（机械制造及其自动化专业论文）基于显微视觉反馈的自动化超声微操纵技术研究.pdf

摘要 微操纵技术作为微机电系统领域基础研究 技术实施 系统设计开发以及产品集成装 配的一种关键和共性的技术手段 一直以来受到各国政府和学者的普遍重视 经过近三十 余年的努力 采用人工或半自动的操纵模式 已探索和发展了许多不同机理的微操纵方法 并正向实用化方向迈进 但是 面对操纵对象尺度的微型化 操纵精度的超高精密要求 力学特性的远未明确表征以及仅凭肉眼难以对操纵过程有效监控等方面所带来的诸多挑 战 人工或半自动的微操纵方法表现出明显的局限性 成为了制约微机电系统进一步发展 形成批量生产能力 提高性价比并迈向实用化的一个急待解决的瓶颈技术 因此 探索新 理论 新机理并发展自动化微操纵技术 已成为目前微机电系统这个新兴技术领域内一个 最基础的 关键的热点研究课题 为此 本学位论文结合浙江省自然科学基金重点项目 基 于声操纵的三维自动微装配理论与实践研究 n o z 1 1 1 0 3 9 3 提出开展基于显徽视觉 反馈的自动化超声微操纵技术的研究 在完成基于p 总线的高帧率嵌入式显微视觉模块 开发 赋予实验室已有声操纵综合实验平台视觉反馈能力的基础上 采用多通道声波合成 的原理 利用相位调整及显微视觉反馈控制策略 实现了一种基于超声辐射力场的二维自 动化微操纵技术 为微机电系统研究和制造提供一种具有自主知识产权的共性技术手段 具体的研究工作体现在 第一章 分析微操纵技术在微机电系统及国民经济发展中的重要作用和地位 说明开 展自动化微操纵技术研究的重要意义 并在阐述微操纵技术在国内外研究现状及其发展趋 势的基础上 对目前最具发展潜力的微操纵技术 基于超声辐射力场的徽操纵技术的研 究现状进行系统概括 对其存在的问题进行评述 为论文研究指明方向 第二章 在明确基于显微视觉反馈的自动化超声徽操纵系统功能及性能需求的基础上 以p 总线为信息传输桥梁 采用模块化设计策略 完成系统总体方案的设计 第三章 根据总体方案 开展基于显微视觉反馈的自动化超声微操纵系统的核心模块 研究 实现基于p 总线的多通道超声信号发生器模块及高帧率嵌入式显微视觉模块的研 发 第四章 开展了基于超声辐射力场的自动化微操纵关键技术的研究 在研究基于相位 i i l 调整的超声微操纵技术及物方远心镜头标定技术的基础上 实现了微构件位姿亚像素精度 的检测 并提出了变步长的控制策略 发展了一种基于显微视觉反馈的自动化超声微操纵 技术 第五章 在完成基于p 总线的多通道超声信号发生器 高帧率嵌入式显微视觉模块 研制的基础上 集成开发了一套具有显微视觉反馈的自动化超声微操纵实验平台 并利用 该平台开展了实验研究 证实本文技术的可行性和有效性 第六章 对全文的工作进行总结 并对以后的工作进行展望 关键词 微机电系统 自动化徼操纵 声操纵 显微视觉反馈 a b s t r a c t t h ei n i c r o r m i l i p u l a t i o nt e c h l o l o g y 嬲a 幽do fk e ya n dc o m m o nm e t h o d 印p l i e di n b a s i cr e s e a r c k t e c l l i l o l o g yi l i l p l e m e n t a t i 0 玛s y s t e md e s i g n d e v e l o p m e n t 舳dp r o d u c t 缸e g r a t i o n 邪s e m b l yi l l t h e 雠l do fm e m s i sp a i di n o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb ya l l g o 憎衄e m sa n ds c h o l a r s i nt h el a s t 3 0y e a r s n u m e r o u si i l i c r o m 砌p u l a t i o nm e t h o d sb a s e d o nd i 丘i e r e ms 呲e g i e sh a eb e e ns t u d i e da i l dd e v e l o p e dt os t e pi n t oap 瞅i c a la p p l i c a t i o ns t a g e b y u s i i 坞m a n u a l a n ds e i i l i a u t o m a t i ci i l i c r o m 枷p u l a t i o nm o d e s h o w e v e r w i t h 铲e a t c l l a l l e n g e s o fm i i l i a t u r 讫a t i o no fi i l i c r o o b j e c t s r e q u i r e m e n t o f l l i g hp r e c i s i o mp o o r c h a r a c t e r i z a t i o no fi i 圮c h a l l i c a lp r o p e r t i e s 锄dd i 伍c u h yo fm o 血o r i l l gb yn a k e de y e s t h e l i m i t a t i o no fm 雅u a l s e m i a u t o m a t i cm i c r 0 m a n i p u l a t i o nm e t h o d sw a sc l e a r l y 印p e a r e da i l d b e c 锄eab o t t l e n e c ko f 觚h e rd e v e l o p m e m b a t c hp r o d u c t i o 玛k 曲p e 而糊ep r i c er a t i 0 锄dp r a c t i c a la p p l i c a c i o ni i l m s 删c hi st h e 蝣e n tp r o b l e mw a i t 崦t 0b es o l v c d h e n c e e x p l o r i i l gn e wt h e o r i e sm l dm e c l l a 血s i n st od e v e l o pa m o m a t i ci i l i c r o m 撕p u l a t i o nt e c 置1 1 1 0 l o g y i sn o w t h em o s tb 嬲i ca n dk e y t o p i ci i lm e m sf i e l d t h e r e f o r e t h et e c l l r l o l o g y o fa u t o m a t i cu l t r a s o i l i c m i c r o m a m p u l a t i o n b a s e do n 戚c r 0 v i s i o nf e e d b a c kw a ss t u d i e d 证u 缸sd i s s e r t 蕊 玛w k c hw 硒哪r t e db yk e yp r o j e c to f n a t u 均ls c i e n c ef o d a t i o no fz h e j i a i l gp r o v i i l c e r e s e a r c ho nt h e o 巧觚da p p l i c a t i o no f a u t o i n a t i c3 dl i l i c r 0 弱s e m b l yt e c h n o l o g b 2 u s e do na c o 呶i c 耻血p u l a t i o n n o z 1 110 3 9 3 o nt h eb a s i so fc o m p l e t 岫gt h ed e v e l o p m e mo ft h eh i g hs p e e de m b e d d e di i l i c r 0 v i s i o nm o d u l e b a s e do np b u s 嬲w e l la so fe n d o w i i l gt h ea b i l i t yo fl l l i c r o v i s i o nf e e d b a c kt ot h ea c o u s t i c m a l l i p u l a t i o ne x p e r i m e mp h t f b me x i s t e d i no u rh t 0 1 哟 ak i i l do f2 一da u t o 盥t i c m i c r o m a l l i p u l a t i o nt e c h l o l o g yb a l s e do nu l t r a s o i l i cr a d i a t i o nf o r c ef i e l d a sd e v e l o p e db y u t i l i z i l l gt h es y n t h e s i st e c h n o l o g yo fm u h i c lu l t r a s o l l i cs i g i l a l t h ec o i i t r o l l h 培s t r a t e g yo f p h a s ea d j u s t n 圮n ta n di i l i c r o v i s i o nf e e d b a c k np r o v i d e sag e n e r a ls o l u l c i o nw i t hs e l f o w 1 1 e d 硫e l l e c t u a lp r o p e n r i g h t sf o rt 1 1 er e s e a r c ha n dp r o d u c t i o no fm e m s t kd e t a i l e dc o n t e m so f t h i sd i s s e r t a t i o na sf o u o w c 珥 t e r1 b yd i 鼢j s s i n gt h er o ka n ds t a t u so fl l l i c r o m a l l i p u l a t i o nt e c h n o l o g yi i lm e m s a n dt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o m le c o n o m y t h e s 逸1 1 i f i c a n c e t 0c o n d u c tt l l er e s e a r c ho n 卸t o n 谢i c i i l i c r o 一础m i p u h t i o nt e c h n o l o g yw 嬲 d e s c r i b e d n er e s e a r c hg 眦l l so ft h e m i c r o m a l l i p u l a t i o nt e c l l l l o l o g yb a s e do nu l t r a s o m cr a d i a t i o nf o r c ef i e l dw a ss y s t e m a t i c a u y s u 舢n a r 谤d i t sp r o b l e m sw e r eo b s e r v e da n dt h er e s e a r c hd c t i o nw a sp o 硫e do u t v c h a p t e r2 a c c o r d i l l gt ot h ed e m a n d so fm r 科i o l l s 觚df e a t u r e so fa u t o m a t i cu l t r a s o m c 1 1 1 i c r 0 m 砌p u l a t i o ns y s t e mb 舔e do ni n i c r o v i s i o n 南甜b a c kt h eg e n e r a ls c h e m e o ft l l i ss y s t e m w 弱d e s i g n e db ym e a n so fp b u s a sa 旬r a i l s m i n i l l gb r i d g eo fi n 旬r m a t i o na j l du s i i l gm o d u l a r d e s i g ns t r a t e g y c l l a m e r3 c o r i i i i l gt 0t l l eg e n e r a ls c h e n l e s o m ek e yn 的d u l e so ft t l i ss y s t e mi i l c l u d i i l g t h en m l t i c h a n n e lu h r 嬲o i l i cs i g n a lg e n e r a t o r 趾dt h eh i g hs p e e de n l b e d d e di i l i c r o v i s i o n l o d u l eb a s e do np b u sw e r ed e v e l o p e d c h a p t e r4 k e yt e c l l i l o l o g i e s o fa m o m a t i ci i l i c r 0 一m a m p u l a t i o nb a s e do nu l t r a s o 血 r a d i a t i o n f o r c ef i e l dw e r es t u d i e d s u bp i x e l2 u c c 城l c yt 0m e 栅et h ep o s i t i o na i l dp o s eo f m i c r 0 o b j e c t sw 嬲r e a l 讫e db ys t u d y i l l gt h eu h 脚n i cm i c r 0 m a n i l m l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n p h a s e 删u s t m e m 锄dt h ea c c u r a t ec a l i b r a t i o nt e c l l i l o l o g y 如r t h eo 场e c t s i d e dt e l e c e m r i c i t y a n d ak i r l do fa h e r a b l es t 印c o n t r 0 is t r a t e g yw 硒a l s op r o p o s e d t h e n t h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c u n r a s o n j ci i l i c r 0 一i i l 乏u l i p u l a t i o nb a s e do ni l l i c r o v i s i o n 危e d b a c kw 嬲d e v e l o p e d c h a p t e r5 o nt h eb 雒i so fc o m p l e t i i l gt h ed e v e l o p m e mo ft h e 删j h i c h a n n e lu l t r a s o i l i c s 逸n a lg en e 呲0 ra n dt h eh 适hs p e e de n l b e d d e dm i c r 0 v i s i o nm o d u l eb a s e do np b u s 锄 e 印e r i i i i e mp l a t f o r n lw i t ht h e a b i l i t yo fa u t o m a t i cu l t r a s 0 心i i l i c r o 一呻u l a t i o nb a s e do n i i l i c r o v i s i o n 危e d b a u c k 榔硫e g r a t e d t h 毗r e h t i v ee x p e r 证1 e m sw e r ec o n d u c t e db ym e a n so f d b o v ep l a t f o n na j l dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h et e c b 啪l o g yp r o p o s e di i lt l l i sd i s s e r t a t i o ni s f e 嬲i b l ea n de 施c i e n t c h 印t e r6 t h er e s e a r c hr e s u h so ft m sd i s s e n 撕o nw e r es u m m a r 协d 锄dt h e 缸u r e r e s e a r c hw o r k sw e r ea of o r e c a s t k 叻州o r d s m e m s a l t o m t i c m i c r o m a i l i p u l a t i 0 1 1 肖心o u s t i cm a i l i p u l a t i 0 玛 m i c r 0 v b i o nf e e d b a c k v l 致谢 两年半的硕士生涯即将结束 意味着我的求学生涯也将告一段落 在这即将踏出学 校 走向工作岗位之际 回想在浙大求是园这近七年的求学之路 不禁感慨万千 因此 我要向在此期间关心 帮助和支持我的老师 同学及家人致以衷心的感谢和崇高的敬意 由衷地感谢我的导师杨克己教授 进入实验室已四年有余 自始至终得到了杨老师 的精心指导和热情帮助 让我在求学的过程中逐渐成长 恩师以其卓越的人格魅力 务实 的工作作风 渊博的学术知识 永无止境地钻研精神 缜密的思维方式 废寝忘食的工作 热情 豪爽的性格以及爱学生如子的教学风格给我留下了刻骨铭心的记忆 衷心感谢实验室武二永博士 范宗尉博士 陈剑博士 周红明博士 贾坤博士 吴施 伟博士 孟坚鑫博士 吴海腾博士 邵雨良硕士 郁严锋硕士 方文平硕士 张冰冰硕士 刘昌华硕士 邵泉钢硕士 吴佳杰硕士 温家华硕士 王璞玉硕士 周洁硕士 夏军建硕 士 刘日明硕士 毛磊硕士 闻明硕士 吴程程硕士 于刚硕士 王尚进硕士 赵志栋硕 士 尤超勤硕士 支文琪硕士 陈坤硕士等在科研和生活中的帮助 从他们身上我学到了 许多做人 治学之道 对我有很大的促进 与他们相处总是让人倍感和谐 是他们使我在 紧张学习和研究的同时也充满着欢乐 衷心感谢我的好友许俊龙 梁文军 周冠雄 徐冠华 郑山 王晓丁 章婷 曹国顺 郑少渠 陈景财等给予我莫大的鼓励和帮助 诚挚友情我将永远镌刻于心 衷心感谢父母二十五年如一目的悉心栽培 他们对我的支持 鼓励和无微不至的关怀 让我能潜心科研和学习并顺利完成学业 他们任劳任怨地辛勤付出终将得到回报 钱飞立 二零一二年二月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 本文的研究意义 第一章绪论 微机电系统 砸m s 是将微电子电路 微机械 微执行器 徽传感器 微机器视 觉和微能源等有机集成 具有复杂功能和微小尺度的一类光机电一体化产品 表现出 传统宏观机电系统难以媲美的性能 在国民经济和国防建设领域具有广阔的应用前景 蕴含巨大的市场潜力 据市场调查公司y o l ed e v e l o p m e m 的统计 2 0 0 7 年全球m e m s 市场总值为7 l 亿美元 保守估计2 0 1 2 年将达到1 4 0 亿美元 复合年均增长率 c a g r 达到1 4 l o 微机电系统作为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术 面对其研 究对象尺寸的微型化 制造技术追求高深宽比的三维化以及制造工艺和材料的多样化 所带来的挑战 在近三十年的发展历程中 对微米级乃至纳米级尺度下的微构件实施 可控操纵 进而实现有效装配一直以来具有强烈的需求 2 1 3 4 5 1 6 特别是随着微机电 系统领域从原先注重单元零部件的生产向现在的混合复杂系统的集成方向高速发展 微操纵技术更加体现出其重要性和迫切性 成为了制约微机电系统进一步发展 形成 批量生产能力 提高性价比并迈向实用化的一个急待解决的瓶颈技术川 8 9 1 日益引 起各国政府及广大研究人员的高度重视 有关部门纷纷投入大量人力和物力开展相关 研究 l o l l 对于微纳尺度微构件的操纵技术 目前的研究尚处于探索阶段 主要是针对微构 件的抓取 传输 定位 释放等基本过程的操纵机理及装置而展开 就操纵方式来看 主要分为接触型操纵方式与非接触型操纵方式 利用接触型操纵技术进行的微操纵过 程中 由于微结构空间尺寸的限制 以及微构件和操纵机构之间存在范德华力 m d e r w h l s 旬r c e s 静电力 e l e c t r o s t a t i cf o r c e s 毛细力 c a p i l l a r yf o r c e s 等强烈的作用 加之其可控性还远未得到解决 造成仅对微构件在抓取后如何释放就已经成为一个十 分棘手的技术难题1 1 2 并存在定位困难 精度难以保证等致命缺陷 因此 这类操纵 方式的有效性受到普遍的质疑 1 3 而采用非接触操纵方式 不仅不存在空间尺寸的约 束 也无因接触带来表面力的影响 这种操纵方式是一种前景十分广阔的技术 必将 浙江大学硕士学位论文绪论 成为今后的发展主流 1 4 15 1 考虑到微机电系统所具有的特点 一种对于微构件无损 非接触的遥操纵技术已成为当前研究和发展的主体 超声波以声辐射力 a c o u s t i c r a d i a t i o n f o r c e 的形式表现出其力学特性 在生物组织和细胞的分拣 俘获以及声悬 浮方面已证实了较好的非接触操纵潜力 同时超声波具备激光所没有的穿透能力及其 丰富的内容 另外作为发射超声波的压电陶瓷还具有易于微型化的特点 因此 利用 超声波作为能量传递 传输手段 发展一种声操纵技术并应用于微机电系统中 必将 有其自身的技术优势 但是 面对操纵对象尺度的微型化 操纵精度的超高精密要求 力学特性的远未明确表征以及仅凭肉眼难以对操纵过程有效监控等方面所带来的诸 多挑战 人工或半自动的微操纵方法表现出明显的局限性 基于以上背景 本学位论文结合浙江省自然科学基金重点项目 基于声操纵的三 维自动微装配理论与实践研究 n o z 1 1 1 0 3 9 3 提出开展基于显微机器视觉反馈的 自动化超声微操纵技术的研究 在完成基于p 总线的高帧率嵌入式显微机器视觉模 块开发 赋予实验室已有声操纵综合实验平台视觉反馈能力的基础上 采用多通道声 波合成的原理 利用相位调整及显微视觉反馈控制策略 实现一种基于超声辐射力场 的二维自动化微操纵技术 为微机电系统研究和制造提供一种具有自主知识产权的共 性技术手段 1 2 徽操纵技术的研究现状及其发展趋势 1 2 1 徼操纵理论研究日益深入 理论体系逐步形成 随着微构件尺寸的降低 表面力超过体积力占据主导地位 如表1 1 所示 在微 操纵过程中 范德华力 静电力及毛细力等粘附力取代了重力成为主导力 1 6 为了明 确微纳尺度下粘附力的力学特性及其模型 大量学者对其进行了较为系统的探索性研 究 并取得了一些阶段性成果 表1 2 表1 3 和表1 4 所示分别为相关学者基于理论 模型提出的范德华力 毛细力及静电力的力学表达式 从上述表格可以看出 目前对 于微观尺度下的力的特性及力学模型的研究大多是停留在理论阶段 其接触面基本为 平面一平面 平面一球面和平面一锥面等规则的几何平面 其研究成果还不能完全用 于实际操纵过程中 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 表1 1 不同尺度下的主导力 相互距离主导力 大于1m m 几n m 到1m m o 3 舯 重力 g r a v 埘 毛细力 c 印i l l a r yf 抵e s o 3 砌 分开距离 9 6 m h z 满足m t 9 p 0 3 1 的最大输出时钟频率 而且v p i f 口支持i t u b t 6 5 6 i t u b t 11 2 0 s m t p e2 9 6 及鼬w 咖a 格式的数据 7 0 我们设计的高帧率摄像机的原 始图像经由f p g a 预处理后 输送到v p i f 口 其输出的数据格式可以根据具体应用 而具体设置 本论文为了实现实时视觉反馈的目的 采用勋wc a p t u r em o d e 其传输 方式见图3 1 0 当采用 1 wc a m u r em o d e 时 v p i f 口最多可以传送1 2 b i t 的数据 满 足m t 9 p 0 3 1 中1 2 b 的输出的要求 1 s d n 1 曲i n p u t 矗n d o 啤 u t 2 s 翻 2 c h i n p u t a n d 饿印i n v p i fc h a n n e io 吲 v p l fc h a n n d1 芝 v p l fc h a n n e 2 一 歪j o v p i fc h a n n e i3 一 w v1 c hl n p u t a n d 饿坤u t j 一 参v p l fc h a n n e io v p i fc h a n n e l f c 爰 扫 一 v p l fc n a n n e 2r y 一 d v p l fc h a n n e l3 c 一 i nt h i sc a s e 鲫yo u t p u tf o r m 猷 b 一6 5 6 a n d8 t 1 1 2 0 nb ea 穗v 搬d 舔 1 3 4 r a wc a o 毫u 偿m o d e s y n c h r o n i 鞠们n s 嘧n a l sa 他d e v e d 图3 1 0v p i f 输入输出模式 l wc a m u r em o d e 中除了1 2 b i t 的数据信号之外还有3 个同步信号 用于识别图 像的整体信息 它们分别是时钟信号c l k 行同步信号r a whv a l i d 及帧同步信号 r a wvv a l i d 只有当r a wv 1 i d 及r a whv a l i d 同时有效的时的数据才是我们真正感 兴趣的图像数据 因此我们按照要求设计了f p g a 的相关时序 2 增强型d m a 通道 e d m a 经由f p g a 预处理后的图像数据通过v p i f 的c 1 1 a 衄e lo 1 通道经由 t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 内部的e d m a 通道存储到d d r 2 存储器 f l o 中断 a r m 中p c i 类型中断 i l 的中断 嘲中断姜窭要 霎器 l 一 a r m 关闭镜头中断 启动 c c i n t o e d m a 传输 m a 完成中断 图3 1 1 图像采集及处理板卡与上位机交互架构示意图 浙江大学硕士学位论文基于p x i 总线的相关功能模块的研发 e d m a 是c 6 2 1 列c 6 7 1 列c 6 4 x 特有的增强的直接存储器访问方式 是用于快速数据交换的 重要技术 通过设置编程控制e d m a 控制器 可以实现大量数据在系统内部各处间 转移 也可以实现将内部和外部存储与每个具有e d m a 能力的外设连接起来 一般 而言 e d m a 控制器能够访问其需要的任意资源区而无需让c p u 本身介入 在传输 完成后再通过中断通知c p u 实现独立于c p u 的后台批量数据传输的能力 7 1 l 7 2 1 7 3 1 正是基于e d m a 技术独立于c p u 的后台批量数据传输的能力 能够满足实时图 像处理中高速数据传输的要求 本论文中采用v p i f 到d d r 2 的e d m a 通道以及d d r 2 通过p c i 到上位机的e d m a 通道 具体流程如图3 1 1 所示 循环从上位机发起 通 过中断机制确保各模块的协调工作 上位机开始运行连续采集图像程序后 触发删 中的p c i 中断 在删的p c i 中断服务程序中 使能镜头中断v p i f 在镜头中断 服务程序中启动v p i f 到d d i 毪的e d m a 传输 e d m a 传输完成中断c c t o 中断 服务程序中 清除中断标志位 触发上位机的i n t a 中断 并启动d d r 2 通过p c i 到 上位机的e d m a 传输 上位机i n t a 中断服务程序中 清除中断标志 显示图像 触 发删中p c i 中断 实现高帧率连续采集图像的功能 3 高吞吐量的d d 陀存储器 1 6 b i t 3 2 b i t d d r 2 d o u b l ed a t a 胁e2 s d 删是由庄d e c 电子设备工程联合委员会 进行开发的新生代内存技术标准 它与上一代d d r 内存技术标准最大的不同就是 虽然同是采用了在时钟的上升 下降延同时进行数据传输的基本方式 但d d r 2 内存 却拥有两倍于上一代d d r 内存预读取能力 即 4 b i t 数据读预取 换句话说 d d r 2 内存每个时钟能够以4 倍外部总线的速度读 写数据 并且能够以内部控制总线4 倍的 速度运行 因此其数据吞吐率更快 t m s 3 2 0 d m 6 7 外设中自带了d d l 也的控制器 基于存储速度及空间的考虑 我们选择了两片d d i 迎芯片m t 4 7 h 6 4 m 1 6 存储器实现无缝连接 d d r 2 的时钟频率 设置为2 9 7 z 数据吞入率为2 9 7 z 2 3 2 b 1 9 g b p s 完全满足我们的要求 由于d m 6 4 6 7 的d d r 2 接口与其兼容的d d i 毪存储器是无缝连接的 d d r 2 部分的原理图部分设计并不复杂 但这部分信号却是整个硬件系统中板级速度最快的 因此这部分的p c bl a v o u t 成为关键的环节 l a y o u t 不好可能造成系统远行不稳定甚 至无法跑起来 在l a v o u t 中要着重留意的是该部分涉及到的阻抗匹配 层叠结构 浙江大学硕士学位论文基于p x i 总线的相关功能模块的研发 互联拓扑结构 信号延时匹配等有关高速p c b 信号完整性的要求 信号完整性中最常见的问题就是信号的反射 反射会造成信号过冲和振铃 如果 过冲和振铃的幅度达到了判断门限 就会影响到电平的判断 出现错误的时序信号 7 4 7 5 7 6 1 要减小信号的反射就要使驱动端与接收端的阻抗匹配 我们采用源端匹配 控制信号走线的阻抗来实现阻抗匹配 p c b 的层叠结构对阻抗影响很大 因此必需要选择一个好的层叠结构 一般信号 以地 g n d 或者电源层作为参考平面 高速信号会优先选择沿着信号走线的垂直方 向作为回流路径 所以为了保证尽可能短的回流路径和阻抗的连续性 关键的信号必 需有一个完整的参考平面 基于对信号完整性及电源完整性的考虑 图像采集板卡采 用了8 层p c b 的层叠结构s 1 g n d s 2 伊w 鼬 g n d s 3 p w 刚s 4 高速信号走s 2 及s 3 信号珐e 除了阻抗匹配和层叠结构的设计 d d r 2 信号走线还涉及到互联拓扑结构 间距 要求 串扰 等长匹配等要求 针对这些要求 我们制定如下策略 位置摆放 如图3 1 2 所示 两片d d i 也与t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 之间的摆放位置有一定要求 其 中要求x 1 6 6 0 m i l s y 1 2 8 0 m i l s yo 低e t 6 5 0 m i l s 且在灰色区域内不能有其它非 d d i 迎信号经过 图3 1 2d d r 2 与d m 6 x 的位置关系 走线分组 d d r 2 的l a y o u t 除了对布局有上述的要求 对信号的走线更是有自己的要求 d d r 2 控制器包含很多信号 这些信号的种类可以分为不同的信号组 如时钟信号 簟i l y 土 浙江大学硕士学位论文基丁 p x l 总线的相关功能模块的研发 数据信号 地址和命令信号组 如图3 1 3 所示 布线的时候 同一组的信号线尽量要 走在同一层 控制器 图3 1 3d d r 2 信号的分类 存储器 走线拓扑结构 d d i 也的不同信号组之间有不同的走线拓扑结构 如图3 1 4 所示 时钟 地址和 桀 命令控制信号为两片d d r 2 芯片共用 走线拓扑结构为t 型走线 其中a 要尽可能 大 b c 要尽可能小 同时b c 要尽可能等长 数据及数据时钟信号走线拓扑中 尽量保证e 0 e 1 e 2 e 3 走线等长 a 时钟 地址和命令控制信号拓扑结构 b 数据时钟及数据信号拓扑结构 图3 1 4 关键信号的走线及拓扑结构 等长匹配 d d i 也的时钟信号 地址信号和其它的控制信号全部等长匹配 长度误差控制在 5 0 m i l 以内 d d r 2 时钟线c l p 和c k n 为差分线 要按照差分线要求来走线 两条 时钟线的长度要控制在2 5 i i l i l 的误差内 并且尽量减小非耦合的长度 差分阻抗为 浙江大学硕士学位论文基于p x i 总线的相关功能模块的研发 1 0 0 q 时钟线可以比地址和其它信号线长2 0 5 0 血l d d i 匕的数据信号d q d q s 0 3 d m 0 3 全部等长匹配 长度误差控制在2 5 1 1 1 i 1 可以比地址线长 但不要短 线间距 问距的控制要考虑阻抗要求和走线的密度 通常采用的间距原则是1 w 或者3 w 如果有足够的空间来走线 可以将数据线按3 w 的间距来走 可以减小很多串扰 如 果实在不行至少要保证1 w 的间距 除此之外 数据线与其它信号线的间距至少要有 3 w 的间距 能大则大 时钟与其它的信号线的间距至少也要保持3 w 并尽可能的 大 绕线的间距也可以采用l w 和3 w 原则 应优先用3 w 原则 4 百兆带宽的p c i 接口 t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 提供的p c i 接口工作在3 2 b i t 3 3 m h z 其带宽为1 3 2 m b s 图 像采集及处理板卡通过v p i f 采集到图像信息 经由e d m a 通道存储于d d i 也中 此 时上位机可以通过p c i 通道直接获取d d r 2 中的相关信息 整个流程中都满足带宽的 需求 另外p 机箱可以同时插入多块p c i 接口的板卡 因此我们也能实现多块板卡 的协同工作 为图像的并行处理提供了实现的方式 7 7 1 通过p c i 接口 我们不仅可以从下位机获取图像信息 同时我们也可以从上位机 把相关程序烧写到下位机 从而实现p c ib o o t 的功能 p c ib 0 0 t 的流程如图3 1 5 所 示 把图像采集板卡插到机箱的相应插槽中 一旦机箱上电 t m s 3 2 0 d m 6 4 6 7 会自 动检测删b 0 0 tc o i l f i g u r a t i o n 删b o o t r e g i s t c r 来判断当前板子采用什么启 动模式 我们可以通过配置b o o tm o d e 的电平拨码开关状态来选择不同的b o o t 模式 本论文采用p c ib o o t 模式 因此一旦p o w e ro n 读取到删b 0 0 1 r e g i s t e r 的值为 p c ib 0 0 t 模式后 程序自动会跳转到0 x 0 0 0 08 0 0 0 的位置运行内部固化的r b l u pp c ii m e r 饥e 然后等待b o o tc o m p l e t eb i t 的置位 与此同时 上位机应用程序把 编译好的u b l 通过p c i 烧写到o x l 0 0 10 0 2 0 的位置 把u b l 的入口地址写到0 x l o o l 7 e 8 0 并把b o o t s t a t 寄存器中的b 0 0 tc o m p l e t e b c 位置1 这样控制权就从上 位机又重新回到了下位机 下位机芯片内部就会运行p c i 载入的u b l u b l 主要对 采集板卡进行了初始化 然后跳转到p c ib o o t 程序 等待上位机再次置b c 位f 上 位机把相关代码由p c i 烧写进去之后会置b c 位 检测到b c 位置1 后 就会传递 u b o o t 的e m 珂p o i n t 这样接下来就会运行u b 0 0 t 了 3 2 浙江大学硕士学位论文基于p x i 总线的相关功能模块的研发 电源开启 i 一 运行i m l ii 一 唤醒p c l il 一 等待外部主机拷贝u b l 到 l l 认m i 一 外部主机设置切扎的入口 地址 o l 0 0 1 7 e 8 0 外部主机置b c 位 外部主机设置p c l 及下载u b l 一 外部主机设置u b l 信息 i 一 外部主机触发u b l 图3 1 5p c ib 0 0 t 流程 基于上述的研究 本小节研制了基于p 总线的图像采集及处理板卡 其实物如 图3 1 6 所示 图3 1 6 基于p 总线的图像采集及处理板卡实物图 3 3 浙江大学硕士学位论文 基于p x i 总线的相关功能模块的研发 3 3 本章小结 本章就基于p 总线的多通道信号发生器及高帧率摄像系统的设计进行了深入 的研究 分析了高帧率摄像系统的设计理念 着重阐述了基于p 总线的图像采集板 及处理卡的设计构思及实现过程 浙江大学硕士学位论文基于显微视觉反馈的自动化超声微操纵关键技术的研究 第四章基于显微视觉反馈的自动化超声徼操纵关键技术的研究 本章摘要 在研究基于相位调整的超声微操纵技术及物方远心镜头标定技术的基础上 实 现了亚像素精度的徽构件位姿检测 并提出了一种变步长的控制策略 发展了一种基于显徼视觉 反馈的自动化超声微操纵技术 4 1 基于相位调整的超声微操纵技术 由于受到超声换能器带宽限制 以往通过调整声波频率移动操纵对象其移动距离 有限 7 8 1 难以满足大范围操纵的需求 为此 本部分开展一种基于相位调整的声操纵 技术研究 多束平面波干涉叠加 其合成驻波声场所产生的超声辐射力场呈现梯度力分布形 式 即所谓的声势阱 a c o 戚i cp o t e m i a lw 色n 7 9 1 当微构件位于声势阱附近时 超 声辐射力场与微构件之间构成虚拟的弹簧 质量块系统 各处的超声辐射力均指向声 势阱中心 而其大小正比于微构件偏离势阱中心的偏移量 因而保证微构件能够被稳 定地俘获于声势阱中 实现俘获操纵 并且 当微构件一定时 超声辐射力场中声势 阱的空间分布及其力学特性完全取决于合成声场的性质 特别是与构成合成声场的各 平面波分量间的相位有关 因此 通过调整各束平面波间的相对相位 能够实现声势 阱的迁移 从而引起俘获于声势阱内的微构件在声势阱牵引下发生相应的平移运动 达到微构件空间平移操纵的目的 而运动的方向 速度及其空间轨迹将由相位调整量 的相关参数控制 8 0 1 l 埘 k 2 y o z x 图4 1 两束平面波波矢分布图 如图4 1 所示 两束平面波相互干涉叠加后合成一维驻波声场 两束平面波的波 矢分别为j c 1 七 p x c s 学 e y s f n 专匀 j 2 七 一e x c s 孚 e y s n 气冷 其中 3 5 浙江大学硕士学位论文 基于显微视觉反馈的自动化超声微操纵关键技术的研究 k 等为声波数 a 为声波长 砂为两束平面波的波矢夹角 e x p y 分别为x 轴和y 轴方向的单位向量 两束平面波及其合成的一维驻波声场的声压分布为 p 1 p o e 一 一k l r 一妒1 4 1 p 2 p j e 一 一丘2 r 一妒2 4 2 p f t t p 1 p 2 2 p o c o s 七 r 书p e c 一 上 r j 咀笋码 4 3 式中妒 妒2 分别为两束平面波的初相角 分量波矢j c c 和j 上为 j c i 学 脚7 l 詈e z 4 4 h 半 一咖s 詈e y 4 5 因此 我们可以通过调整两列入射平面波的初相位妒1 和缈2 可以使合成声场沿x 轴分布发生相应的变化 导致声势阱产生迁移 从而带动声势阱中的微构件进行平移 i 三柬乎面波的液矢分布 捌钿黼掣 b 撼值与糨位分布 左 慑擅分书 右鹰 趣缘分带 图4 2 三束平面波合成二维驻波场及其幅值 相位分布图 图4 2 所示为三束平面波合成二维驻波声场及其幅值 相位分布 可见二维驻波 场与一维驻波场类似 可以通过调整相位差来实现声势阱的迁移 从而移动相应的微 构件 为研究微构件在超声辐射力作用下产生的位移量与相位变化之间的定量关系 以 声压节点表征声势阱的分布 根据声压节点的定义 节点处声压恒等于零 于是有任 意时刻三柬平面波在波节处的声压波动所对应的3 个旋转矢量和为零 因此 合成声 场声压节点的空间坐标要满足下列两个方程组之一 曩雾k譬 l 豢 公 一羹 一 足羹 o 浙江大学硕士学位论文 基于显微视觉反馈的自动化超声微操纵关键技术的研究 篮 牌 r j 1 r 一七2 r j 1 r j i 3 r 缈2 一妒1 2 m 1 7 r 警 r 妒3 一妒2 2 m 2 7 r 孚 r 妒3 一妒 2 n 1 7 r 警 r 妒2 一缈3 2 n 2 7 r 芋 4 6 4 7 式中仇1 7 n 2 n 1 和n 2 为任意整数 由此可推导出当第f 束平面波相位改变 妒f 声压 节点将沿波矢 方向迁移 一等竽 因此 只要控制好平面波的相位 就能实现微 构件在二维空间的移动 四种沿 x x y y 典型平移方向说对应的相位调整分 别为 m 卜一丌孚刘文卜一巧孚刈 妒2 一 妒1 妒2 一 缈1 y 胁一丌竿训 y 胁一丌孚刈 4 8 l 妒2 妒1l 妒2 妒l 为了验证了该方法的可行性和有效性 我们将三个相同频率的超声换能器按图 4 2 a 所示摆放于玻璃水槽中 并以放置于水中的s i 0 2 微粒为操纵对象 通过改变各 换能器激励电信号的相位使得声压节点的空问分布产生相应的移动 从而导致微构件 的平移运动