基于FPGA的非接触式纱线张力检测系统设计

苏泽斌， 李鹏飞， 景军锋， 张兆伟， 吴作波

(西安工程大学 电子信息学院，西安 10048)

基于FPGA的非接触式纱线张力检测系统设计

苏泽斌， 李鹏飞， 景军锋， 张兆伟， 吴作波

(西安工程大学 电子信息学院，西安 10048)

纱线张力是纺织行业中需要重点检测的工艺参数之一，目前应用在络筒机上的张力仪以接触式为主，纱线与张力仪之间的摩擦会增加纱线毛羽的产生，也会导致工艺效率的下降。根据上述实际工艺问题，分析了纱线运行过程中张力与振动频率的关系，根据此关系，设计了一种基于光电传感器和FPGA的非接触式纱线张力检测系统，通过实时检测运行中的纱线的张力值，能够对其进行适当调整，提高纺织生产效率。

纱线张力； 非接触； 无损检测； 光电传感器

0 引言

纺织加工过程中，络筒机中需要合适调节的一个重要工艺参数就是纱线张力，张力的大小直接影响纱线的质量和生产效率，进而影响后续织物的质量和外观[1]。张力的变化主要影响纱线的物理性能、生产效率等。络筒机运行时往往需要更快的速率，这样会导致张力值过大，一方面会使纱线产生变形，细节过多，影响后续织物的物理性能、外观结构；另一方面会导致断纱，需要停机重新穿纱，严重影响了生产效率。张力过小时，会使得织物成型不好，结构松散，最重要的是影响了络筒机的速度，降低了生产效率。因此，为了提高纺织生产的质量和效率，必须对纱线张力做精确检测，同时辅助以张力实时调整系统[2]。纱线张力的精确监控对于促进我国纺织技术的发展具有重要的生产意义。

1 接触式纱线张力检测

目前大多数纺织工艺中使用的仍然是接触式的纱线张力仪，采用电阻应变式传感器，利用“三辊式”张力检测装置对纱线张力进行实时检测[3]，如图1所示。

图1 三辊式张力检测装置示意图

其中纱线通过罗拉进行传动，罗拉2接悬臂梁，悬臂梁上粘贴电阻式应变片构成惠斯通全桥电路，当纱线张力发生变化时，悬臂梁上电阻应变片产生变形，破坏电桥平衡[1]，最终输出电压信号做相应数据处理。

此种装置的优点是信号处理简单，检测精确，同时成本低，实现起来容易，对张力比较容易控制；缺点是高速运行状态下，纱线直接与张力仪接触，运行时间长以后，陶瓷与纱线接触产生摩擦，使得纱线毛羽增加比较多，并且也容易产生断纱现象。

2 非接触式纱线张力检测

随着纺织工艺要求的不断提高，对纱线张力检测和控制的精度要求也越来越高。为了避免接触式测量纱线张力检测带来的不良影响，采用非接触式测量是行之有效的方法之一，既能检测纱线的实际张力，也减小了纱线运动状态下的影响[4]。非接触式测量方法能够迅速、实时的反映纱线张力值，并且易于对张力大小进行自动化控制，同时减少摩擦损耗。目前常用的非接触式方法有磁电感应方法、电容法、图像处理方法等，本文采取振动频率法进行纱线张力检测。

1) 振动频率法测量张力关系

根据相关研究发现，张力值与振动频率之间存在一定线性关系[5]，根据纱线在横波方向上振动方程可以推导出纱线，张力为式(1)。

(1)

式(1)中，T为纱线张力，f为纱线频率，l为纱线长度，ρ为纱线密度，n为出现驻波时波峰个数。式中表明，张力T和纱线频率f的平方成正比，在其他参数已知的情况下，只要检测出纱线运行过程中横向振动频率，即可得出实际的张力值。

2) 系统检测方案

非接触式测量原理是根据弦振动理论中振动频率和张力之间的关系，利用光电传感器检测运动中纱线的振动频率[6]，数据通过PS/2协议送到FPGA控制器中，通过建立纱线张力和频率参数相关的数学模型，最后计算出张力值。系统检测方案框图，如图2所示。

图2 系统检测方案框图

3 硬件系统设计

纱线张力检测装置的硬件结构图如图3所示。

图3 硬件结构图

导纱轮负责纱线传导，检测核心器件是光电传感器，它主要由发光二极管、光学透镜、光感应器件、专用图像分析芯片(DSP)构成。光学传感器底部有一个发光二极管为光感应器件提供光线，纱线通过光电传感器底部时，其运动轨迹通过光感应器件记录为一组连贯图像，专用图像分析芯片(DSP)对拍摄的一系列图像进行分析处理，最终会输出控制器能够识别的电信号。

1、系统总体方案设计

纱线张力检测系统主要包括FPGA数据处理单元、非接触式纱线张力检测模块、电机驱动模块、显示模块、报警模块，系统总体方案设计框图如图4所示。

纱线运行时，检测模块能够检测到纱线振动频率变化，将频率变化信号送入到处理器FPGA中，处理器负责将频率

图4 系统总体方案设计框图

数据进行处理转化为张力值，同时控制电机驱动模块、报警模块和显示模块。

2、检测模块设计

系统采用的检测模块负责检测纱线的振动频率，是利用HDNS-2000光学传感器，其内部模块图如图5所示。

图5 HDNS-2000内部模块图

它是一种低成本的反射光学传感器，主要包括图像获取系统(IAS)，数字信号处理器(DSP)和PS/2协议输出接口，其DSP通过处理获取的图像变化确定图像变化移动的方向和大小，得到相对的偏移次数，根据偏移次数得到纱线的振动频率值，最后将频率值通过PS/2协议直接输出到相应数据处理单元。

3、硬件电路设计

硬件电路图，如图6所示。

图6 硬件电路图

HDNS-2000芯片的1引脚为PS/2的时钟接口，16引脚为PS/2的数据接口，将HDNS-2000的1引脚和16引脚分别送入到FPGA的IO口，利用FPGA主动配置引脚功能实现PS/2数据接收。控制器采用Altera公司的FPGA芯片EP4CE6，在QUARTUS II集成环境下使用Verilog硬件描述语言进行编写。

4 软件系统设计

1、软件程序总体方案设计

系统的Verilog顶层设计如图7所示。

顶层设计由两个模块PS2(PS/2数据接收模块)，freqtest(频率测量模块)组成，分别进行PS/2接口数据的读取和频率计算。管脚CLOCK_50为系统50MHZ输入时钟，KEY[1:0]分别为复位按键输入和启动测量输入信号，PS2_CLK、PS2_DAT分别为来自HDNS-2000芯片的时钟信号和数据信号，dig[3:0]为四位数码管位选信号，seg[7:0]为数码管的段选信号，LEDG为oY信号输出到LED的信号，oY为Y方向上相对位移方向的改变信号，作为频率测量模块的待测时钟输入信号。频率测量模块将50 MHz时钟信号分频实现1 Hz频率测量基准信号，对1秒内oY的变化次数进行计数，最终值即为纱线的振荡频率。

图7 系统软件设计顶层原理图

2、频率计模块中计数器子模块设计

频率计模块的主要源程序包括计数器的时钟输入、进位输入、进位输出、计数器输出等，主要源代码为

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

input clock; //计数器时钟输入

input cin; //计数器进位输入

input rst; //计数器复位输入

output cout; //计数器进位输出

output[3:0] dout;//计数器输出

reg[3:0]counter; //中间寄存器

assign dout=counter;

assign cout=cin&&(counter>=4'd9);//进位输入为1且counter值大于等于9进位输出为1

always @(posedge clock or posedge rst)

begin

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

else if(cin)//进位输入为1

beginif(cout) //进位输出为1counter<=4'd0;//counter清零

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

end

end

endmodule

5 总结

系统能够利用光电传感器检测纱线运行状态中的频率，通过建立纱线频率和张力的模型，设计了基于FPGA的纱线张力检测系统，最终能检测出实际的张力值。同时也存在很多问题，(1)纱线运行过程中络筒机振动影响到纱线本身的振动频率，最终影响张力值的准确性；(2)系统目前仍然属于静态测量，最后要实现在线测量，需要进行大量的实验数据分析，通过算法优化，构建最优频率与张力关系；(3)系统目前只能检测到实时的张力值，只能手动调节速度去调节张力值，需要更进一步研究基于闭环控制的自适应调整张力系统。系统可以作为弦类张力检测的通用平台，具有一定的应用前景。

[1] 庾在海,吴文英,陈瑞琪. 纱线张力动态测试方法[J]. 自动化仪表,2005,10:36-38.

[2] 韩帅. 纱线张力精密控制器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2015.

[3] 熊秋元,高晓平. 纱线张力检测与控制技术的研究现状与展望[J]. 棉纺织技术,2011，6:65-68.

[4] 刘行,缪旭红,赵帅权. 纱线张力测试方法研究进展[J]. 棉纺织技术,2015，1:78-82.

[5] 张红冉,熊和金,薛念明. 基于光电鼠标传感器的纱线张力检测方法研究[J]. 科技创新导报,2009，33:4.

[6] 林邓伟,邢文生. 光电鼠标芯片组在无接触检测运动物体中的应用[J]. 微计算机信息,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

陕西省工北科技项关项目(2015GY034)，西安工程大学大学生创新创业项目(2016005)

苏泽斌(1989-)，男，助教，硕士研究生，研究方向：纺织印染设备工艺参数在线检测与机器视角研究。 李鹏飞(1962-)，教授，硕士，研究方向：纺织印染设备智能化检测与控制系统。 景军锋(1978-)，副教授，博士研究生，研究方向：机器视觉图像处理与模式识别。 张兆伟(1991-)，硕士研究生，研究方向：纱线质量检测。 吴作波(1993-)，本科，研究方向：纱线质量检测。

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

TG409

A

2017.03.07)