圖像式光電編碼器數據采集系統

周 鈞，張世學，凌劍勇，吳慶林

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

傳統光電編碼器采用標定光柵和指示光柵相配合產生疊柵條紋，并通過光電轉換元件實現對疊柵條紋的接收，進而實現對角度位置的測量[1-4]. 受疊柵條紋光電信號純凈度及A/D轉換精度影響，傳統角位移測量無法實現更高的測角精度和測角分辨率. 隨著現代數字圖像處理技術的發展，采用圖像識別的方法實現對光柵碼盤刻線圖案的識別，進而實現高精度、高分辨率角位移的測量[5-7]. 采用圖像識別方式，以圖像感光元陣列代替傳統的光電轉換元件，能在算法上更加靈活地實現角位移測量的計算. 在圖像式角位移測量中，高質量的圖像采集和調試系統是研究的重要部分. 為此，研制了基于FPGA+USB的高質量圖像采集系統，能夠實現對CMOS圖像探測器像素數據的采集，并通過USB傳輸到PC機上，通過VC++軟件編程，實現對所采集圖像的顯示. 經過實驗，該設計的圖像采集系統能夠準確采集并顯示圖像.

1 數據采集系統原理

數據采集系統是圖像式光電編碼器中的核心，其功能如圖1所示. 發光元件照射光柵碼盤，光柵碼盤的圖案經過成像透鏡映射到圖像探測器上. 圖像探測器的像素數據通過LVDS總線傳輸到采集卡，采集卡通過USB數據線，將圖像傳輸到計算機中，在計算機軟件中實現圖像顯示.

圖1 數據采集系統原理

光柵碼盤上的編碼刻線如圖2所示. 編碼刻線為等寬、等間距的2n條透光的刻線，均勻地分布在光柵碼盤的圓周. 在采集刻線圖案時，為了提高圖像傳輸速度，精簡數據傳輸數量，設置圖像探測器開窗大小為3像素×1 280像素. 根據圖2，所采集的圖像中，橫向包含4條光柵碼盤的編碼刻線.

圖2 圖像探測器開窗原理

數據采集卡通過SPI總線向圖像探測器傳輸開窗指令及CMOS圖像探測器的初始化控制指令，該指令可以參見CMOS芯片的數據手冊[8].

圖像采集系統需要準確實現對編碼刻線的圖像采集，并將圖像傳入計算機，計算機進行角位移測量識別，并完成圖像式編碼器的調試.

2 硬件設計

2.1 像素數據采集

為實現圖像數據采集，所設計的數據采集卡的硬件電路包含：LVDS數據接收模塊、SPI指令控制模塊、RAM數據存儲模塊和USB輸出傳輸模塊，如圖3所示.

圖3 采集系統硬件原理

所有模塊都在FPGA芯片XC3S400中設計實現，XC3S400芯片擁有4×105個可編程門陣列和4個DCM模塊，其最大I/O口數量為264個，每個I/O最高數據傳輸速度達到622+Mb/s. FPGA芯片對USB芯片進行各類信號的輸出，包括讀寫控制信號、使能信號和數據信號等.

圖像探測器的LVDS總線包含：CLKOUT時鐘信號、SYNC同步信號、DOUT0～DOUT3數據信號. 傳輸時，數據接收模塊同時判斷CLKOUT的上升沿和下降沿，并在每個邊沿處鎖存SYNC同步信號和DOUT0～DOUT3數據信號. 每鎖存10位即為1個完整的灰度數據. 其中SYNC傳輸的是同步數據，其數值可以是：幀開始、幀結束、行開始、行結束、像素有效數據、圖像綜合等待等標志信號. 數據接收模塊通過判斷SYNC所傳輸的數值為：幀開始、幀結束、行開始、行結束和像素有效數據為有效的同步信號，此時將DOUT0～DOUT3傳輸的有效灰度數據信號按順序存入RAM數據存儲模塊.

2.2 USB輸出傳輸

USB輸出傳輸模塊將有效像素數據從RAM中按照順序讀出，將數據發送到CY68013A. 在CY68013A芯片內部集成了增強型的51內核，并向下與標準的8051指令集兼容. CY68013A芯片中集成了串行接口引擎，使其能夠實現大部分USB2.0協議下數據處理，因此，USB協議處理的工作量被大大減少了，同時，該芯片提供了4 kB存儲空間的FIFO，保證了高速的數據傳輸. CY7C68013芯片具有3種數據傳輸模式：端口數據傳輸模式、GPIF數據傳輸模式和Slave FIFO數據傳輸模式[9-10]. 本系統采用基于Slave FIFO數據傳輸工作模式，不需要系統CPU參與，從而提高了系統數據傳輸效率. 本系統通過FPGA芯片控制所有USB芯片的控制引腳. 當向CY7C68013芯片進行信號讀/寫操作時，需要根據芯片IFCLK引腳輸出的時鐘，向FD引腳發送數據. 每個IFCLK時鐘周期鎖存1次數據.

在USB傳輸中，FPGA將4個數據(16 bit)編為1組數據，每個16 bit數據包含1個10位的有效數據，每組數據包含：字頭、像素位置、像素灰度和校驗數據. 其中，校驗數據由像素位置和像素灰度數據的異或運算得出. FPGA每 512個數據寫入CY7C68013的FIFO中，CY7C68013就開始1次USB傳輸.

CY7C68013芯片的IFCLK時鐘最大為40 MHz，傳輸1組數據的時鐘為10 MHz. 傳輸3像素×1 280像素灰度值的頻率為2.6 kHz. 因此，所設計的采集系統最大傳輸幀頻為2.6 kHz.

3 上位機軟件設計

系統上位機軟件通過VC++代碼編寫實現，軟件主要功能包括：

1)對CY7C68013芯片的程序下載；

2)圖像數據接收；

3)數據參量現實；

4)通過枚舉法篩選出鏈接到上位計算機上的USB芯片；

5)當判斷EEPROM處于無程序狀態，軟件將控制上位機對芯片燒寫固件程序. VC++軟件編寫的上位機采集軟件界面如圖4所示.

圖4 計算機軟件界面

圖4中包括：指示燈、圖像顯示、狀態顯示和控制按鈕. 其中，圖像顯示用來顯示接收的圖像信息，便于調試；狀態顯示和指示燈顯示軟件的當前運行狀態；控制按鈕用來執行指令操作.

傳輸時VC++軟件接收流程如圖5所示.

圖5 軟件流程圖

CY7C68013A芯片每個傳輸時，向上位機傳輸512個數據. VC++軟件開啟USB，每次接收512個數據后進行字頭判斷；當第i個數據是字頭時，那么i+1和i+2個數據分別為像素位置和像素灰度值；如果第i+3個數據的校驗正確，軟件將實現該像素位置的灰度值顯示；依次循環，直到實現3像素×1 280像素的顯示.

4 實 驗

采集電路實物圖如圖6所示. 包括：LVDS接口、FPGA芯片、USB芯片. 圖6中LVDS接口通過DB9連接器連接到FPGA芯片中，FPGA芯片與USB芯片連接.

采用圖6中的采集卡對某圖像式光電編碼器進行圖像采集，采集到的圖案如圖7所示，可以看出，圖7中圖像較為清晰，沒有采集噪點，滿足圖像式編碼器調試使用要求.

圖6 電路板實物圖

圖7 采集的圖案

5 結束語

為滿足圖像式光電編碼器的設計需要，設計了基于FPGA+USB的圖像式角位移測量數據處理系統. 該系統采用FPGA芯片實現對CMOS圖像探測器的圖像采集，并通過USB芯片CY7C68013A傳輸到上位計算機中，在計算機中通過VC++軟件實現對圖像的接收和顯示工作. 經過測試，所設計的采集系統滿足圖像式編碼器的調試使用需求.