基于FPGA的机械振动台自动定中系统

0 引言
在力学环境试验中，振动试验应用最为广泛，尤其是国防科技应用中的火药装填，即通过一定的振级和时间将火药填实，其工作过程为将火药罐体固定于机械振动台上，然后设定相应的振动频率及振动幅度，当到达设定的振动条件后，火药便通过导向槽向罐体内充填。此后，随着时间的增加，振动上火药加罐体的重量随之增加，而机械台台面安装于空气弹簧上，它随着台面上的重量的增加会下降，如果下降超过机械台所能要求的能力，就可能出现事故，因此要求有一套自动定中系统，在机械台静态和振动状态均能自动保持中间位置。

1 总体方案
要满足机械台台面静态和振动状态均能自动保持中间位置，用分立器件判断台面极限位置的方法往往难以适应。解决此问题的方案有两种：一是采用单片机系统，二是采用嵌入式系统。单片机系统虽然价格低廉，使用方便，但是程序容易跑飞，且编程及修改较为麻烦；而嵌入式系统中，基于CPU的嵌入系统价格较贵。为此，本文选用了可编程逻辑器件(FPGA)，由于FPGA具有丰富的可编程性与丰富的I／O引脚，因而其在数字系统中的应用越来越广泛。如同自行设计集成电路一样，利用FPGA可节省电路开发的费用与时间，因此，本文提出了一套基于FPGA的嵌入系统来实现自动定中，其系统方案如图1所示。

图中，光纤一和光纤二将振动的位置信号传递给系统，然后由系统判定台面是处于静态还是动态，再判定台面偏高还是偏低，分别处理，最后通过两个电磁阀来对机械台进行充气或放气。

2 电路组成
系统运行时，会有以下几种情况：一是在系统正常振动时，光纤一和光纤二输出的波形为占空比为50％且方向相反的一对方波信号；二是当台面位置发生变化后，振动时两个光纤输出的脉冲占空比会发生变化。当台面静止或台面受到其他因素而低于4 Hz振动时，两个光纤输出的脉冲几乎为一个恒定的电平。因此，需要系统根据脉冲情况自动分辨，本文在FPGA内设计了三个模块，即分频模块，信号触发模块，信号比较及输出模块。
2．1 分频模块
分频模块共输出四种分频信号：参考时钟、预读信号、锁存信号、触发信号。其中参考时钟用于信号触发模块中信号占空比的测量计数，考虑到计数器的容量，我们取参考时钟为100 kHz。预读信号read用于启动比较模块中静态还是动态信号的判定。锁存信号lock用于对比较模块输出的继电器控制状态信号的锁存，并将其保持到下一次比较，以使模块输出不同的继电器控制状态信号。触发信号trig用于启动触发模块及对信号比较模块中的计数器清零，以判定一定间隔时间后的台面状态变化情况。其时序如图2所示。

2．2 信号触发模块
台面位置发生变化后，在振动时，两个光纤输出的脉冲占空比就会发生变化。因此需要测量两路信号在一个振动周期内的高电平宽度，其测量电路如图3所示，其中上半部分用于脉冲串一的高电平测量，下半部分用于脉冲串二的高电平测量。