基于FPGA的非接觸式張力監測系統的設計

夏港東，秦浩杰，王慶東，周文聰，張昊

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

在紡織加工過程中，紗線張力是一個十分重要的參數，張力的大小和穩定直接關系到產品質量、生產效率以及后續加工的順利進行。因此對紗線張力的測試和控制一直是人們十分關注的問題[1]。

隨著傳感器技術的不斷發展，非接觸式測量相比較接觸式測量來說，具有對紗線不會產生附加的壓力和變形、可以最大程度地減少對紗線運行的影響、測量精度更高的優點，所以國內外對非接觸式紗線張力測量技術也愈加重視。XU Q等[2]開發了一種基于CCD技術的非接觸式紗線張力測量系統。MEI S Q等[3]基于圖像處理技術開發了一種非接觸式測量紗線動態氣圈張力的技術。曾光奇[4]提出了一種新型的由固態圖像傳感器和微處理器構成的，用于非接觸式測量紗線張力的測試裝置，通過平行光源照射，檢測紗線直徑，經計算機處理后獲取紗線張力大小或紗線張力變化。北京機械工業學院的肖小濤提出了一種基于MEMS傳感器的非接觸式測量張力的裝置，將測量張力轉化為測量振動，并用數據采集卡采集振動信號，通過Labview GUI界面進行數據分析和處理[5]。

傳統的非接觸式測量系統往往只能檢測單根紗線的張力，且效率和精度較低。本文運用FPGA(field programmable gate array)具有開發周期短、升級空間大、可并發執行和靈活可重構等優勢[6]，通過對紗線振動頻率監測，開發一種高效率、高精度的片紗張力監測系統。

1 系統檢測原理和總體設計

在紡織工程的紡、絡、并、捻、槳等工序中, 紗線大多以軸向運動為主體完成相應的工序。從力學模型看, 此類狀況的紗線可近似作為一定張力下的軸向運動弦處理[7]。

根據相關國內外研究，運動弦線諧振頻率與張力在理想狀態下的關系如下[8-10]：

(1)

式中：l為弦線長度，m；ρ為弦線線密度，kg/m3；A為截面積，m2；T為弦線張力，N；υ為弦線軸向運動速度，m/s；n=1，2，3…，本系統取n=1。由式(1)可知，在理想狀態下，弦線振動頻率平方與弦線張力近似呈線性關系。

風荷載作用下軸向行進弦的橫向振動屬于自激振動[11]。本文采用風致紗線振動的方法，通過空壓機，得到穩定的空氣氣流柱，使紗線在行進過程中產生自激振動。通過光電二極管采集振動信號。由于FPGA只識別數字信號，因此通過調理電路，將采集到的模擬信號規整為能被芯片I/O口識別的數字信號。在芯片內部，完成濾波、計頻、數據緩存、串口發送和電機控制功能。最后由PC機進行顯示和存儲。系統設計方案框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件的總體說明

本張力監測系統總體包括機械結構、FPGA控制器和上位機三部分。其中機械結構主要進行紗線張力巡檢，控制器及外圍電路通過光電傳感器檢測行進紗線的振動信號，并進行多通道紗線振動頻率的實時采集，使用UART串口進行FPGA與上位機的通信，并通過人機交互界面的開發實現數據的存儲和顯示，最后通過數據對比得到紗線張力，并對張力存在異常的紗線進行報警。

1)信號采集和調理電路

基于紅外光電對管，通過搭建信號采集和信號調理電路[12]，將紗線振動信號規整為適合芯片I/O口輸入的電平標準。為了滿足系統設計要求，經過初步的邏輯資源消耗分析和選用的I/O數量進行芯片選型，本文選用Altera公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE10E22C8N。

2)外圍電路設計

FPGA運行時需要對應的外圍電路，包括程序下載電路、外部時鐘、電源電路、復位電路等。其控制電路框圖如圖2所示。

圖2 控制電路框圖

2.2 系統機械結構設計

為了滿足系統要求，機械結構必須具備的條件是：確定合理的紗線支撐距離，即式(1)中的l；使紗線在穩定氣流柱下起振，振幅超出傳感器感光區域以得到周期性變化的數字信號。鑒于本裝置是用于監測片紗張力，在實際生產環境中，相鄰紗線之間的距離受瓷眼間距影響，而采用的光電傳感器雖然感光性能優越，但是受限于傳感器大小、位置等問題，因此同時采集相鄰紗線的振動頻率存在困難；將用于采集紗線振動頻率的控制電路板、電源和驅動器固定在指定的位置；能夠實現x、z向的往復直線運動，且具有較高的定位精度。對上述條件進行分析后，在三維軟件Solidworks中設計的機械結構三維圖及局部放大圖如圖3所示。

1—x向行走機構；2—z向行走機構；3—承載裝置；4—集成控制電路板；5—氣管固定裝置；6—紗線；7—上位機；8—分氣器；9—導氣管。圖3 機械結構三維圖及局部放大圖

系統使用開孔瓷眼。如果對紗線進行編號，1、2、3、5、6、7、9、10、11即為待檢測紗線，4、8、12即為檢測中紗線，待檢測紗線和正在檢測的紗線支承端的開口瓷眼之間存在一定高度差。在檢測過程中，紗線達到傳感器感光區域的平衡位置后，無需檢測的紗線由傳動裝置驅動平臺繼續抬升，直到本次檢測中無需檢測的紗線與待檢測紗線在垂直位置上滿足設計的高度差，此時，系統開始本次張力檢測。

3 系統軟件設計及仿真

3.1 系統工作總體流程

系統軟件部分主要在Altera公司的Quartus II平臺上完成，波形仿真在Modelsim軟件內進行。采用Verilog HDL硬件設計語言作為開發語言。使用自頂向下的設計思想和模塊化的設計方法，將系統軟件部分設計劃分為濾波模塊、計頻模塊、數據緩存模塊、串口發送模塊和步進電機控制模塊。系統工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

3.2 系統關鍵模塊設計及仿真

a)濾波模塊設計

采集調理電路輸出信號，使用的示波器型號為RIGOL MSO1104，輸出波形如圖5所示。

圖5 信號調理電路的輸出波形

圖5表明進入FPGA的方波信號仍存在脈沖干擾信號。為確保系統對紗線振動信號的采集和測量的準確性，更好地體現實際張力值，在此采用閾值濾波的方式對調理電路的輸出信號進一步進行濾波處理。將需要濾除的最大脈沖寬度設為臨界值，與輸入信號的高低電平脈沖寬度作比較，高于此閾值的保留對應電平信號，低于此閾值則判定為干擾信號，進行濾波處理。系統采用的閾值為3個時鐘脈沖寬度，記為3，以下同理。仿真設置如下：

1)基準時鐘頻率為1 MHz，被測信號頻率為1 kHz，其中被測信號共產生2.5個周期的波形；

2)分別在900.5 ms、1 150.05 ms、2 100.2 ms處加入了脈沖寬度分別為5、1、2.5的毛刺信號，分別記為1、2、3號毛刺。

濾波仿真結果如圖6所示，圖中clk_fx_filter即為濾波后產生的仿真波形。由仿真結果可知，2、3號毛刺被過濾掉，1號毛刺由于毛刺寬度大于濾波寬度，所以被當做真實信號保留下來。

圖6 濾波模塊仿真波形圖及局部放大圖

b)計頻模塊設計

常見的信號頻率測量方法有直接測頻法、測周法和等精度測頻法[13]。相比較直接測頻法和測周法，等精度測頻法通過設置閘門信號，將被測信號和閘門信號進行同步處理，避免了直接測頻法和測周法會產生±1的相對誤差，使系統測頻具有更高的準確度和精度。

c)數據緩存模塊設計

系統一次性對多根紗線的振動頻率進行同步測量，若某根紗線張力發生變化，根據式(1)，其振動頻率會隨之改變。在計頻模塊中，對多根紗線的頻率計數是并行進行的，考慮極端情況，如果多根紗線的張力出現差異，則計頻得到的數據在時鐘域不同的時間內鎖存，不利于串口發送和上位機的數據整合，所以對數據進行了規整和并串轉換。

FIFO(先進先出緩存器)是一種常見的用于數據緩存的器件。使用異步FIFO可以完成數據的跨時鐘傳輸和數據位寬轉換。在Cyclone IV系列芯片內部集成了基于FIFO的IP核。

通過對讀寫信號、讀滿、空滿信號的控制，完成數據傳輸和位寬轉換。

d)步進電機控制模塊設計

步進電機可以將輸入的脈沖信號轉變為相應位移，每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個固定角度。系統使用聯軸器與滾珠絲杠聯接。系統采用四相八拍步進電機，通過對輸入端口的邏輯控制，使電機正轉和反轉，從而達到系統巡檢的目的。使用計數器對輸出端口輸出的脈沖數進行計數，以控制絲杠行程。

4 張力監測試驗及結果分析

4.1 濾波試驗

為了測試濾波模塊的可行性，在Quartus II中對濾波模塊進行工程建立，使用示波器采集輸出波形如圖7所示。由此可見，相比圖5毛刺信號得到了有效處理。

圖7 濾波模塊輸出波形

4.2 張力監測試驗

為驗證系統可行性，在由開發的高精度電磁式張力器[14]組成的整經機樣機上搭建如圖8所示的試驗裝置。

試驗使用紗線張力控制系統給紗線施加不同張力，通過張力監測系統監測紗線張力。試驗中，進行6根紗線的張力監測試驗，編號為1、2、3、4、5、6，紗線為棉紗，線密度為14.6 tex(40英支)，紗線行進速度為200 m/min，支撐距離l取0.1 m，使用德國施密特ZD2-100張力計標定運行時紗線的張力，該張力計精度可達到±1 cN。某一次試驗不同張力下各紗線振動頻率值見表1，各紗線自激振動頻率與張力關系圖見圖9。

圖8 測試試驗裝置

表1 某一次試驗不同張力下各紗線振動頻率值

圖9 各紗線振動頻率與張力關系圖

由表1和圖9可以驗證式(1)關于紗線頻率和張力的關系描述：紗線振動頻率的平方與張力近似呈線性關系。由表1可以看出，本系統在紗線施加不同張力情況下，相對測量誤差為±1.8%，有效反映了系統的穩定性和紗線張力的一致性。

5 結語

系統基于弦理論，通過軟硬件設計，完成了一種基于FPGA的非接觸式紗線張力監測系統。試驗表明，系統可以實現對紗線張力一致性的監測，且具有較高精度和穩定性。通過對整體機械結構設計，可以實現紗線張力的巡檢。