所示為振動狀態檢測實驗平臺，將振動加速度傳感器安裝在色選機下料振動器上，傳感器與FPGA處理板卡通過TTL線連接，通過振動器控制面板控制振動量大小，上位機顯示器件用于發送命令和接收數據產生波形，計算機用于觀測采樣過程中的時鐘、控制和數據信號的波形圖。

圖7 振動檢測實驗平臺

打開振動器，通過振動器控制面板調節振動器振動大小，同時點擊顯示器上的“開始檢測”按鈕，獲取不同振動量下的波形圖。由于振動器工作時，X方向和Z方向的振動波形微乎其微，因此只采集Y方向的振動波形作為檢測振動器的指標參數。本實驗對振動量為90、70和50時進行了振動波形檢測，得到如圖8所示的實驗結果。

圖8 不同振動量下的振動波形檢測結果

圖中，波形右側為當前振動量下振動器的最大振動加速度，根據振動加速度與振幅和頻率之間的關系可以將振動加速度轉化為振幅進行衡量[12]：

(2)

式中，Amax為振動的最大振幅，單位是mm，amax為最大振動加速度，單位為重力加速度g，f為振動頻率，單位為Hz，由于本實驗使用的是220 V的交流電，因此f=50 Hz。

將振動量為90 、70和50時的振動加速度最大值帶入式(2)，可得出相應的最大振幅分別為0.78 mm、0.37 mm和0.25 mm，由此可以看出該振動器振幅隨著振動量呈非線性增長，因此定性地可以得出該振動器的振動量不是線性變化的。

實驗發現，當調節振動量的大小為0時，發現仍有上位機顯示器仍存有微小的波形變化，這可能是電路設計和通信過程中存在的干擾問題；此外，本文對振動信號的處理方式較為簡單，對信號的挖掘程度較低，后期可采用譜分析、小波分析和統計變換進行深度解析[13]，從而不斷地提高精度，完善系統設計。

5 結束語

為了獲得色選機下料振動器的工作狀態，及時有效地調整振動器的參數和性能，設計了一種基于FPGA的振動檢測系統。相比較單片機等器件而言，本系統具有數據傳輸快、成本低和精度高，可實現振動器狀態的在線檢測，從而大大增加檢測過程的工作效率，具有十分明顯的優越性。

經仿真和實驗驗證，本系統能夠及時有效地獲得振動器工作時的振動參數信息，為振動器的評估和改進提供了一定地參考，能夠有效發現振動器出現的一般性問題，具有一定的實際工程意義。