基于FPGA的色选机下料振动器振动状态检测系统设计

(1.合肥工业大学 工业与装备技术研究院，合肥 230009;2.航空结构件成型制造与装备实验室，合肥 230009;3.安徽中科光电色选机械有限公司，合肥 230012)

0 引言

下料振动器是色选机的重要的组成部件之一。由于电网电压的波动和色选下料过程中物料重量的突然变化等多种外界因素的存在，下料振动器的振幅会发生较大的变化，使得物料下落速率不稳定且下料量不均匀，从而导致色选精度和产量受到严重的影响[1]。对此，有必要对下料振动器的振动状态进行检测，及时发现振动器存在的问题及原因，以便有针对性地对振动器进行改进，从而减小或消除由于振动器的工作异常带来的色选效果差的影响。

相比于单片机和多数其他器件，FPGA具有高性能、低成本、高速率和高稳定性的特点[2]，本课题正是利用FPGA的这种优良的特点，以FPGA为核心实现振动信号的采集、处理、传输与通信，将工作状态下振动器的振幅变化情况实时地传输到上位机显示界面中，通过观测振幅波形曲线的变化，了解振动器的工作情况，从而对振动器的调整与改进提供相应的参考。总体来说，本系统具有速率快、精度高和实时性强的优势，从而保证整个系统具有较好的工作性能。

1 检测系统整体框架及其工作原理

如图1所示是色选机下料振动器振动状态检测系统的系统结构原理框图，其中下料振动器是由底盘、隔振弹簧、电磁线圈、衔铁、弹片和物料斗组成，实际上可以将它等效成为双质点双自由度的强迫振动系统模型[3]。当振动器通电后，电流流过电磁线圈使其产生一定的电磁吸引力，衔铁受力后会使得弹片产生一定的形变，从而使物料斗朝着送料方向运动，通过控制电源信号的幅值和频率就可以让物料斗产生一定幅度和频率的来回运动，实现下料功能[4]。

图1 色选机下料振动器振动状态检测系统框图

为了准确地得到振动器的工作状态，需要对可能存在的振动方向做全面的检测，在此本文定义了振动器的振动方向，如图1所示。其中，X方向为送料方向的水平垂直方向，这个方向上若存在较大的振动就会使得滑槽各个通道物料下落量不均匀；Z方向为竖直方向，如果这个方向存在较大的振动，会使得物料跳动；而Y方向为送料方向，这个方向的振动量必须合适，振动过大会使得下料过快，影响色选精度；振动过小会严重影响色选产量，因此Y方向需要有合适的振动量。

振动状态检测系统主要由振动加速度传感器、FPGA处理板卡和上位机显示器件组成。如图1所示，振动加速度传感器安装在物料斗上，用于采集物料斗工作状态下的加速度信号，然后通过相应的预处理，包括信号的滤波、放大、AD转换和隔离等，由TTL传输线将采集到的数据发送给FPGA处理板卡；FPGA板卡用于配置采集数据时的时钟和控制信号，以及与上位机进行数据通信；上位机显示器件主要用于显示振动数据波形和最大振幅等参数。

2 检测系统硬件设计和关键器件选择

检测系统硬件包括振动加速度传感器和FPGA处理板卡，前者主要负责振动信号的采集和预处理，后者用于数据采集过程中的信号控制以及与上位机通信。

2.1 振动加速度传感器

振动加速度传感器是整个检测系统的第一级，如图2所示是振动加速度传感器的硬件电路各个部分示意图，图中箭头的方向就是振动数据的数据流传输方向。该模块的目的是采集下料振动器工作时的振动数据，并将其转换为数字量提供给FPGA进行后续处理和通信。

图2 振动加速度传感器内部原理框图

采集模块选择了亚德诺半导体公司(Analog Devices)的振动加速度传感器芯片ADXL326为核心器件，可采集X、Y和Z三个方向的振动加速度，采集范围为±16 g(g为重力加速度且g=9.81 m/s2)，可将加速度信号转化为电压信号，在供电电压Vs=3.3 V时的转换系数为60 mV/g，具有十分良好的采集特性。三个方向的振动加速度被采集到后，经过信号放大电路和跟随电路，同时经电容滤波和去耦等预处理作用，进入信号采样模块。

信号采样模块是将采集和预处理的振动模拟信号转换为数字信号。本模块采用了TI公司的ADC124S101器件，该器件模拟输入通道数为4，精度为12位，转换速率为500 ksps～1 Msps，功耗低，采样频率范围宽，器件基于逐次逼近采样法[5]，其内部采用采样-保持电路、DAC和比较器，通过配置采样时钟信号、片选信号和通道控制信号实现振动信号的高精度采样，最后将振动数据输出到FPGA中进行下一步操作。

振动加速度传感器采用小型LDO器件将5 V输入电压转换为3.3 V电压，作为传感器各个电路和模块的工作电压。此外，在选择器件时，主要以性能和尺寸作为依据，这是为了提高传感器工作时的稳定性、减小传感器对振动器工作的影响以及便于集成和封装。

2.2 FPGA处理板卡

如图3所示，围绕着FPGA搭建了电源模块、数据采集的控制接口模块和通信模块。

图3 FPGA处理板卡内部结构及通信原理图

电源模块根据FPGA内部工作的电源要求，首先将输入的24 V直流电源用DC-DC芯片转换成5 V的初始电压，这个初始电压通过IO口输入到振动加速度传感器中做电压源，从而节省传感器的空间；同时5 V的初始电压通过相应的LDO转换成FPGA和外接芯片的适配电压：其中3.3 V电压为FPGA的IO管脚及所有外接芯片供电；VCCINT即1.2 V电压作为FPGA内部核心逻辑电源电压；VCCAUX即2.5 V电压作为FPGA内部辅助电源电压。

数据采集的控制接口模块是将FPGA产生控制传感器内部ADC的时钟信号、片选信号和通道控制信号通过缓冲隔离并以集成的方式传输给传感器，为了信号的一致性，将传感器和FPGA处理板卡的地端通过接口模块相连设置成“公共地”。此接口可采用多种方式传输，本设计采用了TTL传输的方式。

通信模块包括FPGA内部测试的JTAG通信以及板卡与FPGA之间的通信。JTAG作为一种通信协议，在FPGA器件内部定义一个TAP即测试访问端口，并以在线编程的方式将测试时钟TCK、测试模式TMS和测试数据输入TDI写入FPGA，通过返回数据即测试输出数据TDO的结果得出FPGA内部各个逻辑节点和模块的状态[6]。这种测试的方法可以帮助设计者完善逻辑设计，节省设计时间，也可以准确找出设计中的不足，从而得到及时更正。板卡与上位机之间通过RS-485总线通信，它是一种全双工的通信方式，发送距离远、传输速率快、成本和功耗低[7]。通过RS-485驱动芯片将处理后的振动数据配置成相应的数据格式，最终采用UART通信协议将振动数据信息从RJ45端口输出上传至上位机。

3 FPGA逻辑算法设计与分析

3.1 基于FPGA的振动数据AD采样逻辑设计

本文采用了一种基于FPGA的AD采样设计，通过FPGA对振动传感器AD采样模块配置相应的时钟和控制信号，从而将模拟振动信号转换为数字振动信号，便于FPGA处理和通信[8]。

在水稻生长后期还重点观察了10个品种的抗倒性和抗病性。在抗倒性方面，10个品种两季均未出现明显倒伏情况。在抗病性方面，10个品种中黄广油占高抗和黄科香2号达中抗水平，其他品种为中感或者高感；所有品种再生季田间均未发生稻瘟病。由于抽穗期采取两次药剂防治，因此纹枯病和稻曲病均发生较轻。

图4 ADC采样时序图

采样通道选择信号DIN为8位的输入控制字。高位在前，低位在后，格式为b7-b0，且通道选择由b4和b3共同决定，它们与采样通道之间的控制关系如表1所示。采样通道为4位，本设计选择IN1、IN2和IN3通道分别作为X、Y和Z方向的输入通道，IN4不使用，可悬空或通过下拉电阻接地。

表1 ADC采样控制字与采样通道对应关系

3.2 基于FPGA的UART振动数据传输通信设计

振动数据经过FPGA后，需要匹配数据上传到上位机的时的通信速率。一般地，相比较数据通信速率而言，采样速率要比其大很多，并且振动数据量较大，为了减少数据通信过程中数据丢失量，保持较高的通信效率，尽可能将采集到的振动数据发送给上位机器件，需要采用FIFO进行缓存[9]。

数据上传通信时，采用UART通信方式[10]，波特率为115200 bps，格式为“1位起始位+8位数据位+1位停止位”，不采用校验。采用异步FIFO缓存数据时，FIFO的深度FIFO_depth应满足下面的条件：

(1)

其中:vwr为数据写入FIFO的速率，vrd为数据读出速率，T1为FIFO被填满的时间，T2位数据包传递时间，W为写入的数据量。根据采样时钟、波特率和数据上传格式确定的数据量，采用位宽为12位、深度为1K的FIFO，实际使用软件内部自带的IP核功能实现[11]。

FPGA与上位机通信协议格式如表2所示，发送数据位为8位，采用异或校验方式，所有1字节数据按照表格顺序发送，所有2字节及以上长度数据按照小段模式发送(即低字节在前、高字节在后的发送模式)，有效数据的基本单位为16 bit。

表2 FPGA与上位机通信协议格式

按照数据流的方向，通信数据流分为上位机到FPGA处理板卡的命令数据流和板卡数据返回流，其中上位机命令字分别为串口测试、开始检测、停止检测和请求接收数据流，板卡收到命令后，返回相应的数据信息，如若信息错误则可判断串口或者命令出现了问题，否则将FIFO中的振动数据上传给上位机，振动数据是字节长度为600的数据定长包，其格式如表3所示。

表3 振动数据发送定长包格式

图5 FPGA与上位机数据通信框图

4 仿真与实验结果分析

4.1 振动数据采集和通信仿真

本系统采用了Altera Cyclone IV E系列的FPGA。为了更好地观察和验证振动数据采集和通信过程中的时序问题，本设计使用Quartus II 15.1软件内部的Signal Tap II进行命令信号和数据信号的时序检查，分别对数据采集、串口测试、开始检测、停止检测和请求数据流5个功能进行时序仿真，得到如图6所示的时序逻辑图。

图6 振动数据采集时序波形仿真

通过时序仿真图可以得到，基于FPGA的AD采样设计基本满足前文所提到的时序关系，但由于时钟周期是无理数，若仿真时间过长，可能会由于积累效应而产生微小的时间差；通信方面，4种命令情况下的输入输出满足通信协议规定的要求，因此具有较好的通信效果。

4.2 振动检测系统实验结果与分析

图7所示为振动状态检测实验平台，将振动加速度传感器安装在色选机下料振动器上，传感器与FPGA处理板卡通过TTL线连接，通过振动器控制面板控制振动量大小，上位机显示器件用于发送命令和接收数据产生波形，计算机用于观测采样过程中的时钟、控制和数据信号的波形图。

图7 振动检测实验平台

打开振动器，通过振动器控制面板调节振动器振动大小，同时点击显示器上的“开始检测”按钮，获取不同振动量下的波形图。由于振动器工作时，X方向和Z方向的振动波形微乎其微，因此只采集Y方向的振动波形作为检测振动器的指标参数。本实验对振动量为90、70和50时进行了振动波形检测，得到如图8所示的实验结果。

图8 不同振动量下的振动波形检测结果

图中，波形右侧为当前振动量下振动器的最大振动加速度，根据振动加速度与振幅和频率之间的关系可以将振动加速度转化为振幅进行衡量[12]：

(2)

式中，Amax为振动的最大振幅，单位是mm，amax为最大振动加速度，单位为重力加速度g，f为振动频率，单位为Hz，由于本实验使用的是220 V的交流电，因此f=50 Hz。

将振动量为90 、70和50时的振动加速度最大值带入式(2)，可得出相应的最大振幅分别为0.78 mm、0.37 mm和0.25 mm，由此可以看出该振动器振幅随着振动量呈非线性增长，因此定性地可以得出该振动器的振动量不是线性变化的。

实验发现，当调节振动量的大小为0时，发现仍有上位机显示器仍存有微小的波形变化，这可能是电路设计和通信过程中存在的干扰问题；此外，本文对振动信号的处理方式较为简单，对信号的挖掘程度较低，后期可采用谱分析、小波分析和统计变换进行深度解析[13]，从而不断地提高精度，完善系统设计。

5 结束语

为了获得色选机下料振动器的工作状态，及时有效地调整振动器的参数和性能，设计了一种基于FPGA的振动检测系统。相比较单片机等器件而言，本系统具有数据传输快、成本低和精度高，可实现振动器状态的在线检测，从而大大增加检测过程的工作效率，具有十分明显的优越性。

经仿真和实验验证，本系统能够及时有效地获得振动器工作时的振动参数信息，为振动器的评估和改进提供了一定地参考，能够有效发现振动器出现的一般性问题，具有一定的实际工程意义。