一種激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置的研究與設(shè)計(jì)

梁文斌，謝躍雷，彭誠(chéng)誠(chéng)，王太興，趙佳慶

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

一種激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置的研究與設(shè)計(jì)

梁文斌，謝躍雷，彭誠(chéng)誠(chéng)，王太興，趙佳慶

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為了解決激光打標(biāo)控制卡在開(kāi)發(fā)制作過(guò)程中標(biāo)刻圖像驗(yàn)證困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置。該裝置首先是通過(guò)主控模塊FPGA來(lái)控制串口線進(jìn)行激光打標(biāo)卡的數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)檢測(cè)、判別和存儲(chǔ)后篩選出振鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光器開(kāi)關(guān)光數(shù)據(jù)，通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機(jī)，最終由上位機(jī)還原數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)圖像的模擬標(biāo)刻，該裝置的數(shù)據(jù)采集遵循XY2-100協(xié)議，F(xiàn)PGA主控模塊選用Cyclone III芯片，USB傳輸模塊選用FT2232H芯片。該裝置能夠快速、完整地獲取激光打標(biāo)控制卡在進(jìn)行圖像標(biāo)刻過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并能在上位機(jī)模擬繪制出實(shí)際標(biāo)刻的圖案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該硬件裝置運(yùn)行穩(wěn)定、精度較高、圖案驗(yàn)證性強(qiáng)。

激光打標(biāo)；圖像驗(yàn)證；FPGA；USB

激光標(biāo)刻指的是利用高能量密度的激光束在工件表面實(shí)現(xiàn)永久性標(biāo)刻[1]。激光標(biāo)刻[2]主要是用于金屬、非金屬等各類材料表面[3]打標(biāo)字符及圖形[4]，在眾多行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用，例如在產(chǎn)品上標(biāo)刻二維碼、生產(chǎn)日期、產(chǎn)品商標(biāo)、序列號(hào)等。與傳統(tǒng)標(biāo)刻機(jī)相比，激光標(biāo)刻屬于非接觸式的打標(biāo)[5]，具有工件無(wú)變形、無(wú)壓力、無(wú)污染、無(wú)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

標(biāo)刻質(zhì)量是衡量激光打標(biāo)卡優(yōu)劣的重要指標(biāo)[6]，而在激光打標(biāo)卡開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，檢驗(yàn)標(biāo)刻質(zhì)量往往只能進(jìn)入工廠，然后將打標(biāo)卡與振鏡、激光器等連接，進(jìn)行實(shí)體的圖形標(biāo)刻，然后使用放大鏡和卡尺等進(jìn)行測(cè)量，然后比對(duì)標(biāo)刻圖案，其操作步驟非常繁瑣，數(shù)據(jù)的正確性也難以預(yù)測(cè)，極大地阻礙了打標(biāo)卡的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置，該硬件裝置結(jié)合了USB[7]傳輸速度快和FPGA[8]資源豐富、處理能力較強(qiáng)、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，能夠快速、穩(wěn)定地采集激光打標(biāo)控制卡傳輸?shù)臉?biāo)刻數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至SDRAM模塊，接著由USB通信口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機(jī)，最終由上位機(jī)繪制出模擬標(biāo)刻的圖案。

該驗(yàn)證裝置擺脫了長(zhǎng)期以來(lái)激光打標(biāo)卡在開(kāi)發(fā)測(cè)試時(shí)對(duì)振鏡、激光器的依賴，實(shí)現(xiàn)了激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證的多樣化、精細(xì)化和智能化。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

激光標(biāo)刻的圖像驗(yàn)證裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛線框圖部分為激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置結(jié)構(gòu)，主要包括FPGA主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、USB通信模塊、SDRAM存儲(chǔ)模塊和PC上位機(jī)等部分。在激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證過(guò)程中，首先接收激光打標(biāo)控制卡傳輸?shù)恼耒R坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光器開(kāi)關(guān)光數(shù)據(jù)，然后將它們傳輸并存儲(chǔ)至SDRAM模塊中，待振鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光器開(kāi)關(guān)光數(shù)據(jù)接收完畢后再將其傳送至PC上位機(jī)，最終進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬標(biāo)刻。

圖1 激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置結(jié)構(gòu)框圖

在激光打標(biāo)控制卡運(yùn)行標(biāo)刻后，數(shù)據(jù)將依次傳輸。數(shù)據(jù)中包括了振鏡管腳數(shù)據(jù)和激光管腳數(shù)據(jù)，其按照一定的順序輸出。通過(guò)定時(shí)信號(hào)，F(xiàn)PGA主控模塊同步接收數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)類型，分別存放振鏡管腳數(shù)據(jù)和激光管腳數(shù)據(jù)。SDRAM_1存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)振鏡管腳數(shù)據(jù)；SDRAM_2存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)激光管腳數(shù)據(jù)。USB通信模塊則選用FT2232H芯片，采用FIFO傳輸模式，該芯片一次傳輸?shù)淖畲罅繛?4 kbyte，本文采用的設(shè)置是一次傳輸量為60 kbyte，其傳輸量完全滿足數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)由MATLAB編程，數(shù)據(jù)由FT2232H傳輸至上位機(jī)后，由上位機(jī)識(shí)別數(shù)據(jù)類型，并模擬實(shí)際情況進(jìn)行標(biāo)刻，其控制流程框圖如圖2所示。

1.2 FPGA主控模塊

FPGA主控模塊作為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，須協(xié)調(diào)各個(gè)模塊間的通信，本設(shè)計(jì)采用Verilog HDL語(yǔ)言的編程以控制各個(gè)模塊。該模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能為：控制前端的數(shù)據(jù)采集模塊采集激光打標(biāo)控制卡傳輸?shù)臉?biāo)刻數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)包括了激光器開(kāi)關(guān)光數(shù)據(jù)和振鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中FPGA主控模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SDRAM模塊內(nèi)，待數(shù)據(jù)接收完整后，再控制USB通信模塊傳送數(shù)據(jù)參數(shù)至PC上位機(jī)，最終通過(guò)上位機(jī)模擬繪制出標(biāo)刻圖案。

本設(shè)計(jì)選用Altera公司的Cyclone III系列器件EP3C16Q240C8，它是240腳TQFP封裝，內(nèi)部有15 408個(gè)邏輯單元，516 096 bit的存儲(chǔ)器，4個(gè)鎖相環(huán)，148個(gè)可用I/O管腳，56個(gè)嵌入式單元，使用3.3 V電壓供電，支持AS，JTAG，PS配置方式。本設(shè)計(jì)采用JTAG和AS兩種配置方式，配置電路如圖3所示，其配置芯片采用EPCS16。JTAG配置方式主要用于系統(tǒng)的在線調(diào)試，在該配置下系統(tǒng)掉電后，配置內(nèi)容自動(dòng)丟失，方便擦除；AS配置方式是在整個(gè)系統(tǒng)完成調(diào)試后使用，該配置可以在系統(tǒng)上電后由FPGA主動(dòng)輸出同步和控制信號(hào)給專用的芯片，使其自動(dòng)加載相應(yīng)的配置內(nèi)容。

圖2 激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置的控制流程框圖

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光打標(biāo)控制卡的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊為激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置的前端部分，通過(guò)串口線使得數(shù)據(jù)采集模塊與激光打標(biāo)控制卡的輸出口相連接。數(shù)據(jù)采集模塊包括了激光數(shù)據(jù)采集模塊、振鏡數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊三個(gè)部分，數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊是用于判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋鸵约坝行浴．?dāng)檢測(cè)到無(wú)效數(shù)據(jù)時(shí)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；當(dāng)檢測(cè)到振鏡數(shù)據(jù)時(shí)，由振鏡數(shù)據(jù)采集模塊采集并存儲(chǔ)至SDRAM_1；當(dāng)檢測(cè)到激光數(shù)據(jù)時(shí)，由激光數(shù)據(jù)采集模塊采集并存儲(chǔ)至SDRAM_2。

激光打標(biāo)控制卡與激光器、振鏡的數(shù)據(jù)傳輸遵循XY2-100協(xié)議，因此數(shù)據(jù)采集模塊也應(yīng)遵循XY2-100協(xié)議。如圖4所示為XY2-100通用協(xié)議，其每次可發(fā)送20 bit的數(shù)據(jù)，并能以100 kword/s或2 Mbit/s的速率串行傳輸；數(shù)據(jù)每次傳輸?shù)臅r(shí)間必須為10 μs的整數(shù)倍；每個(gè)數(shù)據(jù)包中的前3位(C2～C0)為控制字，必須設(shè)定為001；接下來(lái)16位(D15～D00)為數(shù)據(jù)信息；最后1位(P)為奇偶校驗(yàn)位；數(shù)據(jù)的傳送是通過(guò)同步信號(hào)定位，當(dāng)SYNC上升沿觸發(fā)時(shí)數(shù)據(jù)同步發(fā)送，當(dāng)SYNC下降沿觸發(fā)時(shí)奇偶校驗(yàn)位發(fā)送。

圖3 FPGA配置電路

圖4 XY2-100通用振鏡協(xié)議

1.4 USB通信模塊

USB通信模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)接通PC上位機(jī)和激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置的功能，當(dāng)握手信號(hào)通信后，將存儲(chǔ)至SDRAM模塊的數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機(jī)，并能在上位機(jī)模擬繪制標(biāo)刻圖像結(jié)束后接收上位機(jī)反饋的結(jié)束指令。USB模塊必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院屯暾浴１疚牟捎玫氖荈TDI公司推出的第五代USB-to-UART/FIFO器件FT2232H，該器件支持480 Mbit/s的USB 2.0高速規(guī)范，并可在各類測(cè)試中的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下配置。FT2232H芯片在FPGA主控模塊的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，并要在模擬繪制標(biāo)刻圖像結(jié)束后能上傳反饋指令至激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置。

FT2232H管腳時(shí)序見(jiàn)圖5，在讀寫數(shù)據(jù)編程時(shí)應(yīng)循序以下的時(shí)序。FT2232H功能強(qiáng)大，提供了2個(gè)支持USB 2.0高速規(guī)范的I/O通道，只需要添加簡(jiǎn)單的配置電路，就可以實(shí)現(xiàn)單電路到雙通道串/并口的轉(zhuǎn)換；芯片內(nèi)部集成有USB處理協(xié)議，因此使用時(shí)不需要再進(jìn)行編寫USB固件程序；當(dāng)配置為UART接口時(shí)，F(xiàn)T2232H支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率達(dá)12 Mbit/s；當(dāng)配置為并行FIFO接口時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)25 Mbit/s。為了保證數(shù)據(jù)的高效性，本設(shè)計(jì)將FT2232H配置成FT245的同步FIFO模式，當(dāng)配置成這種模式時(shí)，所有資源被切換到通道A，通道B不能使用。

圖5 FT2232H管腳時(shí)序圖

1.5 SDRAM存儲(chǔ)模塊

1.5.1 SDRAM的刷新

SDRAM作為存儲(chǔ)模塊主要用于存儲(chǔ)激光打標(biāo)控制卡傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，由于打標(biāo)卡數(shù)據(jù)量比較大，而FPGA片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量很有限，當(dāng)主控芯片不能及時(shí)處理時(shí)，就需要一片存儲(chǔ)芯片來(lái)暫存激光打標(biāo)控制卡傳送來(lái)的數(shù)據(jù)。所以電路設(shè)計(jì)應(yīng)該是在主控模塊上外接SDRAM存儲(chǔ)模塊用來(lái)存放運(yùn)行的振鏡數(shù)據(jù)和激光數(shù)據(jù)。選擇SDRAM的原因在于它對(duì)比SRAM價(jià)格更低而容量更高。

SDRAM是電容儲(chǔ)電的原理，SDRAM在上電不進(jìn)行其他操作時(shí)，數(shù)據(jù)保存時(shí)間的最長(zhǎng)為64 ms，為了避免數(shù)據(jù)丟失，程序設(shè)計(jì)時(shí)必須定時(shí)刷新。本設(shè)計(jì)中采用MT48LC16M16A2型號(hào)的SDRAM芯片，每個(gè)Bank總共有8 192行的邏輯單元，由式(1)可知，每行自動(dòng)刷新的周期最大值為7 812.5 ns。

(1)

SDRAM系統(tǒng)的讀寫時(shí)鐘為100MHz，時(shí)鐘周期是10ns，因此自動(dòng)刷新計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間取7 500ns，該時(shí)間小于最大刷新周期，符合設(shè)計(jì)要求。

1.5.2SDRAM的初始化模塊

MT48LC16M16A2芯片在進(jìn)行讀寫操作之前，都要進(jìn)行初始化操作。參照MT48LC16M16A2芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定，其初始化流程操作如圖6所示。該圖為SDRAM在開(kāi)機(jī)時(shí)的初始化過(guò)程，上電等待要有100μs的輸入穩(wěn)定期，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)不可對(duì)SDRAM做任何操作；100μs以后就是要對(duì)所有Bank預(yù)充電，接著給SDRAM執(zhí)行8次刷新命令；最后對(duì)SDRAM的設(shè)置模式寄存器MR進(jìn)行設(shè)置。上述步驟就是SDRAM在上電后的全部初始化過(guò)程，在進(jìn)行完了初始化過(guò)程以后就可以正常地對(duì)SDRAM進(jìn)行讀寫。

圖6 SDRAM初始化

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 PC_1中的上位機(jī)進(jìn)行圖像編輯(截圖)

將激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，把PC_1、激光打標(biāo)控制卡、激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置、PC_2依次連接好，再打開(kāi)PC、激光打標(biāo)控制卡、激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置的電源，然后在PC_1編輯要標(biāo)刻的圖像后，點(diǎn)擊確定，即可在PC_2中進(jìn)行激光標(biāo)刻圖像的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，為了方便測(cè)試，可以將PC_1和PC_2選用同一臺(tái)PC，如圖7所示為PC_1中的上位機(jī)進(jìn)行圖像編輯。

圖8所示為PC_2中的上位機(jī)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中實(shí)線部分為激光開(kāi)光時(shí)的走筆情況，虛線部分為激光關(guān)光時(shí)的走筆情況。圖9a所示為PC_2中上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放大；如圖9b所示為PC_2中上位機(jī)進(jìn)一步放大圖，圖中可以清晰地看出激光開(kāi)關(guān)光的打標(biāo)軌跡，其圖像坐標(biāo)軌跡都是根據(jù)振鏡數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的，激光器開(kāi)光時(shí)和關(guān)光時(shí)的振鏡軌跡是根據(jù)激光數(shù)據(jù)判定的，該仿真中實(shí)點(diǎn)為激光器開(kāi)光時(shí)的振鏡坐標(biāo)軌跡，虛線為激光器關(guān)光時(shí)的振鏡坐標(biāo)軌跡。

圖8 PC_2中的上位機(jī)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

圖9 PC_2中上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放大

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于FPGA和USB的激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置，在Verilog語(yǔ)言編程下，該設(shè)計(jì)相對(duì)穩(wěn)定、可靠、便于移植和修改。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該圖像驗(yàn)證裝置能夠精準(zhǔn)、快速地模擬繪制出實(shí)際情況中激光標(biāo)刻的過(guò)程。經(jīng)過(guò)工廠實(shí)測(cè)和多方調(diào)研比對(duì)后，證明該設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化激光打標(biāo)卡在工廠開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)大型硬件激光器、振鏡的依賴，使得激光打標(biāo)卡在驗(yàn)證圖像的精確性和穩(wěn)定性時(shí)更為便捷和多樣，從而縮短了激光打標(biāo)卡的開(kāi)發(fā)周期并降低了激光打標(biāo)卡的開(kāi)發(fā)成本。

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梁文斌(1990— )，碩士生，主研通信信號(hào)處理；

謝躍雷(1975— )，碩士生導(dǎo)師，主研無(wú)線寬帶通信與信號(hào)處理、車地寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)等；

彭誠(chéng)誠(chéng)(1989— )，碩士生，主研通信信號(hào)處理；

王太興(1989— )，碩士生，主研通信信號(hào)處理；

趙佳慶(1989— )，碩士生，主研光通信技術(shù)。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Research and Design of Laser Marking and Image Verification Device

LIANG Wenbin, XIE Yuelei, PENG Chengcheng, WANG Taixing, ZHAO Jiaqing

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuangxiGuilin541004,China)

In order to solve the image verification during the laser marking card development process, a laser marking image verification device is designed.Firstly, the main control module of FPGA controls the serial port line to complete data acquisition. After data detection, discrimination and storage, the galvanometer coordinate data and laser switch data are transmited to the PC from USB bus, and reducted by the upper computer to realize image engraving simulation.The data acquisition follows XY2-100 protocol, the main control module of FPGA is Cyclone III, USB transfer module is chip FT2232H.The real-time data during the image engraving process can be acquierd quickly and completely by the device, and can be used to simulate the actual engraving pattern on the upper computer.The experimental results show that the device has running stability, high precision, strong image authentication.

laser marking; graphical verification; FPGA; USB

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFFA019004)

TN247

A

10.16280/j.videoe.2015.05.013

2014-08-06

【本文獻(xiàn)信息】梁文斌，謝躍雷，彭誠(chéng)誠(chéng),等.一種激光標(biāo)刻圖像驗(yàn)證裝置的研究與設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(5).