基于FPGA+ARM的激光器圖像自動測量系統設計

王艷維，楊朋利，付曉慶，馬愛秋，王 浩，李四維，楊旸，任江濤，任 猛（.西安應用光學研究所，西安，70065；.陜西化工集團有限公司，榆林，799；.中鐵二十局集團第一工程公司，蘇州，55）

基于FPGA+ARM的激光器圖像自動測量系統設計

王艷維1，楊朋利1，付曉慶1，馬愛秋1，王 浩1，李四維1，楊旸1，任江濤2，任 猛3
（1.西安應用光學研究所，西安，710065；2.陜西化工集團有限公司，榆林，719319；3.中鐵二十局集團第一工程公司，蘇州，215151）

目前的激光器測量需要測試人員肉眼判斷激光器輸出的光斑的亮度、形狀、間距等信息。測試人員判斷具有主觀性、易受環境影響等特點。本文設計了一個激光器自動化測量系統，該系統可以實現對激光器系統的自動化測試，具有測量效率高，測試結果一致性好等優點。

FPGA；ARM；自動測量

0 引言

在我所某激光器測量系統中，需要由測試人員根據激光器輸出的光斑的形狀、間距、亮度等信息判斷激光器工作是否正常。由于人的判斷標準具有主觀性、無法定量分析等劣勢，因此有必要開發一套圖像采集與分析的自動化系統完成整個測量。因此我們設計一套圖像采集、分析與顯示系統。完成對激光器輸出圖像的采集，將采集圖像在LCD屏上顯示，并自動分析圖像特征，根據采集圖像判斷激光器是否正常。

1 激光器圖像分析

圖1 激光器圖像示例

圖1為一個激光器示例圖像。激光器標準輸出為5個白色亮斑。判斷激光器好壞一般從以下幾個方面入手：

圖像處理流程圖如圖2所示。

2 系統整體方案

本系統設計的核心在于激光器圖像的讀取和分析。激光器圖像由CCD攝像頭采集，圖像速率為25幀/秒。由于圖像數據量大，速率高，采取FPGA控制AD進行圖像的采集工作。由于對圖像處理的實時性要求不高，我們使用ARM實現第二節的圖像處理算法。

為了方便測試人員操作，我們設計一個矩陣式鍵盤做命令輸入，實現測試人員對系統的控制；同時為了保證測試數據的可追溯性，我們使用SD卡做數據存儲，存儲圖像格式為標準bmp格式，測試數據為txt文檔格式存儲，這樣就做到了測試數據可以在計算機上進行回讀和分析，有利于歸納和總結激光器的同類型或批次性問題。

圖2　 圖像處理流程圖

圖4　 FPGA系統框圖

系統工作流程為：上電后ARM（STM32F103RE）首先對FPGA （EP1C12Q240C8）和AD（ADV7180）進行配置。配置完畢后AD接收來自CCD攝像頭采集的激光器圖像，經過AD轉換后送往FPGA。由于圖像為電視圖像格式，圖像分為奇場圖像和偶場圖像，FPGA對圖像進行拼接，將圖像拼接為像素值為720*576的幀圖像。拼接完畢的圖像存入SDRAM。

鍵盤使用5*5矩陣式鍵盤。鍵盤包括10個數字鍵及上移、下移鍵及5個操作指令鍵。操作指令包括圖像顯示、圖像采集、圖像分析、結果存儲，結果回讀。由ARM解析鍵盤命令，觸發相應操作。

1）圖像顯示。ARM指示FPGA將采集的圖像在LCD上實時顯示。這個時候測試人員可以調整激光器位置、光強、攝像頭的位置，調整測試環境；

2）圖像采集。ARM指示FPGA停止圖像采集，將采集的最后一幅圖像顯示在LCD上，測試人員可以用于輔助判斷采集的圖像質量；

3）圖像分析。ARM通過并行總線接口從FPGA外接的SDRAM存儲器中取出圖像，放入到外接SRAM中。使用圖像處理算法從圖像中搜索光斑，分析光斑圖像的亮度、形狀、間距信息。并將分析結果在LCD上顯示，如果激光器不合格，在LCD上顯示告警信息，并給出不合格的條目信息。

4）結果存儲。ARM將采集的圖像和分析結果存到SD卡中，存儲文件名默認從0001開始命名，支持測試人員使用數字鍵盤命名。存儲圖像格式為bmp格式，測試數據格式為txt文檔格式，為了使測試數據和測試圖像關聯，默認二者命名相同。

5）結果回讀。結果回讀有兩種形式：計算機回讀和使用LCD顯示。計算機回讀時使用USB接口直接訪問SD卡，由于數據存儲形式為標準圖形和文檔格式。因此不需要再開發上位機軟件。LCD顯示時ARM將FLASH中儲存的文件信息在LCD上顯示。測試人員通過上下鍵選擇以前存儲的測試結果和圖像信息，選擇后ARM將儲存的對應的圖像和數據寫入FPGA緩存中，由FPGA將數據和圖像在LCD上顯示。

3 FPGA方案

如第3節所述，FPGA完成AD數據采集、圖像數據存儲，LCD屏顯示等功能。FPGA設計框圖如圖4所示。

如圖4所示，FPGA由鎖相環電路，AD接口電路、SDRAM控制電路，LCD控制電路，圖像接口FIFO，ARM接口電路組成。

1）鎖相環（PLL）電路。AD接口速率為27MHz，FPGA通過內部鎖相環將時鐘倍頻，將主時鐘倍頻到54MHz。作為SDRAM控制器及全片主控時鐘。

2）AD接口電路。AD接口電路完成兩個主要功能。一是根據電視圖像時序接收圖像，由于電視圖像信息625（行）*1728（列），其中包含場消隱信號和行消隱信號，實際有效圖像為576（行）*1440（列）。AD接口電路將行場消隱信號去除，保留有效圖像。但是電視圖像信息包含亮度（Y）、藍色差（Cb）、紅色差（Cr），比例為4：2：2。我們做圖像分析時只需要亮度信息，因此AD接口的第二個功能就是保留亮度信息，去除其他信息。

3）SDRAM接口電路。SDRAM接口電路將奇偶場圖像信息拼接成一幀圖像存入到SDRAM中。由于SDRAM依靠電容保持信息，因此除了正常的讀寫操作外，還需要對SDRAM定時進行刷新以保持數據。實際上，SDRAM控制器分為上電初始化、刷新、讀操作和寫操作幾個功能。其中SDRAM寫操作由AD接口電路觸發，SDRAM讀操作由LCD控制電路觸發。需要注意的是，在不需要實時顯示時，SDRAM控制器不對SDRAM進行讀寫操作。

4）LCD控制電路。實際上系統選擇的液晶屏為800（列）*600（行），比電視圖像稍大一些。我們在邊緣部分插入黑色邊緣，中間部分放入正常圖像。并根據ARM的指令，在圖像上疊加圖像分析的結果。在不進行圖像實時顯示時，LCD從圖像接口FIFO中取出要顯示的圖像，在LCD上顯示。

5）圖像接口FIFO。圖像接口FIFO有兩個功能。一是在圖像分析時，SDRAM接口電路取出圖像放入圖像接口FIFO中。ARM從圖像接口FIFO中取出圖像進行分析。二是在顯示各種控制界面時，ARM將要顯示的圖像信息放入到圖像接口FIFO中。由于圖像背景簡單，為了節約存儲空間，實際放入FIFO中的為二值化圖像。

6）ARM接口電路。FPGA和ARM之間為并行接口，數據線為8根、地址線為12根，共4k的尋址空間。ARM通過類似SRAM接口時序對FPGA寄存器進行讀寫。以控制FPGA功能選擇，獲取工作狀態。

4 結論

本自動化測量系統綜合了圖像采集、顯示、分析、存儲等多項功能。可以方便實現激光器的自動測試與分析，并且測試結果可記錄，可回讀，可驗證。試驗證明，本系統能很大程度提高激光器測試的效率和準確性，并可以簡單串口擴展實現計算機控制測試， 實現測試全程自動化。

［1］ Analog Devices.ADV7180 datasheet.January 2006

［2］ STMicroelectronics. STM32 Reference Manual （RM0008），June 2009

［3］ 徐志軍，徐光輝.CPLD/FPGA 的開發與應用［M］.北京：電子工業出版社，2002

Automatic laser measurement system design based on FPGA + ARM image

Wang Yanwei1，Yang Pengli1，Fu Xiaoqing1，Ma Aiqiu1，Wang Hao1，Li Siwei1，Yang Yang1，Ren Jiangtao2，Ren Meng3
（1.Xi'an Institute of Applied Optics，Xi'an，710065，China；2.Shaanxi Chemical Industry Group Limited，yulin，719319，China；3.China Railway 20th Bureau Group first engineering company，suzhou 215151，China）

Current lasers require testers judged visually measuring the brightness of a spot of the laser output，shape，spacing，and other information.Testers subjective judgment，environmentally sensitive features. This design of the automated measurement of a laser system that can realize the laser test automation system，the measurement with high efficiency，and good consistency of the test results.

FPGA；ARM；Automatic Measurement