基于FPGA和單片機的孔徑測量系統

金珍珍， 梅武軍， 周衛華， 林海波

(1.臺州職業技術學院 機電工程學院， 浙江 臺州 318000； 2.浙江大學 臺州研究院， 浙江 臺州 318000)

隨著先進制造業的迅速發展，工業生產中對線材孔徑檢測精度的要求也越來越高。目前，大多數線材都是通過自動化生產線生產的，為了實現產品高質量和高合格率，不僅要求生產設備生產速度快、效率高，還要求孔徑檢測精度高、分辨率高以及實現在線實時非接觸測量[1]。當前國內外學者對零件尺寸的測量系統做了不少深入研究。吳海濱等[2]提出了基于面陣CCD的高速線材測徑仿真系統的設計，但測量精度只能達到20 μm，精度有待提高；邵偉業等[3]在刀具尺寸測量系統中應用了線陣CCD和STM32 控制器進行了設計，精度有待提高；孟蔓菁等[4]提出了基于線陣 CCD 的激光投線儀檢測技術，在CCD圖像采集系統中采用FPGA來輸出CCD驅動，并研究了如何提高圖像采集精度的問題；胡剛[5]在線陣CCD和STM32 控制器的有效結合上進一步優化了采集速度，圖像數據實時處理有待提高；劉瑞蘭[6]在選用線陣CCD的基礎上利用FPGA和上位機相結合設計了光強自動采集系統。當前市場上針對線材的孔徑測量系統也有相應的產品，但以國外產品居多，且價格昂貴，不可針對企業實際需求進行定制和拓展，給企業生產成本增加了不少壓力。因此設計一款精度高、響應速度快、成本低且可定制的線材測徑設備意義重大。

課題組設計線材孔徑測量系統采用FPGA和單片機共同開發，采用線陣CCD傳感器，利用硬件控制技術和軟件算法進行優化控制，可實現檢測精度高、響應速度快和成本低的要求。

1 總體設計方案

孔徑測量系統以FPGA和STM32單片機為整個圖像采集系統的核心，由激光產生電路發射準直光源通過光學鏡頭反射到測量對象上，通過線陣CCD圖像傳感器采集激光信號。線陣CCD傳感器主要實現光信號到模擬電信號的轉化，FPGA 主要負責線陣CCD驅動時序的生成，控制A/D轉換器件對線陣CCD的輸出信號進行A/D轉換，同時讀取A/D轉換器的轉換結果。數字信號需要在FPGA內部的FIFO中進行緩存，FPGA內部將數據修正處理完畢后，緩存在內部FIFO存儲器中。單片機通過FSMC通信調取FPGA中的數據，同時發布各種采集命令，經過算法檢測得到理論數據，然后進行光學數據和環境數據修正，最后通過以太網串口傳送測量結果到LCD顯示，具體實現過程如圖1所示。

圖1 測徑系統設計框圖Figure 1 Block diagram of aperture measurement system

1.1 激光產生電路結構

投影光源的質量可靠性是關系到測徑精度的關鍵因素。投影光源的選擇原則上首先應保證平行光的準直程度；其次，光源應有較好的光斑均勻性，以提高投影成像質量，減小其對邊緣定位的影響[7]。因此光源產生電路設計主要包括激光器的選型、光路的設計和光學鏡頭的定制，為系統提供光路不發散，控制在水平方向±1°的準直光源。

圖2中激光頭選用型號為HL6360MG，它是一種半導體激光器，具有穿透性好、光線均勻、轉換效率高、使用壽命長和環境適應性強等優勢[8]。透鏡采用柱面鏡，具有良好的速度特性和準直特性，保證了測徑系統高精度的直徑測量。激光頭產生光源經過凸透鏡反射后形成平行光源，當照射到被測線材時，被測線材擋住部分光源，成像到線陣CCD上，從而把光信號轉化成電信號[9]。經過多次測試，可實現準直光源的投射。

圖2 激光產生電路示意圖Figure 2 Schematic diagram of laser generation circuit

1.2 線陣CCD的工作原理及型號

CCD又稱圖像傳感器，可把接收到的光學信號直接轉換為模擬電流信號，并經過放大、模數轉換，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。CCD可分為2類：線陣CCD和面陣CCD，它能夠根據照射在其面上的光線產生相應的電荷信號，再通過模數轉換芯片轉換成“0”或“1”的數字信號，這種數字信號經過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲器或硬盤卡保存，把光信號轉換成計算機能識別的電子圖像信號，可對被測物體進行準確測量、分析[9]。

考慮到設計要求中對線陣CCD的光譜靈敏度、轉移效率和轉移損失率、非線性度等要素的影響，本設計中采用TCD1501D型的線陣CCD作為圖像傳感器，它是一種高速、動態范圍較大、靈敏度較高、暗電流低等特征的相單溝道型線陣CCD黑白圖像傳感器，像敏單元數為5 000，適合尺寸測量[11]。每個像元的尺寸為7 μm×7 μm，像元中心距為7 μm；像元總長為35 mm。TCD1501D典型驅動頻率為2 MHz，最高驅動頻率12 MHz，工作時需要6路驅動脈沖。

1.3 驅動電路

要使得線陣CCD工作穩定可靠，必須依靠控制器FPGA輸出符合要求的驅動脈沖與線陣CCD相互配合[12]。設計采用的驅動電路如圖3所示。

由于TCD1501D和FPGA(EP2C8T144C8N)芯片的驅動脈沖電平分別為5.0和3.3 V，因此2者之間需要連接1個SN74LVC4245 電平轉換芯片來實現3.3 V轉5.0 V的電平轉換，驅動電路如圖3(b)所示。SN74LVC4245芯片具有8個轉換通道，轉換速率最高可達100 MiB，最高驅動電流可達50 mA，可滿足驅動脈沖的要求[13]。

圖3 驅動電路原理圖Figure 3 Schematic diagram of driving circuit

1.4 A/D轉換電路

由于TCD1501D可輸出最高頻率為12 MHz的輸出像素信號，輸出每個像素信號至少需要采樣1次，因此必須選擇轉換頻率為12 MHz以上的A/D轉換芯片[14]。結合輸入信號幅度和供電電壓等因素，本系統選用TLC5510模數轉換芯片，具體電路如圖4和圖5所示。

圖4 CCD輸出預處理電路Figure 4 CCD output preprocessing circuit

圖5 A/D轉換電路Figure 5 A/D conversion circuit

為了消除線陣CCD(TCD1501D)輸出信號中一些無用信號的干擾，圖3中將線陣CCD的OS輸出信號和DOS補償輸出信號分別輸入到運算放大器的輸入端，通過AD8041為核心的差分運算放大器電路進行信號放大后輸出到模數轉換器TLC5510的模擬輸入端，經過數模轉化后通過D1～D8輸出，經過另一電平轉換芯片SN74LVC4245接入到FPGA芯片的輸入端[14]。

1.5 FPGA與單片機的連接電路

電信號經過模數轉化和FPGA的處理后，需要通過單片機進一步進行算法優化和數據輸出顯示，系統中通過單片機STM32F417ZET6來實現，FPGA與單片機之間的連接如圖6所示。

圖6 FPGA和單片機連接電路圖Figure 6 FPGA and MCU connection circuit

1.6 電源電路

如圖3～6所示，各模塊的電源有不同的電壓需求，分別為12.0，5.0，3.3和1.2 V等，因此在電源設計中需要把各電源進行有序管理。設計中先把交流電通過變壓器EPC12-5V進行變壓輸出得到12.0和6.0 V的交流電壓，再通過整流、濾波和穩壓來得到相應電壓輸出，圖7中各電源之間并聯輸出。

圖7 電源電路Figure 7 Power circuit

2 測徑系統軟件

2.1 FPGA軟件流程圖

整個測徑系統中，FPGA的主要作用是為線陣CCD提供6路驅動脈沖來實現數據采集，并把A/D轉化后的數據進行存儲并輸送給單片機進行算法處理，FPGA的軟件設計流程如圖8所示。

圖8 FPGA軟件流程圖Figure 8 Program execution flow chart of FPGA

2.2 單片機軟件流程

STM32單片機主要提取FPGA中存儲的數據進行進一步的算法處理，得到更加精確的數據并輸出，流程如圖9所示。

3 系統測試

為了測試線材測徑系統的可靠性，樣機制作完成后對它進行了各項功能測試。

3.1 波形測試

經過測試設備檢測，線陣CCD拾取到的光電轉換后的波形如圖10所示。從圖10可以看出，波形中包含較多雜波，對信號檢測存在較多干擾。

圖10 原始波形圖Figure 10 Original waveform

經過1次濾波后的波形如圖11所示，可以看出1次濾波后干擾信號大大減少。

圖11 1次濾波后所得波形Figure 11 Waveform after one filtering

一階低通濾波后所得波形如圖12所示。

圖12 一階低通濾波后所得波形Figure 12 Waveform obtained by first-order low-pass filtering

由圖13可以看出，最后的輸出波形平滑無雜波，可通過檢測當前的波形幅值來計算孔徑的大小，有效提高測量的精度。

圖13 最終波形Figure 13 Final waveform

3.2 精度測試數據

常溫條件下，通過使用樣機對1～5 mm的常用線材孔徑進行測量，得到測量數據如表1所示。

表1 孔徑測量結果

從表1中數據可知，該測徑系統針對測量范圍內的孔徑測量誤差在5 μm以內，測量精度滿足設計要求。

4 結語

課題組基于FPGA和STM32單片機設計了孔徑測量系統。該系統以STM32單片機作為控制器，利用線陣CCD作為光信息采集系統，通過FPGA輸出脈沖信號來驅動CCD采集光源信號。通過實際測試結果分析了測徑控制系統的性能，驗證了系統基本能夠滿足線材孔徑測量的要求，線陣CCD數據采集頻率可達到1 kHz，測量誤差控制在5 μm以內，可實現1～25 mm的線材孔徑的測量。相比其他控制系統，該系統控制精度可靠、模塊化設計、可定制、成本低，能夠更好地實現企業對線材孔徑測量的要求。但在今后工程應用中測量精度和采集速度還有進一步提高的空間，將在后續的研究中優化和完善。