CN201993090U - 基于fpga的激光测径装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的激光测径装置，用于实时检测线缆直径，包括光学机构、光电传感器、放大单元、波形处理单元、模数转换单元、FPGA处理器及显示单元，光电传感器获取待测线缆在光学机构的光路中的光学影像并转换成模拟电信号，通过放大、波形处理及模数转换后转换成数字信号传送至FPGA处理器，并在显示单元显示出该线缆的直径数据，FPGA处理器包括驱动模块、信号提取模块及数据显示模块，信号提取模块提取并转换模数转换单元转换输出的数字信号，并将转换后的数据传送至数据显示模块，数据显示模块与显示单元电连接，驱动模块驱动信号提取模块及数据显示模块，本实用新型的基于FPGA的激光测径装置能够高速可靠的、高精度的在线检测线缆直径。

Description

基于FPGA的激光测径装置

技术领域

本实用新型涉及线缆检测领域，更具体地涉及一种基于FPGA的激光测径装置。

背景技术

近年来，我国线缆行业发展迅速，然而我国的线缆制造企业生产线上大部分没有安装在线检测设备，仍然沿袭落后的劳动密集型生产模式，大部分线缆品种生产工艺落后、产品质量一致性无法得到有效的保证。评价线缆产品品质的重要参数有如外径、偏心指标的在线测量设备，为了提供线缆产品的成品质量，亟待研发能够满足高精度检测要求并适应高速生产线抖动环境的线缆直径在线检测装置。

线缆直径的测量方法有很多，主要分为接触测量和非接触测量两种。其中接触测量方法有直接利用尺寸工具进行抽样检查、电磁式接触测量等。用尺寸工具测量，精度不够且测量速度缓慢，主要用于离线抽样分析场合；用电磁式测量，测量精度和速度都难以得到保证，亦不能满足测量的实时性要求。近年来，科研人员提出了激光扫描成像、光电投影成像、激光衍射等非接触式光电测径原理，通过光电传感器将线缆直径信息转化为电信号进行处理，具有检测快速，测量精度高等特点。

无论是基于何种光电检测原理，其模数转换及后续的信号处理电路的设计直接关系到传感器数据采集及处理的速度和精度指标，是检测装置研发中必不可少的重要环节。目前绝大多数检测装置都是以单片机或数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)作为核心信号处理单元，通过软件的方式来实现检测工作流程的。由于光电传感元件的工作频率往往高达数兆赫兹，而且在线检测方式下高速生产线以及线缆工件抖动的工作环境要求检测装置的检测时间尽可能短。基于单片机的传统设计架构不仅对处理器的最大工作主频具有严格的限制，而且对软件工作方式下带来的程序指令执行时耗、软件***可靠性设计等均提出了更为苛刻的要求。如何在高频环境下满足检测***的高速高精测量指标是检测装置设计工作的关键。

因此，有必要提供一种基于FPGA的激光测径装置来克服上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于FPGA的激光测径装置，以实现对线缆直径的高速可靠的、高精度的在线检测。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于FPGA的激光测径装置，用于实时检测线缆的直径，包括光学机构、光电传感器、放大单元、波形处理单元、模数转换单元、FPGA处理器及显示单元，所述光学机构与所述光电传感器的输入端对接，所述光电传感器的输出端与所述放大单元电连接，所述波形处理单元分别与所述放大单元及所述模数转换单元电连接，所述FPGA处理器分别与所述模数转换单元及所述显示单元电连接，待测线缆横贯于所述光学机构的光路中，所述光电传感器获取待测线缆在所述光学机构的光路中的光学影像并转换成模拟电信号，所述放大单元将所述模拟电信号进行放大，所述波形处理单元将所述放大后的模拟电信号进行波形处理，所述模数转换单元将波形处理后的模拟电信号转换成数字信号并传送至所述FPGA处理器，所述显示单元显示待测线缆的直径数据，其中，所述FPGA处理器包括驱动模块、信号提取模块及数据显示模块，所述信号提取模块分别与所述模数转换单元、驱动模块及所述数据显示模块电连接，所述数据显示模块与所述显示单元电连接，所述信号提取模块提取并处理所述模数转换单元转换输出的数字信号，并将处理后的数据传送至数据显示模块，所述数据显示模块与所述显示单元电连接，所述驱动模块驱动所述信号提取模块及所述数据显示模块。

具体地，所述光学机构包括依次排列的半导体激光器、准直镜及聚光镜，所述准直镜与所述聚光镜位于同一光轴上，待测线缆位于所述准直镜与所述聚光镜之间，所述半导体激光器位于所述准直镜的焦点处，所述光电传感器位于所述聚光镜的焦点处，所述半导体激光器产生激光光源并发射至所述准直镜形成平行光，所述准直镜形成的平行光经过待测线缆遮挡而部分入射至聚光镜上，入射至聚光镜上的平行光经聚光镜汇聚至所述光电传感器上。具体地，所述待测线缆的截面中心位于所述准直镜与所述聚光镜的光轴上且所述待测线缆的轴向与所述光轴正交。所述光电传感器为电荷耦合元件，所述半导体激光器产生的激光经过准直镜后变为平行光，平行光经过被测线缆时，一部分光被物体遮挡，其余光通过聚光镜聚焦照射到电荷耦合元件上，电荷耦合元件内部的像素单元(光敏二极管)在曝光时产生电压信号，而背光时，不产生信号或者产生可以忽略不计的暗电流信号，从而将光学影像转化为电压信号形式。

较佳地，所述半导体激光器与所述FPGA处理器电连接且由所述FPGA处理器的驱动模块驱动产生脉冲激光。激光光源采用脉冲式的工作方式，有利于延长半导体激光器的工作寿命，进一步提高***的稳定可靠性。

较佳地，还包括报警输出单元，所述报警输出单元与所述FPGA处理器电连接。在所述FPGA处理器中可以预设一标准的线缆直径数值，当所测线缆的直径与预设值之间的偏差超过一定范围时，可通过报警输出单元发出报警信号，从而可以实现实时监控的功能。

较佳地，还包括远端输出单元，所述FPGA处理器还包括串行通信模块，所述驱动模块同时驱动所述串行通信模块，所述串行通信模块将所述信号提取模块输出的数据转换并发送至所述远端输出单元，所述远端输出单元可以为计算机，将实时监测的数据信息显示在远端输出单元上，可实现远程的监控。

较佳地，所述显示单元为数码管，选择数码管动态显示方式，可以节省FPGA处理器的IO资源，降低FPGA处理器的功耗。

与现有技术相比，本实用新型的基于FPGA的激光测径装置首先运用激光投影成像测量原理，获得反映待测线缆的直径大小信息的模拟电信号，然后经过放大单元、波形处理单元和模数转换单元，对微弱模拟电信号进行调理后，得到FPGA处理器能够接受和处理的数字信号的电平形式，最后，以FPGA处理器作为核心控制器，基于模块化组件架构思路，设计开发驱动模块、信号提取模块、数据显示模块等基本功能模块，对检测信号进行有效的二值化处理和特征信号提取工作，最终实现检测精度达到17us，检测速度达到10000/秒的检测指标性能。与单片机串行处理机制有所不同，本实用新型的核心处理器选择FPGA，具有事件并行处理能力，且输入输出数量仅受自身IO限制，具有运行速度快，可靠性高的优势，其模块组件均为独立定义的功能单元，能进行独立的设计和部署，并且可以根据需要进行升级和接口扩展。不同模块之间可以互联、通信和调用。本实用新型采用FPGA模块架构设计，将控制、信号处理、显示及通讯功能完全集成于一块FPGA处理器件上，省去了传统的单片机或数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)控制器，将检测过程逻辑硬件化，有效解决了传统的单片机软件处理方式下带来的时耗开支大、检测速度慢，可靠性不高的问题，缩小了控制装置的体积，能够适应较高的生产线速度和线缆抖动工作环境下的实时在线检测。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1为本实用新型的基于FPGA的激光测径装置的结构框图。

图2为本实用新型的基于FPGA的激光测径装置检测线缆的原理示意图。

图3为图1中FPGA处理器的的电路框图。

图4为图3中的驱动模块在QUARTUSⅡ7.0仿真软件上的波形仿真图。

图5为图1中波形处理单元进行波形处理的原理示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

参考图1，本实用新型的基于FPGA的激光测径装置，用于实时检测线缆的直径，包括光学机构20、光电传感器、放大单元30、波形处理单元40、模数转换单元50、FPGA处理器60及显示单元70，在本实用新型的优选实施例中，所述光电传感器采用CCD传感器24(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)，所述光学机构20与所述CCD传感器24的输入端对接，所述CCD传感器24的输出端与所述放大单元30电连接，所述波形处理单元40分别与所述放大单元30及所述模数转换单元50电连接，所述FPGA处理器60分别与所述模数转换单元50及所述显示单元70电连接，待测线缆横贯于所述光学机构20的光路中，所述CCD传感器24获取待测线缆10在所述光学机构20的光路中的光学影像并转换成模拟电信号，所述放大单元30将所述模拟电信号进行放大，所述放大单元30可采用普通的放大电路来实现，以及所述模数转换单元50，所述两部分的原理及电路图为本领域技术人员所熟知，在此不作进一步阐述。所述波形处理单元40将所述放大后的模拟电信号进行波形处理，所述模数转换单元50将波形处理后的模拟电信号转换成数字信号并传送至所述FPGA处理器60，所述显示单元70显示所述待测线缆10的直径数据，其中，所述FPGA处理器60包括信号提取模块61、驱动模块62及数据显示模块63，所述信号提取模块61分别与所述模数转换单元50、驱动模块62及所述数据显示模块63连接，所述数据显示模块63与所述显示单元70电连接，所述信号提取模块61提取并处理所述模数转换单元50转换输出的数字信号，并将处理后的数据传送至数据显示模块63，所述数据显示模块63与所述显示单元7电连接，所述驱动模块62驱动所述信号提取模块61及所述数据显示模块63。

配合参考图2，具体地，所述光学机构20包括依次排列的半导体激光器21、准直镜22及聚光镜23，所述准直镜22与所述聚光镜23位于同一光轴C上，待测线缆10位于所述准直镜22与所述聚光镜23之间，所述半导体激光器21位于所述准直镜22的焦点处，所述CCD传感器24位于所述聚光镜23的焦点处，所述半导体激光器21产生激光光源并发射至所述准直镜22形成平行光，所述准直镜22形成的平行光经过待测线缆10遮挡而部分入射至聚光镜23上，入射至聚光镜23上的平行光经聚光镜23汇聚至所述CCD传感器24上。所述激光光源可通过反射镜等元件的辅助调整合适位置入射到准直镜22上。具体地，所述待测线缆10的截面中心位于所述准直镜22与所述聚光镜23的光轴C上且所述待测线缆10的轴向与所述光轴C正交。所述半导体激光器21产生的激光经过准直镜22后变为平行光，平行光经过被测线缆10时，一部分光被物体遮挡，其余光通过聚光镜23聚焦照射到CCD传感器24上，CCD传感器24内部的像素单元(光敏二极管)在曝光时产生电压信号，而背光时，不产生信号或者产生可以忽略不计的暗电流信号，从而将光学影像转化为电压信号形式。光学机构20中的准直镜22的选择应保证有足够大的视场以及通光孔径，且保证射出的光线为平行光，对其成像特性方面要求较低，所述准直镜22的主要光学技术参数配置为：焦距：f＝50mm；相对孔径：D/f＝1/4；口径：D’＝Φ60mm。所述聚光镜23的主要作用是汇聚光能，为了充分利用光能，聚光镜23要求通光口径较大。聚光镜23的技术参数配置为：焦距：f＝10.5mmm；口径：D＝Φ12.7mm。所述CCD传感器24是一种半导体器件，能够把光学影像转化为模拟电信号。本实用新型的CCD传感器24的选型主要考虑测量范围和测量精度因素。由于待检测线缆10的测量范围为1mm～20mm，测量精度要求达到17um的检测要求，因此在对CCD传感器24进行选型时，本实用新型的优选了Toshiba(东芝)公司的一款芯片TCD1304DG，芯片主要配置参数为像元为

有效像素个数N＝3648。由于CCD传感器24输出的模拟电信号较为微弱，一般不超过0.5v。因此，必须对CCD传感器24在曝光时产生的小信号进行必要的放大和波形处理后才能进行有效分析。

较佳地，所述半导体激光器21与所述FPGA处理器60电连接且由所述FPGA处理器60的驱动模块62驱动产生脉冲激光。激光光源采用脉冲式的工作方式，有利于延长半导体激光器21的工作寿命，进一步提高***的稳定可靠性。通过光源能谱对CCD传感器24特性参数测量影响的研究，不同的色温(能谱)的光作用于器件时，CCD传感器24的电荷转移效率、响应度R、饱和输出电压Vs等参数基本上不发生变化，因此在设计光源时不必强求应用国际标准光源，本实用新型实施例中优选对CCD传感器24较为敏感的波长为850nm(纳米)红外光源。

较佳地，所述基于FPGA的激光测径装置还包括报警输出单元90，所述报警输出单元90与所述FPGA处理器60电连接。在所述FPGA处理器60中可以建立一比较模块，在其中预设一标准的线缆直径数值，当所测线缆10的直径数据与预设值之间的偏差超过一定范围时，可通过报警输出单元90发出报警信号，例如通过蜂鸣器报警，从而可以实现实时监控的功能。

较佳地，还包括远端输出单元80，所述FPGA处理器60还包括串行通信模块64，所述驱动模块62同时驱动所述串行通信模块64，所述串行通信模块64将所述信号提取模块61输出的数据转换并发送至所述远端输出单元80，所述远端输出单元80可以为计算机，将实时监测的数据信息显示在远端输出单元80上，可实现远程的监控。

较佳地，所述显示单元70为数码管，选择数码管动态显示方式，可以节省FPGA处理器60的IO资源，降低FPGA处理器60的功耗。

本实用新型的数据采集与信号处理部分的具体原理过程如下：

以东芝公司的TCD1304DG型CCD传感器24为例说明CCD传感器24的工作原理。根据CCD芯片手册提供的技术资料，要使CCD正常工作，至少需3路驱动，分别为sh，icg，

信号，该3路输入可直接与FPGA处理器60的IO端口相连。TCD1304DG的os信号输出引脚采用外接射集跟随输出方式，用于降低信号输出阻抗，增强信号的驱动能力。由于CCD传感器24的输出信号为模拟量形式，因此采用高速模数转换单元50将其转换为数字量形式后，送入FPGA处理器60进行后续分析。

参考图3，所述驱动模块62用于产生半导体激光器21的驱动脉冲、CCD传感器24的驱动时序及信号提取模块61的信号采样时钟，所述驱动模块由2个进程组成，产生并输出控制CCD传感器24的驱动时序信号sh、icg、fm，输入clk为20MHZ时钟输入，fm为2MHZ输出，信号采样时钟clk_ad频率为5MHZ。当CCD传感器24处于工作状态时，应保证半导体激光器21的驱动脉冲light为高电平。如图3所示，数码管显示模块主要扫描模块saomiao、48译码模块decore4_8组成。扫描模块将数据按个、十、百、千、万进行分离，再将分离出的数据按一定频率扫描输出至duan[0..3]端口，并同时对数码管的该数据显示位进行扫描。分离扫描模块分离的数据为4bit，而数码管显示数据为8bit，decore4-8译码器便是完成数据的转换功能。所述串行通信模块64由波特率发生器、RS-232接收器和RS-232发送器构成。RS-232发送器将准备输出的并行数据按照基本异步串行通信的帧格式转为txd信号串行输出。RS-232接收器接收rxd串行信号，并将其转化为并行数据，由于串并转换的时钟同发送器一样处理，收发设备间的时钟累计时会导致接收数据的不正确。因此，波特率发生器的作用是专门产生一个远远高于波特率的本地时钟信号对输入rxd不断采样，以不断地让接收器与发送器保持同步。

将驱动模块62在QUARTUS II 7.0仿真软件上进行波形仿真后得到图4所示的波形。

对CCD传感器24输出信号处理的好坏直接影响到测径装置的测量精度，是整个设计工作的关键所在。在对CCD传感器24输出信号进行处理时必须首先明确CCD传感器24输出与待测线缆10的直径之间的映射关系。当对一直径为D的待测线缆10进行检测时，CCD传感器24有效像元输出信号如附图5所示。其中L代表线缆10在CCD传感器24上的成像长度。由于在投影成像***中被测线缆10边缘存在光衍射现象，故而CCD传感器24输出存在成像渐变斜坡，线缆10的成像边界便在这个斜坡的某一点上。一块CCD传感器24上包含的像素数越多，其图像检测分辨率也就越高。光敏二极管在感光时产生电荷，电荷的多少跟曝光强度、光波长、周围环境温度等因素都有密切关系，且为曝光强度和光波长的敏感函数。由光学成像理论可知，以CCD传感器24输出图像边界的幅值最大变化率点作为被测线缆10的边界信息时，所测结果与实际结果最为接近，在此将这个幅值变化率最大的点称为边界特征点。为完成对信号边界特征点的软件捕捉功能，所述波形处理单元40可设计一具有适当容量先进先出存储器FIFO(First Input First Output，先入先出队列，简称FIFO)(FIFO的容量由CCD传感器24滤波放大后输出信号边界的宽度决定)，使采样的数据从FIFO中经过；再设计一比较器对FIFO两端数据进行实时比较，显然当比较器测得FIFO两端的数据差值超过特定值K时(K值由CCD处理器经滤波放大后输出信号的峰峰值电压VPP来确定，一般取K＝(5/6)VPP)，表示边界信号数据已在FIFO存储器中，只需将FIFO内存储器数据取出并对相邻数据作差，找到差值最大的两个数据位置即获得信号边界变化率最大的点即边界特征点的位置。线缆10直径D的函数解析式可表示为如下所示：

$D=\frac{f}{d}\×(\mathrm{resualt}\_l+\mathrm{resualt}\_m-\mathrm{resualt}\_r)$

其中，f为聚光镜23的焦距；d为光栅到CCD传感器24的距离参数，均为光学***结构参数。result_l为CCD传感器24采样数据左边界处理结果，result_r为右边界数据处理结果，result_m为中间数据段处理结果。

由于待测线缆10直径的最小分辨率达到微米级，量程为1mm～20mm的数据，因此至少需要5只数码管用于直径显示。可以选择2个四位数码管共8位用于显示被测线缆10的直径数据，高3为显示零，低5位显示直径数据。为节省FPGA的IO资源，降低FPGA的功耗，选择数码管动态显示方式。动态显示即使所有LED数码管共用一个专门的译码控制器，各位数码管逐个轮流受控扫描显示，由于扫描速度极快，显示效果与静态控制相同。

与现有技术相比，本实用新型的基于FPGA的激光测径装置首先运用激光投影成像测量原理，获得反映待测线缆10的直径大小信息的模拟电信号，然后经过放大单元30、波形处理单元40和模数转换单元50，对微弱模拟电信号进行调理后，得到FPGA能够接受和处理的数字信号的电平形式，最后，以FPGA处理器60作为核心控制器，基于模块化组件架构思路，设计开发驱动模块62、信号提取模块61、数据显示模块63等基本功能模块，对检测信号进行有效的二值化处理和特征信号提取工作，最终实现检测精度达到17us，检测速度达到10000/秒的检测指标性能。与单片机串行处理机制有所不同，核心处理器选择FPGA，具有事件并行处理能力，且输入输出数量仅受自身IO限制，具有运行速度快，可靠性高的优势。其模块组件均为独立定义的功能单元，能进行独立的设计和部署，并且可以根据需要进行升级和接口扩展。不同模块之间可以互联、通信和调用。本实用新型采用FPGA模块架构设计，将控制、信号处理、显示及通讯功能完全集成于一块FPGA处理器60件上，省去了传统的单片机或数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)控制器，将检测过程逻辑硬件化，有效解决了传统的单片机软件处理方式下带来的时耗开支大、检测速度慢，可靠性不高的问题，缩小了控制装置的体积，能够适应较高的生产线速度和线缆抖动工作环境下的实时在线检测，满足高频环境下的高速高精度测量指标。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的激光测径装置，用于实时检测线缆的直径，其特征在于，包括光学机构、光电传感器、放大单元、波形处理单元、模数转换单元、FPGA处理器及显示单元，所述光学机构与所述光电传感器的输入端对接，所述光电传感器的输出端与所述放大单元电连接，所述波形处理单元分别与所述放大单元及所述模数转换单元电连接，所述FPGA处理器分别与所述模数转换单元及所述显示单元电连接，待测线缆横贯于所述光学机构的光路中，所述光电传感器获取待测线缆在所述光学机构的光路中的光学影像并转换成模拟电信号，所述放大单元将所述模拟电信号进行放大，所述波形处理单元将所述放大后的模拟电信号进行波形处理，所述模数转换单元将波形处理后的模拟电信号转换成数字信号并传送至所述FPGA处理器，所述显示单元显示待测线缆的直径数据，其中，所述FPGA处理器包括驱动模块、信号提取模块及数据显示模块，所述信号提取模块分别与所述模数转换单元、驱动模块及所述数据显示模块电连接，所述数据显示模块与所述显示单元电连接，所述信号提取模块提取并处理所述模数转换单元转换输出的数字信号，并将处理后的数据传送至数据显示模块，所述数据显示模块与所述显示单元电连接，所述驱动模块驱动所述信号提取模块及所述数据显示模块。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的激光测径装置，其特征在于，所述光学机构包括依次排列的半导体激光器、准直镜及聚光镜，所述准直镜与所述聚光镜位于同一光轴上，待测线缆位于所述准直镜与所述聚光镜之间，所述半导体激光器位于所述准直镜的焦点处，所述光电传感器位于所述聚光镜的焦点处，所述半导体激光器产生激光光源并发射至所述准直镜形成平行光，所述准直镜形成的平行光经过待测线缆遮挡而部分入射至聚光镜上，入射至聚光镜上的平行光经聚光镜汇聚至所述光电传感器上。

3.如权利要求2所述的基于FPGA的激光测径装置，其特征在于，所述待测线缆的截面中心位于所述准直镜与所述聚光镜的光轴上且所述待测线缆的轴向与所述光轴正交。

4.如权利要求1所述的基于FPGA的激光测径装置，其特征在于，所述光电传感器为电荷耦合元件。

5.如权利要求2所述的基于FPGA的激光测径装置，其特征在于，所述半导体激光器与所述FPGA处理器电连接且由所述FPGA处理器的驱动模块驱动产生脉冲激光。

6.如权利要求1所述的基于FPGA的激光测径装置，其特征在于，还包括报警输出单元，所述报警输出单元与所述FPGA处理器电连接。

7.如权利要求1所述的基于FPGA的激光测径装置，其特征在于，还包括远端输出单元，所述FPGA处理器还包括串行通信模块，所述驱动模块同时驱动所述串行通信模块，所述串行通信模块将所述信号提取模块输出的数据转换并发送至所述远端输出单元。

8.如权利要求1所述的基于FPGA的激光测径装置，其特征在于，所述显示单元为数码管。

Images