（机械工程专业论文）基于fpga的精密激光测径仪的开发.pdf

武汉理j r 人学硕十学1 1 ：7 ：论文 中文摘要 测量是机械工业生产中的一个必经过程，它作为质量控制的一个重要依据， 关系着产品品质的提高和设备制造的发展。在机械产品的测量领域，尺寸的测量 是最重要，也是最普遍的内容。而在尺寸测量里，轴类零件的直径测量应用最多， 涉及的领域也最广泛，例如车床的丝杠、导轨、汽车的曲轴、转向阀的阀芯等等。 目前常见的车床丝杠精度通常在2 0 5 0 9 m 左右，汽车转向阀阀芯的精度甚至控 制在7 1 0 1 x m 以内，可见，轴类零件的直径测量不仅普遍，而且测量精度也往往 要求较其他零件高。 传统的测量方式由于其精度低，受人为因素影响较大，往往不能满足高精度 轴类零件直径测量的要求。随着非接触测量技术的发展，尤其是激光测量技术的 出现，结合c c d 应用技术和e d a 技术，将尺寸测量引入一个新的时代，激光 测径仪越来越多地应用在轴类零件的直径测量领域。 本文首先规划了激光测径的方案，按照机械机构和硬件电路两个方向进行了 布局。搭建了用于测量的光学机械结构，并对硬件测量的基本电路做了相关设计。 本文着重研究了基于f p g a 的直径测量方法，通过使用硬件描述语言v e r i l o g h d l 完成了从c c d 驱动、数据采集、处理、数制转化、显示等几个过程的模块 设计。首先使用c c d 驱动模块实现c c d 视频信号的正常输出，通过片内的信 号采集和处理模块控制外围电路的模数转化功能，并将结果送入片内进行处理、 计算，获得的结果通过数据缓存、数制转换等一系列过程后送入显示模块，并最 终控制液晶屏显示测量结果。 设计完成后，通过一系列的实验对激光测径仪的各个设计部分进行调试，并 通过对标准试样的测量验证了激光测径仪的精度和可靠性。 关键字：激光；测径；f p g a ；硬件描述语言 a b s t r a c t m e a s u r e m e n ti san e c e s s a r yc o u r s ei nt h ep r o d u c t i o no f t h em e c h a n i c a li n d u s t r y , i ti s 肌i m p o r t a n tb a s i so fq u a l i t yc o n t r o lt h a tr e l a t et ot h ei m p r o v e m e n to fp r o d u c t q u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fe q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g i n t h ef i e l do ft h em e a s u r e m e n t o fm e c h a n i c a lp r o d u c t s ，s i z em e a s u r e m e n ti st h em o s ti m p o r t a n ta n dp o p u l a r c o n t e n t a n di ns i z em e a s u r e m e n t ，t h ed i a m e t e rm e a s u r e m e n to ft h ea x i a lp a r t si sa p p l i e dt h e m o s t t h ef i e l d si ti n v o l v e st h em o s tw i d e l ya l s o f o re x a m p l e t h el a t h es c r e w , l e a dr a i l ， c r a n k s h a f t t r i mo ft h es t e e r i n gv a l v e ，e t c t h ep r e c i s i o no f t h em o s tc o m m o nl a t h e s c r e wi n2 0t o5 0p mo rs o ，e v e nt h et r i mo f t h es t e e r i n gv a l v ei sc o n t r o l l e dl e s st h a n 7 l0l x m t h u s ，t h ed i a m e t e rm e a s u r e m e n to f t h ea x i a lp a r t si sn o to n l yc o r n r n o n ，勰d a l s or e q u i r e dh i g h e rm e a s u r ep r e c i s i o nt h a no t h e rp a r t s b e c a u s eo fi t sl o wp r e c i s i o na n di n f l u e n c eb yh u m a n ，t h et r a d i t i o n a lw a yt o m e a s u r ec a n t tm e e tt h eh i g hp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t s o fa x i a lp a r t sd i a m e t e r m e a s u r e m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ea p p e a r so ft h el a s e rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t hc c d a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de d at e c h n o l o g y , s i z em e a s u r e m e n t i sc o m i n gt oan e w t i m e 1 a s e rd i a m e t e rg a u g ei sm o r ea n dm o r ea p p l i e d i nt h ef i e l do fd i a m e t e r m e a s u r e m e n to fa x i a lp a r t s t h i sp a p e rf i r s tp l a n e dt h el a s e rd i a m e t e rg a u g e ，a n dl a y o u ta c c o r d i n gt ot h e t 、) ，o d i r e c t i o n0 fm e c h a n i s ma n dt h eh a r d w a r ec i r c u i t i tb u i l dt h eo p t i c a lm e a s u n n g m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a n dd e s i g n e dt h er e l e v a n tb a s i cc i r c u i to fm e a s u n n g t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i a m e t e rm e a s u r e m e n tm e t h o db a s e d o nf p g a ，b yt h e u s eo f w 孤ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o gh d l ，i ta c c o m p l i s h e dt h e m o d u l e d e s i g no fp r o c e s sf r o mt h ec c d d r i v et od a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，t r a n s f o r m a t i o n a n dd i s p l a y f i r s t l yu s i n gc c dd r i v e rm o d u l et or e a l i z ec c dv i d e os i g n a lo u t p u t n o r m a l l y , t h r o u g ht h es i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l et oc o n t r o lt h ef u n c t i o n o fo u t e rc i r e u i t 。a n ds e n du 1 et h er e s u l tt op r o c e s s i n ga n dc a l c u l a t i n g t h eo b t a i n e d r e s u l t st h e ns e n ti n t od i s p l a ym o d u l ea r e ras e r i e so fp r o c e s s o fd a t ac a c h ea n d c o n v e r s i o n 锄dc o n t r o n e dt l 他m e a s u r i n gr e s u l t st od i s p l a yo nt h el c d u l t i m a t e l y a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ed e s i g n ，i td e b u g g e de a c hp a r to ft h el a s e rd i a m e t e r g a u g et h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t s ，a n dv e r i f yt h ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo f t h e l a s e rc a l i p e rg a u g et h r o u g hs t a n d a r ds a m p l em e a s u r i n g k e y w o r d s ：l a s e r ；d i a m e t e rm e a s u r e m e n t ；f p g a ；h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 1 1 武汉理1 ：人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 测量是机械工业生产中的一个必经过程，它作为质量控制的一个重要依据， 关系着产品品质的提高和设备制造的发展。随着先进制造技术的发展和人们对于 产品质量要求同益增高，测量技术也在不断地改进和创新。 测量技术涉及的范畴很广，包括了产品形状、尺寸、位置、颜色等诸多方面 的内容。在机械产品的测量领域，尺寸的测量是最重要，也是最普遍的内容。 而在尺寸测量里，轴类零件的直径测量应用最多，涉及的领域也最广泛，例如车 床的丝杠、导轨、汽车的曲轴、转向阀的阀芯等等。目前常见的车床丝杠精度通 常在2 0 5 0 1 t m 左右，汽车转向阀阀芯的精度甚至控制在7 1 0 0 m 以内，可见， 轴类零件的直径测量不仅普遍，而且测量精度也往往要求较其他零件高。 图1 1 常见轴类零件丝杠和转向阀阀芯 传统的测量方式由于其精度低，受人为因素影响较大，往往不能满足高精度 轴类零件直径测量的要求。近年来，非接触测量技术逐渐发展起来2 1 ，尤其是激 光测量技术的出现，结合c c d 应用技术和e d a 技术，将尺寸测量引入一个新 的时代，激光测径仪越来越多地应用在轴类零件的直径测量领域。 图1 - 2 传统游标卡尺测径方法 武汉理j ：大学硕士学位论文 1 2 研究背景 由于历史发展原因，日本、欧美等发达国家在非接触测量技术研究上起步较 早，率先将c c d 技术应用于尺寸测量领域，并且取得了较好的研究成果，无论 从测量的精度还是从应用的范围来看，都远远领先于我国。 日本石川一彦等【3 i 研究人员设计的由c c d 和半导体激光器组成的测量系统， 可用于测量集成电路i c 上的覆层厚度，测量范围为1 0 0 个激光波长内，测量误 差小于2 。西班牙o v i e d o 大学a l v a r e zi s r a e l 等人【4 】开发的基于d s p 的双c c d 测量系统，可以实现型材的高精度，低成本在线测量。在目前已面世的成熟产品 中，比较有代表性的主要有以下一些产品。英国b e t a 公司生产的a s l 0 5 0 测径 仪1 5 j ，测量范围o 3 6 5 0 0 8 r a m ，测量精度：士o 0 0 2 5 m m ，分辨率：o 0 0 1 m m 。瑞 士z u m b a c h 公司的o d a c 系列测量系统【6 】，由多种测头和处理器等配件组成， 测量范围高达l o o m m 、1 6 0 m m ，测量精度：士0 0 0 3 m m ，分辨率：0 0 0 0 1 m m ，功 能强大。日本k e y e n c e 公司l s 一7 0 0 0 系列光透过式测量仪器1 7 j ，采用高速线阵 c c d 和远心光学系统，可以实现每秒对2 4 0 0 个样本的高速取样，配备具统计分 析功能的高性能控制器，测量范围：0 5 一- 6 5 m m ，测量精度：士0 0 0 3 m m ，分辨率： 0 0 0 0 1m m 。 ( a ) ：譬 、，：；_ 三一曩嘲眵蕊涉 2 ： r 、# y 味嚣罐il i 蛰 一 - 一 _ _ 一 j ，_ _ 囵 武汉理丁人学硕十学位论文 但是，随着近些年来我国对光电领域科研投入的加大，加之一批批新的研发 企业的出现，国内非接触测量技术水平与国外的差距正在逐步减小。就c c d 测 量技术而言，伴随着经济发展，工业上和普通用户对于c c d 测量设备的需求不 断增加，国内c c d 应用技术在测量领域的研究有了很大的发展。长春光学精密 机械学院马宏、宋路掣8 】研发的钢管内径光电检测装置，就是采用8 0 3 l 单片机 设计的控制系统和线阵c c d 传感器，检测细长钢管的内径。该装置具有0 0 0 1m m 的高分辨率，重复性精度达0 0 0 5m i n ，且检测速度快。西安工业学院高爱华、 田爱玲等【9 】对于线阵c c d 的在线测量也有相关研究，其开发的尺寸测量装置， 测量范围为5 2 5 m m ，处理芯片为a t 8 9 c 5 1 单片机，成本低，精度高。 在此背景之下，国内部分研发企业已经推出了不少通用型的激光测径仪，比 较知名的有以下一些产品。郑州明锐电子科技公司生产的l d m 系列激光测径仪 i l ，测量范围有0 2 - 2 5 m m 至0 2 2 1 0 m m 不等，最高精度可达0 0 0 2 m m ，可用 于金属线材、玻璃管、胶管、电线电缆等直径的测量，并可连接p l c 、工控机、 专用控制器等设备，在实际生产中对挤出机和牵引机进行自动反馈控制，使外径 控制在公差范围内，提高产品质量，降低能耗。成都辉煌测控公司开发的激光扫 描测径仪l d m d s o t t 】，测量范围1 - 8 0 m m ，测量精度：4 - 0 0 0 5 m m ，可带p i d 反馈控制系统，能与p c 机或p l c 进行通讯，采用高速数据处理技术，采样速度 快，精度高，性能稳定可靠。 目前国内外精密测量方法主要有接触式电感测量、光学成像测量和激光三角 测量等方法。其中，接触式电感测量仪器的优点是，在水平和垂直方向具有较大 的测量范围，对于被测工件的微小轮廓和表面形状都能直接测量【l2 1 。但是，接 触式电感测量方法速度及效率低，还易划伤工件；图像测量和激光三角测量等方 法效率低，精度低，且激光三角法多用于测表面1 1 3 l 【1 4 l ，在直径测量上并不多见。 国外轴类零件激光测量方法主要有光束扫描法和平行光成像法，其中平行光成像 法精度最高。 图像法的测径原理是，用平行光束作光源，面阵c c d 作靶面，被测件被照 射后，其在c c d 靶面上的成像被转化为电信号，并通过数据采集卡的采集，然 后开发相关软件，对采集的数据进行一系列的处理和分析，并在显示器上输出采 集的图像结剁”】。该测量方法经历了信号采集、处理、显示三个流程，特点是 图像传感器必须为面阵的c c d ，涉及的主要技术为二维图像处理技术。 激光三角法与图像法的不同在于，被测物在c c d 上成像之前，先经过了一 次反射的过程。若改变被测物的位置后，对应在c c d 上的成像也会产生位移， 根据光学原理可以计算出被测物位移与成像位移的函数关系，并最终计算得到被 测物的位移【1 6 】，所以，其主要的适用范围为检测物体的位移，但与图像法一样 3 武汉理：上= 人学硕士学位论文 具有相似的图像处理过程。 此外，对于测量系统的数据采集、处理及相关控制，国内外常常用到的硬件 平台有单片机、d s p 等。单片机和d s p 常常作为系统的核心芯片，但就本课题 解决的问题而言，它们仍然不够理想。单片机虽然实施简单，但由于其时钟频率 低，数据的采集、处理往往还需要其他的软件来实现，因此无论是工作效率还是 可靠度都不高。后来出现的d s p 解决了自身实现数据快速采集的能力，但是与 此同时，系统的成本也大大提高，并且还存在抗干扰能力差等不足之处【1 7 1 。近 几年来，出现了现场可编程门阵列f p g a ，它由于自身具有超高的时钟频率和较 小的内部时延【1 8 】，超越了传统的单片机和d s p 。在控制方式上，由硬件完成逻 辑控制，组合方式灵活，系统响应速度快，因此非常适用于精密激光测径仪的开 发。 1 3 课题来源及研究目标 本论文课题的来源是： 湖北省自然科学基金：集多挠度在线检测与回弹预测的多点多步矫直方法研 究，n o ：2 0 0 8 c d b 2 9 4 。 本论文的研究目标是： 以激光测量技术为基础，结合c c d 应用技术和f p g a 设计平台，开发出一款 具有高精度的激光测径仪。 具体包括： 1 ) 测径仪整体结构搭建。包含机械结构部分、硬件电路部分，实现光路系 统和电路系统的匹配。 2 ) 基于f p g a 平台的控制系统设计。通过硬件描述语一言- v e d l o gh d l 和 q u a r t u si i8 1 开发工具，实现c c d 驱动，完成测径过程的数据采集、处理计算等 步骤，并控制整个测径流程操作、显示、发送等等功能的实现。 3 ) 采用实验方法对激光测径仪性能进行验证，对测量结果进行误差分析。 1 4 本文的组织结构 本文的结构分为5 个部分： 第l 章：绪论。该章主要介绍了机械工业中测量的方法和意义，阐述了激光 测量技术的相关背景，对目前国内外激光测径仪的发展现状做了分析和比较，明 确研究目标和内容，勾划出本论文的研究思路； 第2 章：精密激光测径仪的整体方案设计。该章首先对于激光测径的原理做 4 武汉理下人学硕+ 学位论文 了叙述，然后设计出了测径仪的整体方案布局。在此基础上，开始对激光光源、 图像传感器这两个重要的部件做了选型； 第3 章：基于f p g a 的硬件控制方案及外部电路设计。该章主要叙述了激光 测径仪硬件部分的设计工作，内容包括了f p g a 芯片的选型及其最小系统的电路， 外部硬件电路的设计是从信号前处理、数模转换、电平转换、数据发送、数据显 示来分步完成的； 第4 章：基于v e r i l o gh d l 的测量系统设计。该章从软件方面介绍了基于 f p g a 的测量系统设计。主要运用了q u a r t u s1 1 8 1 软件和硬件描述语言v e r i l o g h d l ，自顶向下的设计，先构建出测量系统的顶层模块，然后进行底层模块的设 计；最后，进行了实验调试和验证。调试内容主要从模拟信号的验证、基于f p g a 系统的前仿真、后仿真，整体系统的带电实验，并通过对标准试样的测量完成系 统功能验证； 第5 章：总结与展望。该章对于全文的工作做了总结，介绍了已完成的目标 及实现状况，归纳了研究工作的收获及有待改进的地方，并进行了展望，明确了 以后的研究方向。 5 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章精密激光测径仪的整体方案设计 2 1 激光测径原理 激光，又称镭射( l a s e r ，l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n ) ，是2 0 世纪人类最重要的科学技术发明之一，它的诞生源于爱因斯坦 “受激辐射”的原理，即原子中的电子分布在不同的能级上，每当处在高能级上 的电子收到光子的激发，会跃迁到较低的能级并辐射出光，在一定条件下，会出 现较弱的光激发出较强的光，即受激辐射光放大现象【l9 1 。人类创造的第一束激 光诞生于1 9 6 0 年，美国科学家梅曼( t h e o d o r em a i l m a n ) 在实验室获得了6 9 4 3 n m 的激光。自此以后，激光开始被应用于各个领域。 激光与传统光源有很大的区别，曾被称为“最亮的光”、“最快的刀”和“最 准的尺子 ，这些都说明，激光有着下列特殊的性质： 1 ) 高亮度性。固体激光器的亮度可以达到l o o o w c m 2 以上，是高压脉冲氙 灯的几百亿倍。 2 ) 高能量性。根据光子能量公式e = h v ，h 为普朗克常量，因此，光的频率 v 越高，即反映光的能量越大，激光的频率v 高达3 8 4 6 x 1 0 1 4 7 8 9 5 x 1 0 1 4 h z 。 3 ) 高方向性。普通光源的传播方向是向四面八方辐射，而激光只向一个方 向传播，具有极低的发散度，几乎为平行光源。 4 ) 高单色性。光的颜色和光波的波长对应，不同波长的光反映出不同的颜 色，所以，波长范围越窄，光的单色性越好。激光的波长范围非常窄，以h e n e ( 红光) 激光器为例，它的波长范围在2 x l o 9 啪以内，仅为氪灯红光波长范围 的1 5 0 0 0 ，颜色极纯。 正因为激光具有上述的诸多优良特性，自其出现，就被应用于工业中的光、 机、电、材料、检测等众多门类中，如激光加工、激光测量、激光通信等掣2 0 1 。 激光测量始于上世纪6 0 年代，发展至今已有5 0 多年的历史，近年来，随着半导 体技术的发展和机器视觉技术的出现，激光测量的发展到了一个新的高度，越来 越多新的技术被引入其中。 激光测量的方法很多，就目前而言，比较常见的有扫描法、衍射法、成像法、 平行光成像法、双光路成像法、三角法等等1 2 1 1 。不同的测量方法应用于不同的 测量对象，如尺寸、位置、形状、距离、颜色等，它们对于光学器件的要求也不 同。 本文所研究的激光测径仪，其测量对象为直径2 3 0 m m 的工件。因此，该测 6 武汉理t 入学硕十学位论文 量属于一维尺寸测量。由于平行光成像法在一维测量上较其它测量方法有着许多 无法比拟的优势，如光路结构简单，可靠性高；光路系统误差为线性误差，易于 标定；对传感器要求较低，经济实用等等，故优先考虑采用平行光成像法作为本 测径仪的测量方法。其基本原理为： 用平行的激光束垂直照射被测工件，并将其投影在图像传感器靶面上。由于 光照强度的不同，传感器靶面上会形成明暗交错的区域，即亮区和暗区。被工件 投影覆盖的区域为暗区，靶面其他的区域全部照亮。根据几何原理，传感器靶面 上暗区所反映的尺寸即为被测工件的尺寸。通过数据采集和处理系统计算出暗区 的像敏单元个数( 即输出脉冲数量) ，将其乘以像敏单元的尺寸，就可以计算出 被测工件的尺寸。 | 数 i 激光器 扩 二 光 图 据 显 束弋燃 学 燃 像 计 不 滤 传 采 或 感 集 算 发 波处 送 器 理 图2 1 测径仪原理图 2 2 测径仪整体方案布局 根据已确定好的激光测径原理，可以设计出本测径仪的整体方案布局，其主 要可分为两大部分：机械结构部分和硬件电路部分。机械结构部分主要用于光学 成像系统的搭建，包括底座、支架系统( 含l 形板、托架) 、工件定位部分( v 形块形块) 、激光器、图像传感器、滤光镜等等。 7 武汉理1 ：大学硕+ 学位论文 2 3 激光光源的选型 图2 2 测径仪整体布局图 激光光源是激光测量过程的重要部分，激光器是产生激光光源的装置，它的 工作原理是受激辐射原理，能够使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射。激 光器的种类很多，通常按其工作介质划分，有固体激光器、气体激光器、液体激 光器和半导体激光器等几大类。 激光的产生必须具备3 个条件1 2 2 j ： 1 ) 物质受到激励后能够实现能级间的跃迁； 2 1 存在泵浦装置，能够使被激励的介质产生粒子数反转： 3 ) 存在谐振腔，能够产生光反馈和放大。 i 激励能源 泵装 浦置 i 工作物质 l 谐振腔 激光 图2 3 激光器的工作原理示意图 激光测量中常用到的几种激光器有： 1 ) 氦氖激光器。它的工作物质是氖气，是产生激光的气体，而氦气是一种 辅助气体，能够增大输出激光的功率，并作为激光产生的媒介 2 3 1 。氦氖激光器 一 心嘎_ 武汉理1 ：人学硕十学位论文 产生的激光光谱主要表现为红光( 1 1 5 1 t m ) 和红外光( 3 3 9 p m ) 等，它的结构 简单，频率较稳定，具有较长的使用寿命，产生的激光光源方向性、相二f - 陆都较 好。 图2 4 氦氖激光器 2 ) 红宝石激光器。它的工作物质是红宝石棒，其本质是a 1 2 0 3 晶体及少量 的( 重量比约o 0 5 ) c r 2 0 3 ，c r 3 + 的浓度约为1 5 8 x1 0 1 9 c m 3 。c r 3 + 在晶体中取代 了部分a 1 3 + 的位置，光学上属于负单轴晶体，红宝石激光器有关有能级和光谱性 质都来源于c r 3 + 。在氙灯的照射下，红宝石晶体中的粒子吸收光子后，从开始的 基态e l 能级激发到e 3 能级。而e 3 能级的粒子极不稳定，仅能存在1 0 母秒左右， 绝大多数会跃迁到e 2 能级，并可保持3 1 0 。3 秒左右，该能级会有大量粒子累积， 因此在e 2 能级和e l 能级间可以形成粒子数反转。此时，晶体对频率v 满足h v = e 2 e 1 的成分就被放大。 图2 5 红宝石激光器 红宝石激光器的优点是，其机械强度、化学稳定性都很好，亚稳态寿命长， 能量储存和输出大，低温性能优良。但是，红宝石激光器也存在不少缺点。由于 其能级结构为三能级系统，导致器件的阈值比较高。红宝石晶体的性能受温度影 响较大，激发效率较低，不宜于长时间连续工作。此外，其输出激光的发散角较 其他激光器要大，在3 1 0 m r a d 左右。 3 ) 半导体激光器。它是目前使用最为频繁的激光器，也被称作激光二极管 ( l d ，l a s e rd i o d e ) ，其工作物质为砷化镓、硫化镉等半导体材料，当受到电子 9 武汉理t 火学硕十学位论文 注入、光泵浦、电子束激励等形式的激发时，在其能带上发生跃迁而发光，在特 定的谐振腔内，经过振荡和反馈，发射出激光。其通常的激励方法是，电流被注 入半导体的p n 结后，其内部的粒子会发生反转，粒子的在两个能级上的反转产 生受激辐射，并在谐振腔内发生反馈放大，这样就形成了激光振荡。 半导体激光器较其他激光器的优剧2 4 j ： 首先，半导体激光器的转换效率很高。理论上它可以完全将电子转换为光子， 即使将所有非辐射的损失考虑其中，其效率依然不会低于7 0 。 其次，半导体激光器的波段范围覆盖很广。通过采用不同有源材料制造的激 光器可以产生范围不同的光波波长，应对各种使用需求。 第三，半导体激光器的使用寿命很长。目前的半导体激光器产品可以工作数 十万个小时，便于维护。 此外，半导体激光器还有价格低，体积小，轻便易携带，使用范围相当广， 这些都是其他种类的激光器无法比拟的优势。 图2 - 6 半导体激光器常见的波段范围 通过比较和分析，本设计最终选用半导体激光器作为激光光源。实验中，实 际使用的半导体激光器为华科光电公司生产的e 6 3 5 2 3 ( 5 ) 一3 0 型扩束激光器，如 图所示，其详细参数见表2 1 。 l o 武汉理1 ：人学硕卜学位论文 图2 7 华科光电e 6 3 5 - 2 - 3 ( 5 ) - 3 0 型扩束激光器 表2 1 华科光电e 6 3 5 2 - 3 ( 5 ) - 3 0 型激光器详细参数 参数名称参数值参数名称参数值 外形尺寸0 4 3 1 4 5 m m光斑扩大倍数8 倍 输出波长 6 3 5 n m工作距离1 0 m ( 可调焦距) 工作电压 d c3 v 或5 v光学系统光学镀膜玻璃透镜 工作电流_ 5 0 m a导线2 1 0 0 m m 或插头线 光束发散度 o 2 0 4 m r a d工作温度1 0 - - - + 4 0 出瞳孔径3 0 m m存储温度 4 0 + 8 0 出瞳功率2 m w使用寿命 之5 0 0 0 小时 2 4 图像传感器选型 图像传感器是一种能够实现图像信号到电信号转化的传感器，根据元器件划 分，主要有有c c d 传感器( c h a r g e - c o u p l e dd e v i c e ) 和c m o s 传感器 ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 两大类2 5 1 。 图2 8 图像传感器c c d 与c m o s c c d 的结构原理图如图2 - 9 所示，它由众多的m o s 电容组成。其底部为半 导体( p 型或n 型) 衬底，中间为s i 0 2 层，表层为金属电极。每个m o s 结构即 为c c d 的一个像元，在c c d 的阵列上还包含输入和输出部分。若金属电极被 施加正偏压，p 型衬底形成势阱，最高正偏压所在的金属电极会吸引少数载流子 而形成势阱。n 型衬底时，少数载流子形成空穴。 武汉理t 大学硕十学位论文 图2 - 9c c d 的结构原理图 c c d 电荷转移的过程如图2 1 0 所示，以三相控制方式为例，p l 、p 2 、p 3 分 别为1 个像元上的3 个电极，通常电荷注入方式包括光注入、热注入和电注入， 这里采用电注入的方法，分别对3 个电极施加不同相位的脉冲叩i 、啦、t # 3 。图中， t = t o 时，p l 极处高电位，其下方会产生电荷包；t = t l 时，开始对p 2 极施加与p l 极相同的电压，此时p l 极、p 2 极下的势阱发生耦合，电荷在两级均匀分布；t = t 2 时，使p l 极恢复低电位，先前产生的电荷包将流向p 2 极的势阱；氕3 时，p 3 极 开始施加电压，重复先前的操作，完成一次电荷在像元间的转移。 p lp 2p 3p ip 2p 3 p lp 2 p 3p i p 2p 3 p ip 2 p 3 p lp 2p 3 p lp 2 p 3 p ip 2p 3 图2 - 1 0c c d 电荷转移过程 c m o s 的原理同c c d 类似，也是利用感光二极管实现光电的转化，与c c d 不同的只是其数据的传输方式：c m o s 中的每个像元接入了一个放大器和a d 转 换电路，其数据输出的方式有点类似于内存电路。所以，在传送距离较长时， 1 2 武汉理丁人学硕+ 学何论文 c c d 可以保证数据不失真，可以将各个像元的数据汇集后再进行信号放大等 处理，而此时c m o s 往往会产生噪声，需要先进行放大处理再进行各像元的 数据整合。 通过c c d 与c m o s 的性能比较，可以总结出以下差异： 1 ) 分辨率。 c c d 像元的大小为微米级，尺寸从开始的l 时、1 2p , j 到现在的1 9 时，越 来越小，而像素从2 1 0 万到现在的5 0 0 万以上，越来越高；c m o s 的像元由于结 构比c c d 复杂，其尺寸很难达到c c d 的级别，故分辨率往往不及c c d 的水平。 2 ) 灵敏度。 通过前面的介绍，c m o s 像元的构成要较c c d 复杂的多，故能感光的区域 会远远小于其像元的表面积，导致了c m o s 在灵敏度方面要弱于c c d 。 3 ) 图像品质。 c m o s 像元中连接的放大电路、a d 转换电路引入了噪声源，导致了图像会 发生失真，而c c d 没有此过程，图像品质较高。 4 ) 功耗。 c m o s 的图像采集方式是主动式的，而c c d 是被动式的，需要外加电压才 能使电荷在像元间转移，因此，c c d 在功耗方面要大于c m o s 。 5 ) 成本。 c m o s 的制造工艺为半导体中最常见的c m o s 工艺，合格率易控制，而c c d 由于特殊的电荷转移方式，要求保证每排的像元不能出现一个失效，合格率低， 往往不到5 0 ，故c c d 的制造成本要大于c m o s 。 通过上述分析可知，c c d 在分辨率、灵敏度、图像质量等方面具有明显优 势，而c m o s 在功耗和成本上较c c d 要强。本设计的图像传感器是用于尺寸的 精密测量，对分辨率、灵敏度和图像质量方面均有较高要求，因此，首选c c d 作为测径仪系统的图像传感器。 确定选用c c d 后，同时还要面临一个问题，即线阵c c d 与面阵c c d 的选 择。对于面阵c c d 来说，其应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温 度等的测量，它的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观，缺点是像元总 数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制。相比而言，线阵c c d 的一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵c c d 少，像元尺寸比较灵活， 帧幅数高，特别适用于一维图像的测量。 本设计的对象为典型的一维图像测量，而线阵c c d 能够满足测径精度高和 测量范围大的要求。此外，线阵c c d 实时传输光电变换信号和自扫描速度快， 频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。因此，线阵c c d 也符 武汉理上人学硕士学位论文 合了本设计精密测量的要求。 经过上述的综合分析和比较，本设计最终选用线阵c c d 作为图像传感器， 实验中实际使用的是日本东芝公司生产的t c d l 5 0 1 d 型c c d ，如图2 - 1 1 所示。 图2 11 东芝t c d l 5 0 1 d 型c c d 的实物及引脚图 t c d l 5 0 1 d 型c c d ，是一款高灵敏度、带采样保持功能的线阵c c d 2 6 j ，其 像元总数是5 0 0 0 点，邻近像元中心距为7 9 m ，能够测量被测工件的尺寸范围为 3 5 m m ，对被测工件的分辨率为7 1 a m 。如果光照系统能够使被测工件的图像尺寸 与原尺寸以7 ：1 的比例照射在t c d l 5 0 1 d 的光敏面上，那么理论上t c d l 5 0 1 d 能够测量被测工件的尺寸最大值为5 m m ，对被测工件的分辨率为1 p m 。 s h 为转换时序驱动脉冲，r s 为重置时序驱动脉冲，c p 为箝拉时序驱动脉 冲。s p 为采样和保持时序脉冲，可见线阵c c d 图像传感器t c d l 5 0 1 d 的内部 含有采样保持电路。这些时序脉冲的峰值电平必须为5 v 。o d 为电源正极引脚， 其工作电压应当为1 2 v ，s s 接电源地引脚。n c 为无连接引脚。当为t c d l 5 0 1 d 提供j 下确的时序脉冲和工作电压后，o s 端就会出现信号输出，d o s 为补偿信号 输出。 2 5 本章小结 本章提出了精密激光测径仪的整体设计思路，介绍了激光测径的原理，将测 径仪的设计分为机械结构部分和硬件电路部分，并对最重要的部件激光光源 和图像传感器进行了选型。设计中采用了华科光电e 6 3 5 2 3 ( 5 ) 3 0 型扩束激光器 作为激光光源，东芝t c d l 5 0 1 型c c d 为图像传感器。 1 4 武汉理下人学硕十学位论文 第3 章基于f p g a 的硬件控制方案及外部电路设计 3 1f p g a 芯片介绍与选型 3 1 1f p g a 芯片的原理 在数字集成电路中，有一类器件称作p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，即 可编程逻辑器件。p l d 通过用“与”、“或 门来描述某种组合逻辑，来完成各 种数字逻辑功能。p l d 从诞生发展到今天，出现了多种类别的产品，f p g a 是其 中较为典型的一类。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，即现场可编程门阵列，它是p l d 经历p a l 、g a l 、c p l d 等阶段的发展后，于上世纪8 0 年代推出的产物【2 7 1 。其 本质是一种半定制电路，相比传统p l d 器件，它弥补了门电路数量有限的不足。 f p g a 的基本构成是l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) ，即逻辑单元阵列，由三部分组成： 输入输出模块( i n p u to u t p u tb l o c k ，i o b ) 、可配置逻辑模块( c o n f i g u r a b l el o g i c b l o c k ，c l b ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 。 f p g a 的主要优点有【2 8 l ： 1 ) 具有丰富的i o 和逻辑单元。最大逻辑单元数可达几百万个： 2 ) 设计周期短。采用硬件描述语言，模块化设计； 3 ) 能耗低，兼容性强。采用c h m o s 工艺，速度快，同时兼容c m o s 和t t l 两种电平规范； 4 ) 开发成本低。在p l d 中属于经济、低风险的器件。 因此，在进行较复杂的集成电路设计时，f p g a 的性能好( 速度快) 、可靠 性高，便于开发，应用越来越广泛。 本设计的精密激光测径仪由于对处理速度、精度方面的要求均比较高，在比 较了多种芯片方案后，拟采用f p g a 作为系统的核心芯片。 3 1 2f p g a 芯片的选型 f p g a 芯片经过2 0 多年的发展，在世界范围内的制造商主要有x i l i n x 公司和 a l t e r a 公司两家。a l t e m 公司发明了可编程逻辑器件，而x i l i n x 公司则首创 f p g a 。 c y c l o n e 系列器件是a l t e r a 公司开发的一个f p g a 芯片系列，自从2 0 0 2 年问世以来， 对f p g a 芯片行业造成了革命性的影响，它以低成本而著称，降低了设计者的门 武汉理t 大学硕士学位论文 槛，应用十分广泛。而c y c l o n ei i 是既c y c l o n e 之后a l t e r a 公司推出的更新的f p g a 产品系列，在延续c y c l o n e 系列优势的同时，再次降低了约3 0 的成本，经济性 和实用性明显。因此，考虑到资源的充分利用和经济节约，本设计拟采用a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列产品作为精密激光测径仪的f p g a 芯片。 c y c l o n ei i 系列在工艺上采用了台积电9 0 n m 低介电值绝缘材料，使之在低成 本条件下极大地扩展了器件的容量，一块芯片内可包含6 8 4 1 6 个逻辑单元、高达 1 1 m b i t 的嵌入式存储器，在降低能耗、提高性能方面也大大改善。 c y c l o n ei i 系列器件主要型号的基本参数如表3 1 所示： 表3 - 1c y c l o n ei i 系列器件主要型号的基本参数 特性e p 2 c 5 e p 2 c 8 e p 2 c 2 0 e p 2 c 3 5 e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元 4 6 0 88 2 5 61 8 7 5 23 3 2 1 65 0 5 2 86 8 4 1 6 r a m 大小( b ) 1 1 9 8 0 81 6 5 8 8 8 2 3 9 6 1 6 4 8 3 8 4 05 9 4 4 3 2 1 1 5 2 0 0 0 嵌入式乘法器 13182 63 5 8 6 15 0 锁相环 224 4 4 4 最大可用i o 1 4 218 231 54 7 54 5 06 2 2 f p g a 芯片在本设计中用于测量系统的开发，主要工作是完成c c d 驱动、 数据采集与处理、通信、显示等，分析可知i o 数量不多，基本在10 0 以内。 逻辑单元大概需要6 0 0 0 左右。根据上述条件比较可知，e p 2 c 8 系列基本能满 足设计要求。本设计最终选用了c y c l o n ei ie p 2 c s q 2 0 8 c 8 n 作为f p g a 芯片，其 封装结构如图3 1 所示。 图3 一lc y c l o n ei ie p 2 c 8 q 2 0 8 c s n 的封装图 根据c y c l o n ei ie p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 n 的相关手册可知，其逻辑单元数8 2 5 6 ，i o 数1 8 2 ，r a m 位总计1 6 5 8 8 8 ，l a b c l b 数2 8 8 ，工作电源电压1 1 5 1 2 5 v 。 3 2f p g a 最小系统电路 f p g a 芯片虽然内部结构复杂，