（计算机系统结构专业论文）基于usb20的光栅自动检测仪的研究与设计.pdf

摘要 摘要 光栅自动检测仪是用来检测绘图机定位光栅质量的仪器。本文选用电荷耦合器件 c c d 采集光栅图像，图像经过处理后送入计算机，分析判断光栅黑白条纹分布是否均 匀以及条纹中有无疵点。通过对比计算机外设接口方式，系统选用u s b 接1 3 完成外 设与主机间的数据传输。 本文从图像数据采集和u s b 接口两方面阐述了系统的实现原理，完成了光栅自动 检测系统的软硬件设计。硬件设计中，选用国家半导体公司的c c d 处理芯片l m 9 8 1 2 ， 处理c c d 输出的光栅图像信号，并通过的u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 读取图像数据， 传送给p c 机控制台处理，其中应用f i f o 作为数据缓冲。为了使步进电机的转速更加 平稳，并且减小噪音，应用了步进电机细分驱动。软件部分的设计包括固件程序、驱 动程序和应用程序。固件开发部分介绍了固件的整体设计思想及其层次结构、各个部 分的设计方法、给出了关键部分的源代码和程序流程图。驱动程序开发部分研究了 w d m 驱动程序的结构特征，驱动程序和应用程序之间通讯的方法实现u s b 通讯卡驱 动程序的具体开发过程。通讯系统应用程序开发部分完成了应用程序的功能开发。 关键词：光栅c y 7 c 6 8 0 1 3 a 图像采集固件 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cg r a t i n gd e t e c t o ri su s e dt oc h e c kt h eq u a l i t yo ft h ef i x e dp o s i t i o ng r a t i n g i nt h eg r a p hp l o t t e r t h ei m a g eo fg r a t i n gi sg a t h e r e db yt h ec c di m a g es e n s o r ，a n da f t e rb e p r o c e s s e d ，i ti st r a n s f e r r e dt oh o s tt oe s t i m a t et h eu n i f o r m i t yo fb l a c k a n dw h i t eg r a t i n gb a r a sw e l la st h ef l a wi nt h eb a r s c o m p a r i n gt h et e c h n o l o g yo fe x t e r n a ld e v i c ei n t e r f a c eo fp c ， t h i st h e s i sp u tf o r w a r dt h es c h e m eo fu s i n gu s bt oc o m p l e t et h ei m a g ed a t at r a n s f e r t h et h e s i si n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o np r i n c i p l eo ft h eg r a t i n gi m a g eg a t h e r i n ga n du s b i n t e r f a c e ，a n de x p a t i a t e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ea u t o m a t i cg r a t i n g d e t e c t i o ns y s t e m i nt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，l m 9 8 1 2 ，ac c ds e n s o rp r o c e s s o r , i ss e l e c t e d t od e a lw i t ht h ec c d o u t p u ts i g n a l t h ei m a g ed a t aa r et r a n s f e r r e dt ot h ec o n s o l ei np cb y t h eu s bc h i po fc y 7 c 6 8 0 1 3 a ，a n df i f oi su s e da sad a t ab u f f e r m i c r o s t e pd r i v e ro f s t e p p e ri sp r o g r a m m e dt or e d u c et h en o i s e sa n d t om a k et h em o t o rr u nm o r es t e a d i l y t h e s o f t w a r ei sc o m p o s e do ff i r m w a r ep r o g r a m ，d r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m i nt h e d e v e l o p m e n tp a r to ft h ef i r m w a r e ，i ti n t r o d u c e st h ei d e aa n dt h eh i e r a r c h yo fp r o g r a m d e s i g n ，t h ep r o g r a md e s i g ni nd e t a i l ，s o m ek e yc o d ea n df l o wc h a r t i nt h ed e v e l o p m e n tp a r t o ft h ed r i v e r ，i td e s c r i b e st h es t r u c t u r eo fw d md r i v e ra n di t sd e v e l o p i n gp r o c e s s ，d e p i c t s t h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o db e t w e e nt h ed r i v e ra n d a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t h e d e v e l o p m e n tp a r to ft h eh o s ta p p l i c a t i o np r o g r a m ，i ti n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dr e a l i z a t i o n w a yo ft h ea p p l i c a t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：g r a t i n g c y 7 c 6 8 0 1 3 ai m a g eg a t h e r i n gf i r m w a r e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，议文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：型盏焦日期窆兰：! ：型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文中的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：型迁盏j 坠 导师签名： 日期迎：f ：型 日期j 碰! ! ：兰厶 第一章概述 第一章概述 1 1 光栅在位置检测中的地位 大幅面喷墨绘图机喷头的高分辨率下的高精度定位，要求对喷头的位移进行精密 检测，而光栅是喷墨绘图机中不可缺少的位置测量元件。原因是： 1 喷头在喷绘一个自然行的过程中，总是存在加速段、恒速段和减速段，速度 是不均匀的。 2 喷头小车的传送带，不论是采用齿形带或钢丝绳拖动，皆存在弹性，尤其是 在加速段和减速段中，电机转角和小车的位置不是严格的线性对应关系。另一方面在 恒速段的速度也不是一个常数。这都会引起定位误差，直接影响到喷头的精确定位。 鉴于上述原因，欲使喷绘象素的间距均匀，可以利用光栅产生的喷头位置信号控 制喷嘴的喷射时刻，这样就克服了原先定时喷射造成的间距不均匀的缺点。 1 2 研制光栅测试仪的必要性 光栅根据光路不同分为反射式光栅和透射式光栅两大类。反射式光栅精度比较 高，尤其是温度系数小，国内又有多家生产厂家，但是这种光栅的价格太高另外， 光栅长度受限，不适于超大幅面喷绘机。而透射式光栅的结构简单，价格低廉，但它 的温度系数较大，考虑到打印图像的绝对尺寸要求不是很严格，采用透射式直线光栅 进行定位是合理的，但是国内尚无生产该类条形透射式光栅的厂商，必须依赖进口， 价格昂贵。因此，我们进行了光栅印制机的研究同时，为了实现对直线透射式光栅 的质量自动化检测，设计了一种光栅自动检测仪，对保证光栅的质量具有重要意义 1 3 设计要求 1 测试光栅长度5 米，宽度6 0 r a m ，分辨率为1 8 0 d p i 。 2 能够检测黑白条的宽度是否均匀。 3 能够检测栅条上是否有疵点 4 。检测精度达到1 4 测试数据应能输出( 通过u s b 接口) 5 测试仪通过p c 机上的控制台来进行控制和数据的接收处理。 2 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 1 4 论文的内容介绍 论文分析研究了u s b 2 0 总线接口协议和c y p r e s s 公司的c y t c 6 8 0 1 3 a 接口 u s b 2 o 控制芯片，提出了基于u s b 的数据采集系统的硬件电路设计方案并进行了相应 的程序软件的设计。主要内容有以下几部分： 1 第一章分析了研制光栅检测仪的必要性，给出了光栅自动检测仪的设计要求。 2 第二章讨论了光栅自动检测仪的总体方案设计。 3 第三章阐述了硬件设计方案，实现了一种基于u s b 接口的光栅图像采集系统， 并对系统电路的主要部分分别作了介绍 4 第四章详细地介绍了数据采集系统0 p u s b 设备的固件开发，对应用程序开发 也作了简略的介绍。介绍了u s b 的驱动程序，并以本设计为例，介绍了数据采集卡的 u s b 设备驱动程序开发。 5 第五章是对本文的总结和展望。 第二章光栅测试仪硬件方案设计 3 第二章光栅测试仪硬件方案设计 2 1 光学放大部分 透射式光栅是用光学玻璃或透光介质制成的，用光刻机在光学玻璃上刻出的大量 的宽度和距离都相等的平行线条，即刻痕。刻痕不透光，两个刻痕之间的光滑部分透 光，这样就形成了明暗条纹。这些线条可以刻得很密，每毫米可以刻1 0 0 条甚至更多 条线，达到很高的精度，但这也同时提高了检测光栅质量的难度 本文检测光栅的分辨率为1 8 0 d p i ，即黑白条纹宽度为0 0 7 r a m ，要达到1 的检测 精度，检测仪的检测分辨率就要达到0 7 u r n ，这样对检测仪的要求太高了，所以在采 集光栅图像之前，先要对光栅图像进行放大 放大常用的方法是光学放大。由式( 2 - 1 ) 可以看出，随着放大倍数的增加，视 场就会随之减小， 膨量。盟! 乞 式( 2 - 1 ) 式中，厶为像距，厶为物距，| 为c c d 感光像元的个数，p 为c c d 感光元件的 问距，厶为透镜视场，膨为镜头倍率。本系统中，如果将光栅放大1 0 0 倍， m10700 x8x106o 0 8 5 _ 堑6 1 0 0式( 2 - 2 ) 厶厶 本文采用的c c d ( 在下一章介绍) 的m = 1 0 7 0 0 、p = 8 u m ，则厶视场为0 8 5 6 m m 这么小的视场，显然不适合检测6 0 m m 宽的光栅。所以我们采用莫尔条纹的方法对光 栅条纹进行放大下面介绍莫尔条纹的放大原理。 ( a ) ( b ) 图2 1 莫尔条纹形成原理 如图2 1 所示，a 为光栅栅距，0 为动光栅与定光栅夹角，w 为莫尔条纹间距我们 4 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 把动栅光栅平面平行地放在定栅光栅平面上面，并使它们的刻线倾斜一个很小的角度 o ，这时在定栅光栅上就会出现较宽的明暗相间的条纹，便形成了“莫尔条纹”因0 很小，所以莫尔条纹几乎与光栅上的刻线垂直，而光强度分布近似于正弦波两块光 栅亥线间的夹角0 越小，明暗条纹越宽。将动栅光栅左右移动时莫尔条纹就会上下移 动，每当动栅光栅移过一个条纹的间距时，莫尔条纹也移过一个条纹的间距。这一点 由图2 1 ( b ) 可以看得很清楚。图中线1 和2 是定栅光栅上的两条相邻的透光缝，线3 是动 栅光栅上的一条透光缝。在图中位置，线2 与线3 交于点a ，线1 与线3 交于点b ，这都 是亮点当动栅光栅移过一个栅距时，线2 移到1 的位置，a 点移到原来的b 点的位置， 莫尔条纹准确地移过它自己的一个间距莫尔条纹的间距就是a 、b 两点间的距离， 记为w ，由图2 1 0 ) 可知 w = a s i n e ， 式( 2 - 3 ) 当0 很小时有w = a 0 。尽管a 很小，但9 特别小，所以莫尔条纹w 仍然比较宽，比较 容易观察到明暗条纹移动情况。这就是莫尔条纹的放大作用，它等于将两个光线条纹 间的距离由栅距a 放大到莫尔条纹间距w ，本系统采集的便是经莫尔条纹原理放大后 的光拇图像。 2 2 图像传感器部分 光栅图像的采集方法很多，可以用摄像头、数码相机，电荷耦合器件a c d 和接触 式图像传感器c i s 等。其中摄像头使用简单、方便，可以大大简化图像数据的采集传 输过程，但是由于存在上节所讲的放大倍数和视场的问题，而且采集的图像的分辨率 也不是十分理想；数码相机则成本太高；c i s 4 1 采用一种触点式图像感光元件来进行 癔光，利用其内部的红、蓝、绿三色l e d 所发的光混合在一起产生白色光源，取代了 c c d 的c c d 阵列、透镜、荧光管或冷阴极射线管等复杂结构，成为机电一体的传感器。 而且a s 属于半导体器件，在大规模生产后可以实现较低的成本。但c i s 技术目前还处 于发展阶段，其光学分辨率不如c c d 出色。c c d 发展时间长，技术及制造工艺都已相 当成熟，图像质量相当突出。c i s 与c c d 相比，c c d 采用光学成像器件，图像色彩与 亮度都非常均匀，而c i s 技术使用的是大面积感光器件，在目前还很难保证图像的均 匀度。 c c d 器件根据结构不同，可分为线阵c c d 和面阵c c d 两类。二者的工作原理基本 相同，不同之处是线阵c c d 一次只能获得图像的一行信息，被摄的物体必须以直线经 过c c d ，才能获得完整的图像，因此适合对以一定速度匀速运动的图像的检测；而面 阵c c d 则可以一次获得一副完整的图像。c c d 具有如下特点： 第二章光栅测试仪硬件方案设计 5 1 体积小、重量轻、耗电少、启动快、寿命长和可靠性高 2 光谱响应范围宽。一般的c c d 器件可工作在4 0 0 n m 1 1 0 0 n m 波长范围内 3 灵敏度高。c c d 具有很高的单元光量子产率，正面照射的c c d 的量子产率 可达2 0 * 4 ，若采用背部照射减薄的c c d ，其单元量子产率高达9 0 以上 因此，即使在低照度下0 0 2 1 均，c c d 也能顺利完成光电转换和信号输出 4 动态响应范围宽。c c d 的动态响应范围在4 个数量级以上最高可达8 个数量 级 5 分辨率高。线阵器件已有7 0 0 0 像元，可分辨最小尺寸7 z m i 面阵器件己达 4 0 9 6 像元) 1 2 0 0 n s , 典型值为1 5 0 0 n s ，设寄存器1 6 为全1 ，约等于1 3 1 2 n s t l 和t 3 都是t r 与f 1 间距，t l 要求 5 0 n s ，典型值为1 0 0 n s ；t 3 要求 1 2 0 0 n s ，典型值为1 5 0 0 n s ，设寄存器1 8 为全 1 ，约等于1 3 1 2 n s 。 t r ! 删冈啪婶= m t r ! 积l 鼬慵i l y = ) t t i t ! 喇 图3 1 7l m 9 8 1 2 产生的t r 波形 ( 3 ) r s 相关的寄存器设置 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 寄存器2 1 的高3 位i t s 脉冲宽度h m w u t m 取值从0 ：勇j 3 1 ( 1 ( 2 f m 0 ) ，f i m = 2 幅k 寄存器2 l 的低5 位r s 与f 1 间距嘛 取值从0 到3 1 0 ( 2 * f - 。d 匐) 寄存器2 5 的d 2 位r s 允许位d允许1禁止 寄存器2 6 的d 1 位k s 极性设置b高电平1 低电平 根据i l x l 2 8 m a 的资料手册，置r s 允许，高电平有效，设寄存器2 5 的d 2 位为0 。 寄存器2 6 的d i 位为o 。并且，r s 脉冲宽度要求 2 0 n s ，典型值为2 5 0 n s ，设寄存器2 1 的高 3 位为1 0 0 ，约等于8 3 n s 。r s 与f1 间距要求 5 0 n s ，典型值为1 2 5 m ，设寄存器2 1 的低5 位为 1 1 0 ，约等于1 2 5 n s 。 2 f l 、f 2 的产生方法 利用系统的2 4 m h z 的晶体振荡器产生的脉冲，经1 2 分频改变为2 m h z 的序列脉 冲，通过串行入并行出的四位移位寄存器对r o g 信号进行移相( 1 2 1 和s ) ，取出 下跳边，便是f 2 脉冲序列的起始时刻，然后可对f 3 脉冲进行2 分频，即可得到f 2 、 f 1 脉冲序列，见图3 1 8 ，图3 1 9 。 、 剃厂 删厂 。，f。11一 厂1 几r 一八一几几几n 一 睨广广 厂 r 图3 1 9 生成的f 2 波形图 3 s h u t 快门脉冲的产生方法 由图3 5 中可以看出，生产s h u t 信号的关键是决定该信号的起始位置和终i e 位置， 第三章u s b 接口高速数据采集系统硬件设计 2 7 起始位置可由图3 1 9 产生的s p 脉冲决定，而终止位置可对c c d 的光电元件计数决 定，由图3 5 可知，i l x l 2 8 m a 具有的光电元件为t s = 3 0 + 2 5 2 + 5 3 5 0 * 2 + 4 2 - - 1 0 7 8 8 积分时问可以通过l m 9 8 1 2 的寄存器设定，电路设计如图3 2 0 图3 2 0s h u t 信号产生电路 u 1 是由d 触发器构成的开关，当s p 到来时，q 端输出高电平，允许r s 脉冲对 1 6 位计数器计数，当1 6 位计数器溢出时，产生一个脉冲，将u 1 触发反转，q 输出 为低电平q 端输出的波形即为s h u t ，其波形图见图3 2 1 。， 门几 。觥厂 黯门n 几r 几几 厂 几广 o ，。j 1 一 图3 2 1s h u t 波形图 3 2 2c c d 输出信号处理模块 给c c d 提供所需的驱动脉冲，它便可输出光栅图像的模拟信号。l m 9 8 1 2 支持r g b 三路输入，输入端通常需要加隔直电容，仅将交流信号输入到l m 9 8 1 2 中，然后由 l m 9 8 1 2 对信号进行处理。 3 2 2 1 钳位和双相关采样部分 1 由于光强、温度、供电电压的缓慢变化都会使输出信号的暗参考电平出现波动，在 实际应用中，需要暗参考电平维持一个固定电平这里，我们使c l a m p 的高电平与 输出信号的暗参考像素对应，便能对暗参考电平进行校正。 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 昭 图3 2 2 中的钳位开始时间和结束时问分别由l m 9 8 1 2 的寄存器1 9 和2 0 决定。它 们的取值都是从0 到3 1 ( 1 ，( 2 f m c l x ) ) ，f m c r x = 2 4 m h z 。本文取t 旺 口州= 2 0 9 n s ，t 乳 姗 。即= 4 3 8 n s 。 2 c c d 输出信号存在复位噪声，我们采用c d s 对该噪声进行抑制，即在同一像素周 期内的暗电平参考区间和信号电平区间进行两次采样，由于这两次采样的复位噪声是 相关的，将两次采样值模拟相减后，复位噪声从输出信号中抑制了，从而得到视频信 号的真实成分。 图3 2 3c d s 环节 图3 2 3 的钳位开始时间和结束时间分别由寄存器2 2 和2 3 决定。它们的取值都是 从0 到3 1 。( 1 ( 2 f m c i j 劬，f m c l k = 2 4 m i - i z 。本文取b 吼d 髓f = 2 0 9 璐，t h o i d s l o = 4 3 8 n s 3 2 2 2 偏置和增益处理部分 1 静态偏置增益处理 c c d 输出信号含有暗电流，其根本起因是耗尽区产生复合中心的热激发。暗电流 会引起输出信号的固定图像噪声，必须予以去除。本文采用偏置调节的方法来去除暗 电流。具体方法是： 扫描一条纯黑的测试条。这里实际上是一条白条，我们通过关闭l l x l 2 8 m a 的 快门s h u t 信号，切断光源，这样白条就变成了黑条。 找出所扫描图像中的最小黑色象素值b l a c km i n ，以此作为静态偏置数据 骼 蕊 第三章u s b 接口高速数据采集系统硬件设计 凹 用c c d 的输出信号减去该偏置数据，便去除了信号中的暗电流。 c c d 输出信号的大小随着入射照度的强弱而改变，为了使输出的数字图像的亮 度和对比度满足要求，本文采用可编程增益控制对信号进行静态调节具体方法是： 确定扫描的目标码t a r g e tc o d e ，即扫描一副纯白图像，经过a d 转换后输出所得 的最大值。为了避免图像经过校正后变得太亮，所以t a r g e tc o d e 取值为1 0 0 0 扫描一条纯白的测试条 找出所扫描图像中的最大白色象素值w h i t e，p g a 增益为三挈；! ! ! 丝 w i l t t e m a x 2 动态偏置增益处理 由于c c d 制作工艺过程的不完善及材料不均匀等因素的影响，c c d 中每个感光像 元的感光程度是不均匀的，所以还需要对每个象素进行动态的调节。如上述所讲，经 过静态处理的模拟信号通l 立a i ) 转换后成为数字信号，我们将每个象索的偏置和增益 系数分别存储在两个外部f i f o 9 j 中，通过c d 0 c d 7 总线读取到l m 9 8 1 2 内部，进行动 态的偏置、增益校正。如图3 2 4 所示 图3 2 4c c d 输出信号的动态偏置增益处理模块 偏置校正： 扫描一条纯黑的测试条 扫描所得的每个象素值即为该象素的偏置误差系数，从l m 9 8 1 2 的d 0 7 1 输出后 直接存储到o f f s e tf i f o 中。w r 由c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的g p i f 接口编程实现，当 l m 9 8 1 2 的转换结束信号e o c 有效时，置w r 低有效，完成f i f o 的写操作，具体 实现在第五章介绍 由图3 2 4 所示，行转移信号t r 接f i f o 的重读信号f i _ g r ，即每读一行从c n o 7 1 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 读取一次偏置系数：o c u 【为【m 9 8 1 2 内部的偏置数据的读时序，接f i f o 读信号 r d 。 m 同几几藐髓：汽几几几几兀筑恿馥碰f 瞪成f n 成建壤厂 ，- ，。j 【；：。i _ m l j 睡lul jl jl j l jl jl jil ji o c “ 卸稠珊咖硼广一 g t t x 舢朋咖皿1 9 i 厂一 日。 咖啊加1 8 哪盯一 图3 2 5 动态偏置增益校正的读时序 增益校正： 扫描一条纯白的测试条。 找出所扫描图像中的最大自色象素值w h 妇m a x ，w h e r e i n ，记 w h i r e m a x r a n g e 。砀面4 扫描所得的每个象素值记为p i x e l d a t a 。，增益系数由下式计算： e o f f i c e n f o ) 。n f ( 仁竽譬：些一1 ) ) 式( 3 3 ) p t x e t a a t a “ 这里，按照l m 9 8 1 2 资料给出的对应关系，n 由求得的r a n g e 值决定。 将每个象素的计算结果存储到g a i nf i f o 中，作为增益误差系数。o c l t ：为 l m 9 8 1 2 内部的增益数据的读时序，接f i f o 读信号r d 。其它操作与偏置校正相 同，这里不再叙述。 3 2 3l m 9 5 1 2 图像数据输出模块 c c d 模拟信号经过钳位、双采样、偏置增益校正和a d 转换后，由l m 9 8 1 2 的数据 线d 0 d 9 输出1 0 位数字信号，我们这里采用高8 位数据d 2 - d 9 存入f i f o ，作为最终的 图像数据此数据经瑚c 郴接到c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的数据线f d 【o 7 17 4 a h c 2 4 5 是- - 个三态总线收发器，片选有效时，d i r 为低电平则数据由b 到a ，d i p 为高电平则数据 由a 到b 如图3 2 6 所示。 第三章u s b 接口高速数据采集系统硬件设计 3 1 八a 7 4 a 1 - 1 e 2 4 5 m ，7 q o 7 叫 a o 。b 0 l 蝴1 2 f d m 铘里 e 0 c 一翌辑电路b -w r 压 o p i fr d ! 堡艘- 一 r d 图3 2 6l m 9 8 1 2 图像数据输出电路 f i f o 读信号r d 由g p i f 接口编程控制，根据状态输出信号e f 、h f 判断f i f o 当前的工作状态，正确地将数据读入c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的f d 0 一f y 7 g p i f 具体设计见第 五章 l m 9 8 1 2 产生的e o c 信号是象素转换结束信号，但是不能直接将e o c 作为f i f o 的写信号，因为e o c 信号在扫描过程中一直产生，而我们要求电机运动到新的一行 时才采集一次数据，如果用e o c 作为写信号，就会造成同一行数据的重复采集，所 以，我们还需要一个行允许信号l i n f _ , - e n ，当电机运动到新的一行，并且c c d 开始 输出新的一行的完整数据时，才允许将这一行的图像数据写入f i f o 。图3 2 7 为f i f o 写信号w r 的硬件电路，图3 2 8 为信号时序 图3 2 7f i f o 写信号产生电路图 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 豫 厂厂厂 。蹦厂 厂 厂一 埘矗 厂一 b y n c - o e i s y n c - - o e 2 厂 c l r - s 玳_ 厂一 l i n e 厂 一翻厂 。o 。几几n 几几门几几几几nn 几几门几n 几 在图3 2 8 中，t r 为c c d 的行转移脉冲，s y n c 为l m 9 8 1 2 输出的同步脉冲， m o t o r 为电机到位信号，即电机每移动到新的一行产生一个m o t o r 。我们先介绍 如何产生清零信号c l r s y n c ，再说明w l t 当m o t o r 信号的上升沿到来时，将s y n c - 0 e 1 置为高电平，然后再将 s y n c - o e l 作为下一个d 触发器的输入信号，当t r 上降沿到来时，将s y n c - 0 e 2 置高，下一个上降沿到来时再置为低，则s y n c - o e 2 就表示电机到位并且c c d 开始 输出新的一行的完整数据，这时才可以将s y n c - o e 2 取反，与s y n c 相或，产生清 零信号c l r 趴m c 。 同理，w r 信号的产生方法也是当m o t o r 上升沿到来时将l i n e 置高。再将l i n e 作为下一个d 触发器的输入信号，给t r 信号取反，当其下降沿到来时将l i n e - e n 置高，当清零信号c i r - s y n c 到来时同时将l i n e 和l i n e - e n 置低，然后给l i n e - e n 取反，与e o c 相或得到w r 信号。 3 2 4l m 9 8 1 2 模拟参考电压模块 l m 9 8 1 2 l - i ：常工作，除了要求提供+ 5 v 的模拟电源和数字电源外，还需要提供一个 + 2 v 的模拟参考电源基准p i 。，。本文采用3 1 7 l z 集成稳压电路产生。 第三章u s b 接口高速数据采集系统硬件设计 3 3 l m 3 1 7 l z 1 0 埏常见的可调集成稳压器，最大输出电流为2 0 0 m a ，输出电压范围 1 2 5 3 7 v 连续可调，负载电流最小为3 5 m a 它的使用非常简单，仅需两个外接电阻 来设置输出电压此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好 l m 3 1 7 l z 的2 脚和3 脚分别为输入和输出端，1 脚为调整端。在1 、3 脚之间接上电 阻r 1 0 后，可以得到1 2 5 v 的基准电压，并且该基准电压是不变的。r 1 0 取值一般为 1 2 0 0 2 4 0 0 。假如1 脚接地，3 脚输出电压便是1 2 5 v 。如果要得到高于1 2 5 v 的输出 电压，只要在1 脚与地之间接上电阻r 9 ( 见图3 2 9 ) 。改变r 9 的阻值便可改变3 脚输出 电压的大小。l m 3 1 7 的输出电压计算式为 v o u t 。 ! 翌 + z 4 d j r p l 式( 3 - 4 ) 1 + r 9 m 0 一般五4 孝忽路后可得场甜。尝! l 。，v o u t ；1 2 5 ( i + r g r 1 0 ) 。在电路中调节r 9 ， 1 + r 9 ，r i o 便可使v o u t 输出为2 v 。 7 图3 2 9l m 9 8 1 2 模拟参考电压产生电路 l m 3 1 7 l z 稳压器的输出端不加电容亦能工作，但由于其内部的放大器工作在1 ： 1 的深度负反馈下，当输出端负载为容性的某一值时，稳压器有可能出现自激现象， 因此在电源的输出端接入一个0 1 u 的电容，并且接入1 u 的电解电容，提供足够的电 流供给在输入端加入了0 1 u 电容，滤除有害噪声，提高输入电源的质量。实验中， 外接电阻r 1 和r 2 的接线要尽量靠近稳压器的引脚，越近效果越好。 3 3c y 7 c 6 8 0 1 3 a 通信与控制电路 3 3 1c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片外围基本硬件电路 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片要能够正常运行，必须要有一些基本的附加电路这些基本电 路包括复位电路、时钟产生电路以及唤醒电路等。 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 f 图3 3 0 复位电路图3 3 1 时钟产生电路 复位电路( 图3 3 0 ) 有两方面的作用，一个是上电复位，当加上3 3 v 的电压时， 使右侧的r e s e t # 管脚为低电平，从而复位整个c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片，使之处于初始化 状态；另一个是当电路板工作出现异常时，特别是在调试阶段出现异常时，可以用s 7 按键使整个芯片复位，重新启动电路板工作。 在时钟电路( 图3 3 1 ) 中，f x 2 外接2 4 m h z 的晶振，并匹配2 2 p f 的电容接地，通 过x t a l i n 、x t a l o u t 两个管脚连接到芯片内部的振荡器经，再经过锁相环a p u 0 倍 频电路，产生4 8 m h z 的增强型8 0 5 1 默认工作频率。根据需要，用户也可以设定8 0 5 1 工 作于2 4 m h z 或1 2 m h z 的频率下。我们选择系统工作在2 4 m h z 的频率下。 3 3 2c y 7 c 6 踟1 3 a 与外围模块的g p i f 接口实现 c y 7 0 6 8 0 1 3 a 有2 种接口模式：从属s l a v ef i f o 和主控可编程接口g p i f 。模式 选择由寄存器i f c f g 控制。当c y 7 c 6 8 0 1 3 at 作于s l a v ef i f o 模式时，外围电路可 像普通f i f o 一样对c y 7 c 6 8 0 1 3 a 中的端点数据缓冲区进行读写。在0 p i f 模式下， c y 7 c 6 8 0 1 3 a 可通过软件编程输出读写控制波形，可方便地对其他模块进行控制和数 据交换由于系统要求对多个外设模块进行控制，因此，本文选用g p i f 主控方式 g p i f 是一个可编程的状态机，它产生6 个控制位c r l 0 。5 】和1 6 根数据线f o 1 5 。o 】 输出，并接收6 个外部和2 个内部r e a d y 信号系统设计要求实现g p i f 对多个外设的 读写，包括写增益、偏置f i f o ，读写存储图像的f i f o 和写l m 9 8 1 2 寄存器。硬件电路 如图3 3 2 所示p a 2 p a 5 分别产生这4 个芯片的片选信号g a i n - c s 、o f f s 肌c s 、 p d 疆i c s 和9 8 1 2 - c s ，c t l o 、c t l l 产生读写信号，r d y 0 、r d y l 、r d y 2 分别对应 状态输出信号f i f o 半满，f i f o 空，f i f o 满，r d y 3 对应l m 9 8 1 2 的转化结束信号。具 体波形设计在第五章介绍。 第三章u s b 接口高速数据采集系统硬件设计 p 叫n r i 删 p 1 脒t 1 p 2 j 吼o e p ：3 栅2 p 4 j 豇f o d 舶 p 纠卿f 。d 重】 p e l ”j ”：l ：| l l ；ll ，1 | l 叶 l 卜 5p i x e l 口l ；最p i x l o ，fl ：l 、 l ；| l l 卵 二= 弦 i l ，l 一 6 7 兰7 = = p r ，_ + 一 一# 转畴善堪芸 o 嗡；_ b n t 。c s 一 7 9 8 1 2 -雠 _ _ t 8 5 稀薄譬鍪士 _ 9 ； 一 + d 玎l s 盯 力 - = 蟊一 ；3 i 】 1 现x e l - c ，7 0 ：z 曼3 珏* 一 。碍：二二 f 礤 一 一中一 8 ， 惟 1 一r r 8 4g 船c s 鞘llll5 | 1 ： 8 5o 府翻叮c s 卜” 8 9p i x e，c s r _ ，9 a9 8 1 2 = s 3 3 3 步进电机的接口电路 图3 3 2g p i f 接口电路图 本系统采用两个步进电机来分别控制扫描头的垂直运动和光栅胶片的水平运动 控制扫描头运动的电机选用三相混和式步进电机，控制光栅胶片运动的电机选用两相 混和式步进电机这里先介绍后者。 3 3 3 1 两相混和式步进电机细分驱动 步进电机是一种由输入脉冲控制输出转角的机电元件，对应于一个输入脉冲，转 子转过一个固定的角度即步距角。这个特点特别适合于开环系统，但是光栅胶片需要 在测试仪上由步进电机带动匀速运行，对平稳性要求很高，采用常规的设计方法，例 如，增加定、转子齿数以获得小的步距角等，由于它们受到电机结构等的限制，而越 来越不能满足需要，这就要求采用特殊的驱动电路设计方法来提高步进电机的运行性 能，目前比较成熟的方法是细分控制，又称微步控制。 细分控制的实质是在步进电机各相绕组的电流切换时，采用只切换绕组电流的一 部分，代替原来的绕组电流直接通断的方法，使对应切换相绕组中的电流阶梯地上升 到额定值或下降到零，从而产生一系列的假想的磁极对( 即新的稳定平衡点) ，使转子 对应的每步运动只为原来的一部分，而达到细分的目的。 囔墓篓嚣髓麓 高 黜一 3 6 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 两相混合式步进电机5 7 b y g 4 0 6 的步距角为1 8 。，其步进精度误差小于5 。如果 步距角为1 8 。运行，电机运行不够平滑，会影响测试仪的测量精度。在本设计中，我 们应用了4 细分驱动使步距角减小为0 4 5 。，满足了光栅测试仪的精度需求。 所谓细分驱动就是把机械步距角细分成若干个电的步距角，当转子从一个位置转 到下一个位置的时候，会出现一些“暂态停留点”这样使得电机启动时的过调量和 停止时的过冲量减小，电机轴的的振动也会减小，使电机转子旋转过程变得更加平滑， 更加细腻，减小了噪声。电机5 7 b y g 4 0 6 有a ，b 两相绕组，其中正相电流为a 、b 。a 相通反向电流时的磁场为一a ，b 相通反向电流时的磁场为一b ，如图3 3 3 所示 心陟 。p z 页八厂二二 t 弋! ! ：义岁一 图3 3 3 步进电机四细分驱动磁场矢量图图3 3 4 四细分驱动转距均匀输出原理图 如图3 3 4 所示，为了使电机输出转距大小一致，也就是使电机匀速转动，我们必 须控制a ，b 两相绕组输入电流大小和方向，使在a ，b 两相绕组上每一时刻上产生的 磁场合成矢量的模为一恒定值，合成矢量的角度增量为细分后各步的角度。a ，b 绕 组输入电流b , - - - - l m a x s i n a ，l e = l m a x x 髓，其中l m 为常数，a 为磁场合成矢量的方向 角度。由于绕组上的磁场与电流成正比，根据 s i n 2 a + c o s 2 a 1 式( 3 - 5 ) 可得到磁场矢量和的模为一个恒定值。步进电机四细分驱动磁场矢量分布如图3 3 3 所 示，四细分后相邻两步的磁场合成矢量的角度相差2 2 5 。，其a ，b 绕组上电流的变化 情况如图3 3 5 所示，其中p h a s e a ，p h a s e b 分别控制电流i ，h 的方向。 第三章u s b 接口高速数据采集系统硬件设计 m p h h , b k - ：l i l l i i f l - 一 t 1 l ， f 1 乙， 。、 f 、 ， 图3 3 5 四细分各相电流波形 细分控制电路原理图如图3 3 6 所示【堋。d a 换器选用8 位a d 7 5 2 4 t 1 7 1 ，通过锁存 器与c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的数据线f b 【0 7 】相连，构成步进电机的脉冲信号发生器。数据仅用7 位表示，留下一位表示方向位在设计中使锁存器的0 0 0 6 分别接a d 7 5 2 4 的d l d 7 ，a d 7 5 2 4 的d 0 位接地，锁存器的q 7 接n j m 3 7 7 0 的p h a s e g l 脚。这种方法使得实际 输出的数据与理论所需数据之阅会产生误差，误差率为1 2 5 6 。在本设计中v r = 5 v ，豫 差= 0 1 0 1 9 5 v ，由于误差很小，所以能够满足测试仪的需求查看电机b y g 4 0 6 的参数 表得知电流值l m = 0 7 a ，所以在设计中电机的电流不大于0 7 a ，我们选取电机电流 l m a x 在6 5 v 左右的电流本设计中四细分电路是把m ，1 1 端接地，使得输出电流为l m a x 的1 0 0 ，通过控制改变v r 来改变输出电流i m a x 的大小p b l 3 7 1 7 的输出电流i m a x 由 下式计算： i m a x = ( v r 0 0 8 3 ) r s 式( 3 - 6 ) 由于a d 7 5 2 4 的o u t 输出端输出一个阶梯电压模拟量，则v r 为阶梯电压，根据 该公式就得到阶梯电流模拟量脉冲i m a x ，来实现步进电机的四细分驱动 基于u s b 2 0 的光栅自动检测仪的研究与设计 q o 刮竺竺 _ v t