基于FI FO的色選機(jī)分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于瑞紅 張雨豐 李立新 李 玲 王佳慧

（防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北 廊坊 065201）

0 引言

色選機(jī)分選系統(tǒng)主要功能是對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并為分選電磁閥輸出有一定延時(shí)和寬度的分選脈沖信號(hào)[1]。多通道色選機(jī)中每個(gè)通道信號(hào)是完全無(wú)關(guān)且完全隨機(jī)的，通常采用各個(gè)通道完全獨(dú)立分開(kāi)的處理方法，這就需要對(duì)各個(gè)通道的每個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理和延時(shí)[2-3]。當(dāng)用DSP（Digital Signal Processor）、ARM（Advanced Risc Machines）等處理器實(shí)現(xiàn)分選系統(tǒng)中的信號(hào)處理和延時(shí)控制時(shí)，由于處理器程序順序執(zhí)行的特點(diǎn)，在通道數(shù)比較多時(shí)，信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性和一致性較差，延時(shí)時(shí)間和分選脈沖時(shí)間精度差，影響色選機(jī)的分選效果[4-5]。

綜上，考慮到色選機(jī)分選系統(tǒng)通道數(shù)多、信號(hào)控制精度高、實(shí)時(shí)性高等控制要求，以高速并行FPGA為控制核心，設(shè)計(jì)了分選系統(tǒng)的通信、控制、驅(qū)動(dòng)等硬件電路，提出了信號(hào)精確無(wú)損的控制策略[6-7]，給出了分選系統(tǒng)各個(gè)子程序模塊的實(shí)現(xiàn)方式，并利用仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了分選系統(tǒng)的性能。

1 分選系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。人機(jī)界面通過(guò)RS485總線與分選系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)分選參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整和通信；檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)串行通信總線給分選系統(tǒng)傳輸檢測(cè)信號(hào)；選用FPGA為分選系統(tǒng)的控制核心，完成檢測(cè)信號(hào)的串并轉(zhuǎn)換和精確無(wú)損延時(shí)，分選脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）接口模塊實(shí)現(xiàn)及通信等功能。

圖1 分選系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

分選系統(tǒng)的硬件主要由通信電路、信號(hào)產(chǎn)生電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。

分選系統(tǒng)通過(guò)RS485總線和人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收人機(jī)界面設(shè)定的延時(shí)時(shí)間、動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)，并向人機(jī)界面發(fā)送狀態(tài)、故障等信息。

信號(hào)產(chǎn)生電路采用以EP4C15F256C8為核心的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)延時(shí)、分選脈沖信號(hào)產(chǎn)生等功能。該芯片具有504K的內(nèi)部RAM、15 000多個(gè)LE、4個(gè)PLL鎖相環(huán)和165個(gè)I/O口，其中具有差分輸入功能的有53個(gè)，可以滿足本控制系統(tǒng)的性能要求。

驅(qū)動(dòng)電路采用多個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片DRV8844PWP驅(qū)動(dòng)分選電磁閥，每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片可驅(qū)動(dòng)4個(gè)電磁閥。

3 信號(hào)延時(shí)控制策略

當(dāng)色選機(jī)檢測(cè)到異常物料時(shí)，分選系統(tǒng)需要對(duì)分選電磁閥輸出一個(gè)具有一定延時(shí)和寬度的數(shù)字脈沖信號(hào)作為控制信號(hào)。根據(jù)待分選物料種類(lèi)和機(jī)械調(diào)節(jié)位置的不同，從檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到異色物料和雜質(zhì)到分選電磁閥動(dòng)作一般需要幾毫秒到十幾毫秒的時(shí)間，且色選機(jī)有幾十到幾百個(gè)通道的物料需要同時(shí)處理，因此分選系統(tǒng)需要把檢測(cè)系統(tǒng)所有通道的信號(hào)延時(shí)一段時(shí)間，再用延時(shí)后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)分選電磁閥打開(kāi)噴氣噴嘴，完成對(duì)異色物料和雜質(zhì)的剔除。如果待分選物料比較小，則其通過(guò)分選電磁閥噴嘴的時(shí)間就非常短，一般只有0.5～2 ms，導(dǎo)致分選系統(tǒng)對(duì)延時(shí)時(shí)間的控制精度要求非常高，控制精度一旦大于0.1 ms，將直接導(dǎo)致無(wú)法選出異色物料或誤選出正常物料的情況，從而嚴(yán)重影響檢出效果。

以DSP等處理器為控制核心的分選系統(tǒng)，每個(gè)通道的檢測(cè)信號(hào)延時(shí)一般通過(guò)對(duì)每一通道信號(hào)的上升沿和下降沿分別進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。假定每個(gè)通道中有兩個(gè)異色物料信號(hào)輸入，如圖2（a）所示，t1、t3時(shí)刻表示兩個(gè)異色物料信號(hào)的開(kāi)始，也是輸出脈沖延時(shí)計(jì)數(shù)的開(kāi)始，t2、t4時(shí)刻是兩個(gè)異色物料信號(hào)的結(jié)束。

圖中Tg、Td分別表示兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔、輸出脈沖的延時(shí)時(shí)間。當(dāng)Tg＞Td時(shí)，延時(shí)信號(hào)如圖2（b）所示，兩個(gè)異色物料信號(hào)延時(shí)后的信號(hào)不會(huì)丟失，這種延時(shí)方法，每個(gè)通道需要2個(gè)計(jì)數(shù)器，在通道比較少的時(shí)候較容易實(shí)現(xiàn)，但通道比較多時(shí)，計(jì)數(shù)器就會(huì)占用大量的資源，硬件成本奇高。

當(dāng)Tg≤Td時(shí)，第一個(gè)異色物料信號(hào)開(kāi)始的時(shí)刻為t1，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)延時(shí)Td時(shí)間后輸出延時(shí)信號(hào)，第二個(gè)異色物料信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻為t3，此時(shí)需要該通道的計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)延時(shí)，但由于Tg≤Td，在第二個(gè)異色物料的信號(hào)到達(dá)時(shí)，計(jì)數(shù)器還在計(jì)數(shù)工作中，因此第二個(gè)異色物料的延時(shí)時(shí)間無(wú)法正常計(jì)數(shù)，導(dǎo)致延時(shí)信號(hào)中第二個(gè)異色物料的信號(hào)丟失，使第二個(gè)異色物料不能有效檢出，如圖2（c）所示。同理，當(dāng)Tg≤Td且出現(xiàn)多個(gè)異色物料信號(hào)時(shí)，在Td時(shí)間內(nèi)分選系統(tǒng)只能輸出第一個(gè)異色物料的延時(shí)信號(hào)，其余的異色物料信號(hào)全部丟失。

圖2 檢測(cè)信號(hào)延時(shí)圖

鑒于以上分析，提出利用FIFO數(shù)據(jù)先入先出特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信號(hào)延時(shí)功能的控制策略，如圖3所示。

圖3 FIFO控制模塊

CLK為時(shí)鐘信號(hào)，F(xiàn)IFO控制模塊在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿產(chǎn)生FIFO的寫(xiě)使能信號(hào)WR和讀使能信號(hào)RD，寫(xiě)使能信號(hào)將數(shù)據(jù)D0寫(xiě)入FIFO，同時(shí)讀出FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)Dn-1，由于FIFO具有先入先出的特性，經(jīng)過(guò)FIFO的數(shù)據(jù)延時(shí)的時(shí)間為：

式中：TCLK為時(shí)鐘信號(hào)CLK的周期；n為讀使能信號(hào)RD滯后寫(xiě)使能信號(hào)WR的CLK時(shí)鐘數(shù)。

設(shè)k為分選系統(tǒng)通道數(shù)，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一位數(shù)據(jù)，k個(gè)通道的檢測(cè)信號(hào)組成一個(gè)k位數(shù)據(jù)，由此FPGA的內(nèi)部RAM配置成k位寬度的同步FIFO。通過(guò)此種方法，分選系統(tǒng)的多通道信號(hào)按照設(shè)定延時(shí)時(shí)間Td進(jìn)行高精度的延時(shí)，延時(shí)前后的信號(hào)完全一致，避免了以處理器為控制核心的分選系統(tǒng)中連續(xù)異常物料信號(hào)丟失情況的出現(xiàn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

FPGA作為分選系統(tǒng)的控制核心，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要包含4個(gè)子程序模塊：UART接口模塊、串并轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)延時(shí)模塊和分選脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊。

圖4 FPGA程序結(jié)構(gòu)框圖

4.1 UART接口模塊

在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)UART接口模塊，以實(shí)現(xiàn)UART串行通信功能。UART接口模塊由DI（數(shù)據(jù)輸入）、RO（數(shù)據(jù)輸出）、RE（接收使能）、DE（發(fā)送使能）4種信號(hào)構(gòu)成。UART接口模塊采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，包含發(fā)送、接收和波特率發(fā)生器3個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)FPGA與485驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)交換功能。

4.2 串并轉(zhuǎn)換模塊

色選機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)待分選的物料，并把檢測(cè)信號(hào)傳輸給分選系統(tǒng)。為了方便布線，檢測(cè)信號(hào)一般采用串行的傳輸方式，即通過(guò)3根信號(hào)線CS、SCLK、DATA進(jìn)行串行傳輸。CS是使能信號(hào)，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)有效；SCLK是時(shí)鐘信號(hào)，用于同步傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)傳輸一位數(shù)據(jù)；DATA是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)。接收的串行數(shù)據(jù)信號(hào)DATA通過(guò)FPGA的串并轉(zhuǎn)換程序模塊，在CS信號(hào)有效時(shí)，在SCLK的每個(gè)上升沿進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)k個(gè)SCLK信號(hào)上升沿，完成k位檢測(cè)信號(hào)的串并轉(zhuǎn)換[8]。

以8通道的分選系統(tǒng)為例建立仿真模型，仿真結(jié)果如圖5所示。每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一位數(shù)據(jù)，因此檢測(cè)系統(tǒng)傳輸給分選系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)，通過(guò)使能信號(hào)CS和同步時(shí)鐘信號(hào)SCLK把串行數(shù)據(jù)DATA轉(zhuǎn)換成8位并行數(shù)據(jù)DetectSignal。

圖5 8通道分選系統(tǒng)串并轉(zhuǎn)換仿真圖

4.3 信號(hào)延時(shí)模塊

根據(jù)信號(hào)延時(shí)控制策略，由FPGA芯片的內(nèi)部FIFO及其控制模塊實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)延時(shí)功能。以k=8的分選系統(tǒng)為例，延時(shí)信號(hào)的產(chǎn)生仿真圖如圖6所示。CLK為T(mén)CLK=0.1 ms的時(shí)鐘信號(hào)，讀使能信號(hào)滯后寫(xiě)使能信號(hào)時(shí)鐘數(shù)n=DelayTime，DetectSignal為檢測(cè)信號(hào)，DelaySignal為經(jīng)過(guò)延時(shí)后的延時(shí)信號(hào)。從仿真圖中可以看出，設(shè)定延時(shí)時(shí)間1.5 ms，由公式（1）可得DelayTime=15，延時(shí)后的信號(hào)0x21、0x3E、0x37、0xD2、0xE3與延時(shí)前的檢測(cè)信號(hào)完全一致，延時(shí)精度為CLK的周期0.1 ms，完全滿足分選系統(tǒng)的要求。

圖6 延時(shí)信號(hào)產(chǎn)生仿真圖

4.4 分選脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊

分選脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊將根據(jù)各個(gè)通道的延時(shí)信號(hào)和設(shè)定的動(dòng)作時(shí)間輸出各分選電磁閥的分選脈沖信號(hào)。根據(jù)待分選物料的大小及其通過(guò)分選電磁閥噴嘴速度的不同，分選電磁閥的動(dòng)作時(shí)間Tw也不同，動(dòng)作時(shí)間由人機(jī)界面設(shè)定。在FPGA內(nèi)部為每一通道的電磁閥動(dòng)作時(shí)間做一個(gè)單穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器，在延時(shí)信號(hào)的上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)，并輸出分選信號(hào)，計(jì)數(shù)到達(dá)設(shè)定動(dòng)作時(shí)間后停止計(jì)數(shù)，并關(guān)閉分選信號(hào)。利用FPGA程序并行執(zhí)行的特點(diǎn)，各通道的計(jì)數(shù)器單獨(dú)工作，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，可以滿足各通道分選電磁閥控制的要求。

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

構(gòu)建通道數(shù)k=32的色選機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)色選機(jī)分選系統(tǒng)FPGA程序如圖7所示。SERIALToPARALLAL_MODULE為串行檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行檢測(cè)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換模塊；lpm_fifo0為配置成寬32、最大深度2 048的同步FIFO；UART_MODULE為485通信的接口模塊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的設(shè)定；SORT_SIGNAL_MODULE為分選脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊。

圖7 分選系統(tǒng)的FPGA程序

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇實(shí)驗(yàn)物料密度為1.6 g/cm3，根據(jù)機(jī)械及物料特性設(shè)定延時(shí)時(shí)間DelayTime為10.5 ms，設(shè)定動(dòng)作時(shí)間ActuateTime為1.8 ms。

5.2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)物料中壞物料的比例約為5.5%，在不同產(chǎn)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)物料分選試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著色選機(jī)產(chǎn)量的逐漸增加，壞物料的檢出比逐漸下降，好物料的帶出比逐漸增加，當(dāng)產(chǎn)量為600 kg/h時(shí)，壞物料的檢出比為98.5%，好物料的帶出比為3.3%，滿足用戶實(shí)際需求，較傳統(tǒng)的32通道色選機(jī)分選系統(tǒng)（產(chǎn)量只能達(dá)到300 kg/h）已有非常大的提高。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)性高、分選速度快、控制精度高的大米色選機(jī)分選系統(tǒng)。該系統(tǒng)將FPGA內(nèi)部RAM配置成FIFO，F(xiàn)IFO的位寬與分選系統(tǒng)通道數(shù)相同，讀使能信號(hào)滯后寫(xiě)使能信號(hào)時(shí)鐘數(shù)與檢測(cè)信號(hào)的延時(shí)時(shí)間成正比，通過(guò)控制FIFO讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)分選系統(tǒng)多通道信號(hào)的精確無(wú)損延時(shí)。同時(shí)利用FPGA程序并行執(zhí)行的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的串并轉(zhuǎn)換，并行產(chǎn)生分選電磁閥的分選脈沖信號(hào)等功能，并通過(guò)485總線實(shí)時(shí)傳輸延時(shí)參數(shù)和動(dòng)作時(shí)間參數(shù)。該系統(tǒng)克服了早期分選系統(tǒng)連續(xù)異色米粒和雜質(zhì)信號(hào)丟失及多通道信號(hào)占用資源多、硬件成本高、分選脈沖信號(hào)一致性差的缺點(diǎn)。應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)突破了色選機(jī)在多通道、高產(chǎn)量、高精度分選系統(tǒng)中的技術(shù)瓶頸，對(duì)提高色選機(jī)的檢出水平和產(chǎn)量具有重要意義。