基于SOPC的工業(yè)大型吊車吊鉤位置測(cè)量的設(shè)計(jì)

1． 引言

在大型工業(yè)吊車運(yùn)行中由于吊車司機(jī)位置往往離地面很高（一般為20米到50米），司機(jī)很難能準(zhǔn)確判斷出吊鉤的準(zhǔn)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(fù)責(zé)，發(fā)生事故的概率較高。為了能使吊車司機(jī)知道吊鉤的實(shí)時(shí)準(zhǔn)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(tǒng)）的高度測(cè)量方法。SOPC技術(shù)是將整個(gè)系統(tǒng)集成到單一半導(dǎo)體芯片上，在單一芯片上集成數(shù)字，信號(hào)采集和處理，I/O接口，存儲(chǔ)器，MCU(微處理器)和DSP(數(shù)字信號(hào)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(jī)成本，提高設(shè)計(jì)的可靠性。

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

2．測(cè)量原理

   工業(yè)龍門吊車一般由吊鉤、動(dòng)滑輪組、滾筒組成，電機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)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(duì)滾筒的旋轉(zhuǎn)位移測(cè)量而轉(zhuǎn)換得到吊鉤的垂直位移。通過(guò)在滾筒軸心安裝旋轉(zhuǎn)編碼器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其位移的測(cè)量。

        （1）

其中    S  吊鉤對(duì)地的垂直距離；

N 吊鉤發(fā)生S位移內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器記錄的脈沖數(shù)；

N1 動(dòng)滑輪組數(shù)；

N2 旋轉(zhuǎn)編碼器的P/R；

L  吊鉤的上級(jí)限到底面的距離；

D 滾筒直徑。

根據(jù)公式（1）可知當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器已定，吊車的動(dòng)滑輪組數(shù)已定，滾筒直徑和吊鉤的上級(jí)限到底面的距離可以測(cè)量得到，吊鉤對(duì)地面的垂直距離就只于吊鉤發(fā)生于地面垂直位移內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器紀(jì)錄得脈沖數(shù)有關(guān)。

3．整體設(shè)計(jì)思想

由公式（1）可知，對(duì)于吊鉤的垂直位移測(cè)量通過(guò)該公式轉(zhuǎn)換成了對(duì)安裝在滾筒同軸的增量旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的計(jì)數(shù)。再通過(guò)對(duì)于吊車動(dòng)滑輪組數(shù)N1、旋轉(zhuǎn)編碼器的P/R N2、吊鉤的上級(jí)限到底面的距離L和滾筒直徑D這四個(gè)參數(shù)的設(shè)置，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出吊鉤對(duì)于地平面的垂直距離。

4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

                           圖一

4.1 編碼器信號(hào)輸入及光電隔離模塊

編碼器信號(hào)輸入模塊負(fù)責(zé)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)輸入，光電隔離模塊負(fù)責(zé)編碼器信號(hào)和系統(tǒng)板的電隔離。增量旋轉(zhuǎn)式編碼器選用歐姆龍的E6B2集電極開路輸出。由于滾筒直徑比較大（一般大于1m）并且轉(zhuǎn)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(hào)，和吊車上級(jí)限信號(hào)（上級(jí)限信號(hào)是無(wú)源常開節(jié)點(diǎn)）。當(dāng)?shù)踯嚨蹉^運(yùn)行到上級(jí)限時(shí)，上級(jí)限信號(hào)閉合，FPGA接收信號(hào)并且把上級(jí)限到底面的距離L裝載入計(jì)數(shù)器初值。

4.2 EMI和電源模塊

由于該設(shè)計(jì)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為了解決現(xiàn)場(chǎng)的電源干擾問(wèn)題，本設(shè)計(jì)使用了X電容，Y電容和共模電感對(duì)電源進(jìn)行濾波，通過(guò)變壓器和穩(wěn)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，能滿足本設(shè)計(jì)要求。FPGA模塊采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法[2]，首先自頂向下地生成各設(shè)計(jì)階層（本設(shè)計(jì)為二層結(jié)構(gòu))，將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為不同的功能元件，每個(gè)元件具有專門定義的輸入輸出并執(zhí)行專門的邏輯功能。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(shè)計(jì)其中的各個(gè)元件。本設(shè)計(jì)頂層模塊用圖形描述，直觀，清晰，可擴(kuò)展性強(qiáng)，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(shí)別模塊(phasecheck)，裝載模塊(MCload)，計(jì)算模塊(Calplus)，雙向計(jì)數(shù)模塊(Count16bit)，顯示驅(qū)動(dòng)模塊(LEDControl)。FPGA 頂層圖形描述見圖一。

系統(tǒng)接收光電碼盤的信號(hào)A，B通過(guò)濾波模塊濾除尖峰，凹峰等信號(hào)干擾，通過(guò)編碼盤相位識(shí)別模塊識(shí)別吊車滾筒正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)狀態(tài)（即吊車吊鉤上移下移狀態(tài)），并且把信號(hào)和正反轉(zhuǎn)狀態(tài)送入雙向計(jì)數(shù)器記錄脈沖個(gè)數(shù)。裝載模塊把N1、N2、 L和 D四個(gè)參數(shù)裝載，并計(jì)算得到每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)吊鉤的位移距離。計(jì)算模塊接收實(shí)時(shí)脈沖數(shù)、每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的吊鉤位移距離和吊鉤的上級(jí)限到底面的距離計(jì)算出吊鉤實(shí)時(shí)相對(duì)于地面的距離，再通過(guò)顯示模塊解碼并直接驅(qū)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(yīng)用實(shí)例

本設(shè)計(jì)成功應(yīng)用于武鋼二煉鋼56噸龍門吊車中。該吊車上極限離地面距離18m，滾筒直徑1000mm,吊鉤滑輪組數(shù)為5，安裝在滾筒軸心的增量式旋轉(zhuǎn)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(jì)算每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)吊鉤上下距離為1.74mm，裝載計(jì)數(shù)器的初值為10345。

調(diào)試初期發(fā)現(xiàn)吊鉤顯示位移比理論值要大，但是在實(shí)驗(yàn)室條件下正常，故懷疑編碼器脈沖輸出在現(xiàn)場(chǎng)受到干擾。在現(xiàn)場(chǎng)換了屏蔽線后此現(xiàn)象依然存在，用便攜式示波器觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，編碼器信號(hào)在經(jīng)歷一定長(zhǎng)度傳輸后信號(hào)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(jì)數(shù)，針對(duì)此凹峰我們?cè)O(shè)計(jì)了開窗濾波器(filter),經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試消除了現(xiàn)場(chǎng)干擾問(wèn)題，圖二是從現(xiàn)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(jié)束語(yǔ)

  本文提出了應(yīng)用FPGA和旋轉(zhuǎn)編碼器的SOPC設(shè)計(jì)測(cè)量工業(yè)大型吊車吊鉤位置。該設(shè)計(jì)具有測(cè)量精度高、成本低、運(yùn)行可靠、維護(hù)量少的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)成功應(yīng)用于武鋼二煉鋼，其吊車主要任務(wù)是將煉鋼完成后的鋼包從距離地面約九米的操作臺(tái)吊到地面冷卻區(qū)域冷卻，由于鋼包體積較大，一般司機(jī)憑感覺將吊鉤碰撞一下著鉤處才能定位，由于吊鉤重量很重（ 大約1噸）這種碰撞對(duì)于承載鋼包的萬(wàn)向軸危害很大，在應(yīng)用本設(shè)計(jì)后吊車司機(jī)能很準(zhǔn)確的知道吊鉤的位置而不用靠碰撞來(lái)定位，延長(zhǎng)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(xiàn)：

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