基于FPGA和单片机的孔径测量系统

金珍珍， 梅武军， 周卫华， 林海波

(1.台州职业技术学院 机电工程学院， 浙江 台州 318000； 2.浙江大学 台州研究院， 浙江 台州 318000)

随着先进制造业的迅速发展，工业生产中对线材孔径检测精度的要求也越来越高。目前，大多数线材都是通过自动化生产线生产的，为了实现产品高质量和高合格率，不仅要求生产设备生产速度快、效率高，还要求孔径检测精度高、分辨率高以及实现在线实时非接触测量[1]。当前国内外学者对零件尺寸的测量系统做了不少深入研究。吴海滨等[2]提出了基于面阵CCD的高速线材测径仿真系统的设计，但测量精度只能达到20 μm，精度有待提高；邵伟业等[3]在刀具尺寸测量系统中应用了线阵CCD和STM32 控制器进行了设计，精度有待提高；孟蔓菁等[4]提出了基于线阵 CCD 的激光投线仪检测技术，在CCD图像采集系统中采用FPGA来输出CCD驱动，并研究了如何提高图像采集精度的问题；胡刚[5]在线阵CCD和STM32 控制器的有效结合上进一步优化了采集速度，图像数据实时处理有待提高；刘瑞兰[6]在选用线阵CCD的基础上利用FPGA和上位机相结合设计了光强自动采集系统。当前市场上针对线材的孔径测量系统也有相应的产品，但以国外产品居多，且价格昂贵，不可针对企业实际需求进行定制和拓展，给企业生产成本增加了不少压力。因此设计一款精度高、响应速度快、成本低且可定制的线材测径设备意义重大。

课题组设计线材孔径测量系统采用FPGA和单片机共同开发，采用线阵CCD传感器，利用硬件控制技术和软件算法进行优化控制，可实现检测精度高、响应速度快和成本低的要求。

1 总体设计方案

孔径测量系统以FPGA和STM32单片机为整个图像采集系统的核心，由激光产生电路发射准直光源通过光学镜头反射到测量对象上，通过线阵CCD图像传感器采集激光信号。线阵CCD传感器主要实现光信号到模拟电信号的转化，FPGA 主要负责线阵CCD驱动时序的生成，控制A/D转换器件对线阵CCD的输出信号进行A/D转换，同时读取A/D转换器的转换结果。数字信号需要在FPGA内部的FIFO中进行缓存，FPGA内部将数据修正处理完毕后，缓存在内部FIFO存储器中。单片机通过FSMC通信调取FPGA中的数据，同时发布各种采集命令，经过算法检测得到理论数据，然后进行光学数据和环境数据修正，最后通过以太网串口传送测量结果到LCD显示，具体实现过程如图1所示。

图1 测径系统设计框图Figure 1 Block diagram of aperture measurement system

1.1 激光产生电路结构

投影光源的质量可靠性是关系到测径精度的关键因素。投影光源的选择原则上首先应保证平行光的准直程度；其次，光源应有较好的光斑均匀性，以提高投影成像质量，减小其对边缘定位的影响[7]。因此光源产生电路设计主要包括激光器的选型、光路的设计和光学镜头的定制，为系统提供光路不发散，控制在水平方向±1°的准直光源。

图2中激光头选用型号为HL6360MG，它是一种半导体激光器，具有穿透性好、光线均匀、转换效率高、使用寿命长和环境适应性强等优势[8]。透镜采用柱面镜，具有良好的速度特性和准直特性，保证了测径系统高精度的直径测量。激光头产生光源经过凸透镜反射后形成平行光源，当照射到被测线材时，被测线材挡住部分光源，成像到线阵CCD上，从而把光信号转化成电信号[9]。经过多次测试，可实现准直光源的投射。

图2 激光产生电路示意图Figure 2 Schematic diagram of laser generation circuit

1.2 线阵CCD的工作原理及型号

CCD又称图像传感器，可把接收到的光学信号直接转换为模拟电流信号，并经过放大、模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。CCD可分为2类：线阵CCD和面阵CCD，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，再通过模数转换芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存，把光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确测量、分析[9]。

考虑到设计要求中对线阵CCD的光谱灵敏度、转移效率和转移损失率、非线性度等要素的影响，本设计中采用TCD1501D型的线阵CCD作为图像传感器，它是一种高速、动态范围较大、灵敏度较高、暗电流低等特征的相单沟道型线阵CCD黑白图像传感器，像敏单元数为5 000，适合尺寸测量[11]。每个像元的尺寸为7 μm×7 μm，像元中心距为7 μm；像元总长为35 mm。TCD1501D典型驱动频率为2 MHz，最高驱动频率12 MHz，工作时需要6路驱动脉冲。

1.3 驱动电路

要使得线阵CCD工作稳定可靠，必须依靠控制器FPGA输出符合要求的驱动脉冲与线阵CCD相互配合[12]。设计采用的驱动电路如图3所示。

由于TCD1501D和FPGA(EP2C8T144C8N)芯片的驱动脉冲电平分别为5.0和3.3 V，因此2者之间需要连接1个SN74LVC4245 电平转换芯片来实现3.3 V转5.0 V的电平转换，驱动电路如图3(b)所示。SN74LVC4245芯片具有8个转换通道，转换速率最高可达100 MiB，最高驱动电流可达50 mA，可满足驱动脉冲的要求[13]。

图3 驱动电路原理图Figure 3 Schematic diagram of driving circuit

1.4 A/D转换电路

由于TCD1501D可输出最高频率为12 MHz的输出像素信号，输出每个像素信号至少需要采样1次，因此必须选择转换频率为12 MHz以上的A/D转换芯片[14]。结合输入信号幅度和供电电压等因素，本系统选用TLC5510模数转换芯片，具体电路如图4和图5所示。

图4 CCD输出预处理电路Figure 4 CCD output preprocessing circuit

图5 A/D转换电路Figure 5 A/D conversion circuit

为了消除线阵CCD(TCD1501D)输出信号中一些无用信号的干扰，图3中将线阵CCD的OS输出信号和DOS补偿输出信号分别输入到运算放大器的输入端，通过AD8041为核心的差分运算放大器电路进行信号放大后输出到模数转换器TLC5510的模拟输入端，经过数模转化后通过D1～D8输出，经过另一电平转换芯片SN74LVC4245接入到FPGA芯片的输入端[14]。

1.5 FPGA与单片机的连接电路

电信号经过模数转化和FPGA的处理后，需要通过单片机进一步进行算法优化和数据输出显示，系统中通过单片机STM32F417ZET6来实现，FPGA与单片机之间的连接如图6所示。

图6 FPGA和单片机连接电路图Figure 6 FPGA and MCU connection circuit

1.6 电源电路

如图3～6所示，各模块的电源有不同的电压需求，分别为12.0，5.0，3.3和1.2 V等，因此在电源设计中需要把各电源进行有序管理。设计中先把交流电通过变压器EPC12-5V进行变压输出得到12.0和6.0 V的交流电压，再通过整流、滤波和稳压来得到相应电压输出，图7中各电源之间并联输出。

图7 电源电路Figure 7 Power circuit

2 测径系统软件

2.1 FPGA软件流程图

整个测径系统中，FPGA的主要作用是为线阵CCD提供6路驱动脉冲来实现数据采集，并把A/D转化后的数据进行存储并输送给单片机进行算法处理，FPGA的软件设计流程如图8所示。

图8 FPGA软件流程图Figure 8 Program execution flow chart of FPGA

2.2 单片机软件流程

STM32单片机主要提取FPGA中存储的数据进行进一步的算法处理，得到更加精确的数据并输出，流程如图9所示。

3 系统测试

为了测试线材测径系统的可靠性，样机制作完成后对它进行了各项功能测试。

3.1 波形测试

经过测试设备检测，线阵CCD拾取到的光电转换后的波形如图10所示。从图10可以看出，波形中包含较多杂波，对信号检测存在较多干扰。

图10 原始波形图Figure 10 Original waveform

经过1次滤波后的波形如图11所示，可以看出1次滤波后干扰信号大大减少。

图11 1次滤波后所得波形Figure 11 Waveform after one filtering

一阶低通滤波后所得波形如图12所示。

图12 一阶低通滤波后所得波形Figure 12 Waveform obtained by first-order low-pass filtering

由图13可以看出，最后的输出波形平滑无杂波，可通过检测当前的波形幅值来计算孔径的大小，有效提高测量的精度。

图13 最终波形Figure 13 Final waveform

3.2 精度测试数据

常温条件下，通过使用样机对1～5 mm的常用线材孔径进行测量，得到测量数据如表1所示。

表1 孔径测量结果

从表1中数据可知，该测径系统针对测量范围内的孔径测量误差在5 μm以内，测量精度满足设计要求。

4 结语

课题组基于FPGA和STM32单片机设计了孔径测量系统。该系统以STM32单片机作为控制器，利用线阵CCD作为光信息采集系统，通过FPGA输出脉冲信号来驱动CCD采集光源信号。通过实际测试结果分析了测径控制系统的性能，验证了系统基本能够满足线材孔径测量的要求，线阵CCD数据采集频率可达到1 kHz，测量误差控制在5 μm以内，可实现1～25 mm的线材孔径的测量。相比其他控制系统，该系统控制精度可靠、模块化设计、可定制、成本低，能够更好地实现企业对线材孔径测量的要求。但在今后工程应用中测量精度和采集速度还有进一步提高的空间，将在后续的研究中优化和完善。