基于FPGA的非接觸式紗線張力檢測系統設計

蘇澤斌， 李鵬飛， 景軍鋒， 張兆偉， 吳作波

(西安工程大學 電子信息學院，西安 10048)

基于FPGA的非接觸式紗線張力檢測系統設計

蘇澤斌， 李鵬飛， 景軍鋒， 張兆偉， 吳作波

(西安工程大學 電子信息學院，西安 10048)

紗線張力是紡織行業中需要重點檢測的工藝參數之一，目前應用在絡筒機上的張力儀以接觸式為主，紗線與張力儀之間的摩擦會增加紗線毛羽的產生，也會導致工藝效率的下降。根據上述實際工藝問題，分析了紗線運行過程中張力與振動頻率的關系，根據此關系，設計了一種基于光電傳感器和FPGA的非接觸式紗線張力檢測系統，通過實時檢測運行中的紗線的張力值，能夠對其進行適當調整，提高紡織生產效率。

紗線張力； 非接觸； 無損檢測； 光電傳感器

0 引言

紡織加工過程中，絡筒機中需要合適調節的一個重要工藝參數就是紗線張力，張力的大小直接影響紗線的質量和生產效率，進而影響后續織物的質量和外觀[1]。張力的變化主要影響紗線的物理性能、生產效率等。絡筒機運行時往往需要更快的速率，這樣會導致張力值過大，一方面會使紗線產生變形，細節過多，影響后續織物的物理性能、外觀結構；另一方面會導致斷紗，需要停機重新穿紗，嚴重影響了生產效率。張力過小時，會使得織物成型不好，結構松散，最重要的是影響了絡筒機的速度，降低了生產效率。因此，為了提高紡織生產的質量和效率，必須對紗線張力做精確檢測，同時輔助以張力實時調整系統[2]。紗線張力的精確監控對于促進我國紡織技術的發展具有重要的生產意義。

1 接觸式紗線張力檢測

目前大多數紡織工藝中使用的仍然是接觸式的紗線張力儀，采用電阻應變式傳感器，利用“三輥式”張力檢測裝置對紗線張力進行實時檢測[3]，如圖1所示。

圖1 三輥式張力檢測裝置示意圖

其中紗線通過羅拉進行傳動，羅拉2接懸臂梁，懸臂梁上粘貼電阻式應變片構成惠斯通全橋電路，當紗線張力發生變化時，懸臂梁上電阻應變片產生變形，破壞電橋平衡[1]，最終輸出電壓信號做相應數據處理。

此種裝置的優點是信號處理簡單，檢測精確，同時成本低，實現起來容易，對張力比較容易控制；缺點是高速運行狀態下，紗線直接與張力儀接觸，運行時間長以后，陶瓷與紗線接觸產生摩擦，使得紗線毛羽增加比較多，并且也容易產生斷紗現象。

2 非接觸式紗線張力檢測

隨著紡織工藝要求的不斷提高，對紗線張力檢測和控制的精度要求也越來越高。為了避免接觸式測量紗線張力檢測帶來的不良影響，采用非接觸式測量是行之有效的方法之一，既能檢測紗線的實際張力，也減小了紗線運動狀態下的影響[4]。非接觸式測量方法能夠迅速、實時的反映紗線張力值，并且易于對張力大小進行自動化控制，同時減少摩擦損耗。目前常用的非接觸式方法有磁電感應方法、電容法、圖像處理方法等，本文采取振動頻率法進行紗線張力檢測。

1) 振動頻率法測量張力關系

根據相關研究發現，張力值與振動頻率之間存在一定線性關系[5]，根據紗線在橫波方向上振動方程可以推導出紗線，張力為式(1)。

(1)

式(1)中，T為紗線張力，f為紗線頻率，l為紗線長度，ρ為紗線密度，n為出現駐波時波峰個數。式中表明，張力T和紗線頻率f的平方成正比，在其他參數已知的情況下，只要檢測出紗線運行過程中橫向振動頻率，即可得出實際的張力值。

2) 系統檢測方案

非接觸式測量原理是根據弦振動理論中振動頻率和張力之間的關系，利用光電傳感器檢測運動中紗線的振動頻率[6]，數據通過PS/2協議送到FPGA控制器中，通過建立紗線張力和頻率參數相關的數學模型，最后計算出張力值。系統檢測方案框圖，如圖2所示。

圖2 系統檢測方案框圖

3 硬件系統設計

紗線張力檢測裝置的硬件結構圖如圖3所示。

圖3 硬件結構圖

導紗輪負責紗線傳導，檢測核心器件是光電傳感器，它主要由發光二極管、光學透鏡、光感應器件、專用圖像分析芯片(DSP)構成。光學傳感器底部有一個發光二極管為光感應器件提供光線，紗線通過光電傳感器底部時，其運動軌跡通過光感應器件記錄為一組連貫圖像，專用圖像分析芯片(DSP)對拍攝的一系列圖像進行分析處理，最終會輸出控制器能夠識別的電信號。

1、系統總體方案設計

紗線張力檢測系統主要包括FPGA數據處理單元、非接觸式紗線張力檢測模塊、電機驅動模塊、顯示模塊、報警模塊，系統總體方案設計框圖如圖4所示。

紗線運行時，檢測模塊能夠檢測到紗線振動頻率變化，將頻率變化信號送入到處理器FPGA中，處理器負責將頻率

圖4 系統總體方案設計框圖

數據進行處理轉化為張力值，同時控制電機驅動模塊、報警模塊和顯示模塊。

2、檢測模塊設計

系統采用的檢測模塊負責檢測紗線的振動頻率，是利用HDNS-2000光學傳感器，其內部模塊圖如圖5所示。

圖5 HDNS-2000內部模塊圖

它是一種低成本的反射光學傳感器，主要包括圖像獲取系統(IAS)，數字信號處理器(DSP)和PS/2協議輸出接口，其DSP通過處理獲取的圖像變化確定圖像變化移動的方向和大小，得到相對的偏移次數，根據偏移次數得到紗線的振動頻率值，最后將頻率值通過PS/2協議直接輸出到相應數據處理單元。

3、硬件電路設計

硬件電路圖，如圖6所示。

圖6 硬件電路圖

HDNS-2000芯片的1引腳為PS/2的時鐘接口，16引腳為PS/2的數據接口，將HDNS-2000的1引腳和16引腳分別送入到FPGA的IO口，利用FPGA主動配置引腳功能實現PS/2數據接收?？刂破鞑捎肁ltera公司的FPGA芯片EP4CE6，在QUARTUS II集成環境下使用Verilog硬件描述語言進行編寫。

4 軟件系統設計

1、軟件程序總體方案設計

系統的Verilog頂層設計如圖7所示。

頂層設計由兩個模塊PS2(PS/2數據接收模塊)，freqtest(頻率測量模塊)組成，分別進行PS/2接口數據的讀取和頻率計算。管腳CLOCK_50為系統50MHZ輸入時鐘，KEY[1:0]分別為復位按鍵輸入和啟動測量輸入信號，PS2_CLK、PS2_DAT分別為來自HDNS-2000芯片的時鐘信號和數據信號，dig[3:0]為四位數碼管位選信號，seg[7:0]為數碼管的段選信號，LEDG為oY信號輸出到LED的信號，oY為Y方向上相對位移方向的改變信號，作為頻率測量模塊的待測時鐘輸入信號。頻率測量模塊將50 MHz時鐘信號分頻實現1 Hz頻率測量基準信號，對1秒內oY的變化次數進行計數，最終值即為紗線的振蕩頻率。

圖7 系統軟件設計頂層原理圖

2、頻率計模塊中計數器子模塊設計

頻率計模塊的主要源程序包括計數器的時鐘輸入、進位輸入、進位輸出、計數器輸出等，主要源代碼為

module cnt10(clock,rst,cin,cout,dout);

input clock; //計數器時鐘輸入

input cin; //計數器進位輸入

input rst; //計數器復位輸入

output cout; //計數器進位輸出

output[3:0] dout;//計數器輸出

reg[3:0]counter; //中間寄存器

assign dout=counter;

assign cout=cin&&(counter>=4'd9);//進位輸入為1且counter值大于等于9進位輸出為1

always @(posedge clock or posedge rst)

begin

if (rst)counter<=4'd0; //復位時counter寄存器清零

else if(cin)//進位輸入為1

beginif(cout) //進位輸出為1counter<=4'd0;//counter清零

elsecounter<=counter+1'b1;//counter值加1

end

end

endmodule

5 總結

系統能夠利用光電傳感器檢測紗線運行狀態中的頻率，通過建立紗線頻率和張力的模型，設計了基于FPGA的紗線張力檢測系統，最終能檢測出實際的張力值。同時也存在很多問題，(1)紗線運行過程中絡筒機振動影響到紗線本身的振動頻率，最終影響張力值的準確性；(2)系統目前仍然屬于靜態測量，最后要實現在線測量，需要進行大量的實驗數據分析，通過算法優化，構建最優頻率與張力關系；(3)系統目前只能檢測到實時的張力值，只能手動調節速度去調節張力值，需要更進一步研究基于閉環控制的自適應調整張力系統。系統可以作為弦類張力檢測的通用平臺，具有一定的應用前景。

[1] 庾在海,吳文英,陳瑞琪. 紗線張力動態測試方法[J]. 自動化儀表,2005,10:36-38.

[2] 韓帥. 紗線張力精密控制器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2015.

[3] 熊秋元,高曉平. 紗線張力檢測與控制技術的研究現狀與展望[J]. 棉紡織技術,2011，6:65-68.

[4] 劉行,繆旭紅,趙帥權. 紗線張力測試方法研究進展[J]. 棉紡織技術,2015，1:78-82.

[5] 張紅冉,熊和金,薛念明. 基于光電鼠標傳感器的紗線張力檢測方法研究[J]. 科技創新導報,2009，33:4.

[6] 林鄧偉,邢文生. 光電鼠標芯片組在無接觸檢測運動物體中的應用[J]. 微計算機信息,2006,20:131-133.

Measurement of Weld Pool Oscillation for Pulsed

Su Zebin,Li Pengfei,Jing Junfeng, Zhang Zhaowei,Wu Zuobo

(College of Electrics and Information, Xi’an Polytechnic University， Xi’an, 10048, China)

Yarn tension is one of the key parameters in the textile industry. The instrument, which based on contact detection, is mainly used in the winding machine. The friction between the yarn and the tension sensor will increase the value of the yarn hairiness. It can also lead to a decline in process efficiency. According to the above-mentioned practical process, this paper firstly analyzes the relationship between the tension and the vibration frequency in the operation. A non-contact yarn tension detection system based on photoelectric sensor and FPGA is designed, after analysis of the relationship. By detecting the tension value of the running yarn, it can make appropriate adjustment, so that the efficiency of textile production can be improved.

Yarn tension; Non-contact; Nondestructive testing; Photoelectric Sensors

陜西省工北科技項關項目(2015GY034)，西安工程大學大學生創新創業項目(2016005)

蘇澤斌(1989-)，男，助教，碩士研究生，研究方向：紡織印染設備工藝參數在線檢測與機器視角研究。 李鵬飛(1962-)，教授，碩士，研究方向：紡織印染設備智能化檢測與控制系統。 景軍鋒(1978-)，副教授，博士研究生，研究方向：機器視覺圖像處理與模式識別。 張兆偉(1991-)，碩士研究生，研究方向：紗線質量檢測。 吳作波(1993-)，本科，研究方向：紗線質量檢測。

1007-757X(2017)08-0033-03

TG409

A

2017.03.07)