金珍珍， 梅武軍， 周衛(wèi)華， 林海波

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 浙江 臺(tái)州 318000； 2.浙江大學(xué) 臺(tái)州研究院， 浙江 臺(tái)州 318000)

隨著先進(jìn)制造業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)線材孔徑檢測(cè)精度的要求也越來(lái)越高。目前，大多數(shù)線材都是通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)的，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量和高合格率，不僅要求生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)速度快、效率高，還要求孔徑檢測(cè)精度高、分辨率高以及實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量[1]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)零件尺寸的測(cè)量系統(tǒng)做了不少深入研究。吳海濱等[2]提出了基于面陣CCD的高速線材測(cè)徑仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但測(cè)量精度只能達(dá)到20 μm，精度有待提高；邵偉業(yè)等[3]在刀具尺寸測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用了線陣CCD和STM32 控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，精度有待提高；孟蔓菁等[4]提出了基于線陣 CCD 的激光投線儀檢測(cè)技術(shù)，在CCD圖像采集系統(tǒng)中采用FPGA來(lái)輸出CCD驅(qū)動(dòng)，并研究了如何提高圖像采集精度的問(wèn)題；胡剛[5]在線陣CCD和STM32 控制器的有效結(jié)合上進(jìn)一步優(yōu)化了采集速度，圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理有待提高；劉瑞蘭[6]在選用線陣CCD的基礎(chǔ)上利用FPGA和上位機(jī)相結(jié)合設(shè)計(jì)了光強(qiáng)自動(dòng)采集系統(tǒng)。當(dāng)前市場(chǎng)上針對(duì)線材的孔徑測(cè)量系統(tǒng)也有相應(yīng)的產(chǎn)品，但以國(guó)外產(chǎn)品居多，且價(jià)格昂貴，不可針對(duì)企業(yè)實(shí)際需求進(jìn)行定制和拓展，給企業(yè)生產(chǎn)成本增加了不少壓力。因此設(shè)計(jì)一款精度高、響應(yīng)速度快、成本低且可定制的線材測(cè)徑設(shè)備意義重大。

課題組設(shè)計(jì)線材孔徑測(cè)量系統(tǒng)采用FPGA和單片機(jī)共同開發(fā)，采用線陣CCD傳感器，利用硬件控制技術(shù)和軟件算法進(jìn)行優(yōu)化控制，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快和成本低的要求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

孔徑測(cè)量系統(tǒng)以FPGA和STM32單片機(jī)為整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的核心，由激光產(chǎn)生電路發(fā)射準(zhǔn)直光源通過(guò)光學(xué)鏡頭反射到測(cè)量對(duì)象上，通過(guò)線陣CCD圖像傳感器采集激光信號(hào)。線陣CCD傳感器主要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到模擬電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，F(xiàn)PGA 主要負(fù)責(zé)線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的生成，控制A/D轉(zhuǎn)換器件對(duì)線陣CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)字信號(hào)需要在FPGA內(nèi)部的FIFO中進(jìn)行緩存，F(xiàn)PGA內(nèi)部將數(shù)據(jù)修正處理完畢后，緩存在內(nèi)部FIFO存儲(chǔ)器中。單片機(jī)通過(guò)FSMC通信調(diào)取FPGA中的數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)布各種采集命令，經(jīng)過(guò)算法檢測(cè)得到理論數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行光學(xué)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)修正，最后通過(guò)以太網(wǎng)串口傳送測(cè)量結(jié)果到LCD顯示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 測(cè)徑系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Figure 1 Block diagram of aperture measurement system

1.1 激光產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)

投影光源的質(zhì)量可靠性是關(guān)系到測(cè)徑精度的關(guān)鍵因素。投影光源的選擇原則上首先應(yīng)保證平行光的準(zhǔn)直程度；其次，光源應(yīng)有較好的光斑均勻性，以提高投影成像質(zhì)量，減小其對(duì)邊緣定位的影響[7]。因此光源產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)主要包括激光器的選型、光路的設(shè)計(jì)和光學(xué)鏡頭的定制，為系統(tǒng)提供光路不發(fā)散，控制在水平方向±1°的準(zhǔn)直光源。

圖2中激光頭選用型號(hào)為HL6360MG，它是一種半導(dǎo)體激光器，具有穿透性好、光線均勻、轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[8]。透鏡采用柱面鏡，具有良好的速度特性和準(zhǔn)直特性，保證了測(cè)徑系統(tǒng)高精度的直徑測(cè)量。激光頭產(chǎn)生光源經(jīng)過(guò)凸透鏡反射后形成平行光源，當(dāng)照射到被測(cè)線材時(shí)，被測(cè)線材擋住部分光源，成像到線陣CCD上，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)[9]。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直光源的投射。

圖2 激光產(chǎn)生電路示意圖Figure 2 Schematic diagram of laser generation circuit

1.2 線陣CCD的工作原理及型號(hào)

CCD又稱圖像傳感器，可把接收到的光學(xué)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。CCD可分為2類：線陣CCD和面陣CCD，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮和程序排列后，可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤卡保存，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量、分析[9]。

考慮到設(shè)計(jì)要求中對(duì)線陣CCD的光譜靈敏度、轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率、非線性度等要素的影響，本設(shè)計(jì)中采用TCD1501D型的線陣CCD作為圖像傳感器，它是一種高速、動(dòng)態(tài)范圍較大、靈敏度較高、暗電流低等特征的相單溝道型線陣CCD黑白圖像傳感器，像敏單元數(shù)為5 000，適合尺寸測(cè)量[11]。每個(gè)像元的尺寸為7 μm×7 μm，像元中心距為7 μm；像元總長(zhǎng)為35 mm。TCD1501D典型驅(qū)動(dòng)頻率為2 MHz，最高驅(qū)動(dòng)頻率12 MHz，工作時(shí)需要6路驅(qū)動(dòng)脈沖。

1.3 驅(qū)動(dòng)電路

要使得線陣CCD工作穩(wěn)定可靠，必須依靠控制器FPGA輸出符合要求的驅(qū)動(dòng)脈沖與線陣CCD相互配合[12]。設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

由于TCD1501D和FPGA(EP2C8T144C8N)芯片的驅(qū)動(dòng)脈沖電平分別為5.0和3.3 V，因此2者之間需要連接1個(gè)SN74LVC4245 電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)3.3 V轉(zhuǎn)5.0 V的電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)電路如圖3(b)所示。SN74LVC4245芯片具有8個(gè)轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)100 MiB，最高驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)50 mA，可滿足驅(qū)動(dòng)脈沖的要求[13]。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Figure 3 Schematic diagram of driving circuit

1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

由于TCD1501D可輸出最高頻率為12 MHz的輸出像素信號(hào)，輸出每個(gè)像素信號(hào)至少需要采樣1次，因此必須選擇轉(zhuǎn)換頻率為12 MHz以上的A/D轉(zhuǎn)換芯片[14]。結(jié)合輸入信號(hào)幅度和供電電壓等因素，本系統(tǒng)選用TLC5510模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具體電路如圖4和圖5所示。

圖4 CCD輸出預(yù)處理電路Figure 4 CCD output preprocessing circuit

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路Figure 5 A/D conversion circuit

為了消除線陣CCD(TCD1501D)輸出信號(hào)中一些無(wú)用信號(hào)的干擾，圖3中將線陣CCD的OS輸出信號(hào)和DOS補(bǔ)償輸出信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的輸入端，通過(guò)AD8041為核心的差分運(yùn)算放大器電路進(jìn)行信號(hào)放大后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510的模擬輸入端，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化后通過(guò)D1～D8輸出，經(jīng)過(guò)另一電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245接入到FPGA芯片的輸入端[14]。

1.5 FPGA與單片機(jī)的連接電路

電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化和FPGA的處理后，需要通過(guò)單片機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行算法優(yōu)化和數(shù)據(jù)輸出顯示，系統(tǒng)中通過(guò)單片機(jī)STM32F417ZET6來(lái)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA與單片機(jī)之間的連接如圖6所示。

圖6 FPGA和單片機(jī)連接電路圖Figure 6 FPGA and MCU connection circuit

1.6 電源電路

如圖3～6所示，各模塊的電源有不同的電壓需求，分別為12.0，5.0，3.3和1.2 V等，因此在電源設(shè)計(jì)中需要把各電源進(jìn)行有序管理。設(shè)計(jì)中先把交流電通過(guò)變壓器EPC12-5V進(jìn)行變壓輸出得到12.0和6.0 V的交流電壓，再通過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓來(lái)得到相應(yīng)電壓輸出，圖7中各電源之間并聯(lián)輸出。

圖7 電源電路Figure 7 Power circuit

2 測(cè)徑系統(tǒng)軟件

2.1 FPGA軟件流程圖

整個(gè)測(cè)徑系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA的主要作用是為線陣CCD提供6路驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并把A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并輸送給單片機(jī)進(jìn)行算法處理，F(xiàn)PGA的軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 FPGA軟件流程圖Figure 8 Program execution flow chart of FPGA

2.2 單片機(jī)軟件流程

STM32單片機(jī)主要提取FPGA中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的算法處理，得到更加精確的數(shù)據(jù)并輸出，流程如圖9所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試線材測(cè)徑系統(tǒng)的可靠性，樣機(jī)制作完成后對(duì)它進(jìn)行了各項(xiàng)功能測(cè)試。

3.1 波形測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試設(shè)備檢測(cè)，線陣CCD拾取到的光電轉(zhuǎn)換后的波形如圖10所示。從圖10可以看出，波形中包含較多雜波，對(duì)信號(hào)檢測(cè)存在較多干擾。

圖10 原始波形圖Figure 10 Original waveform

經(jīng)過(guò)1次濾波后的波形如圖11所示，可以看出1次濾波后干擾信號(hào)大大減少。

圖11 1次濾波后所得波形Figure 11 Waveform after one filtering

一階低通濾波后所得波形如圖12所示。

圖12 一階低通濾波后所得波形Figure 12 Waveform obtained by first-order low-pass filtering

由圖13可以看出，最后的輸出波形平滑無(wú)雜波，可通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前的波形幅值來(lái)計(jì)算孔徑的大小，有效提高測(cè)量的精度。

圖13 最終波形Figure 13 Final waveform

3.2 精度測(cè)試數(shù)據(jù)

常溫條件下，通過(guò)使用樣機(jī)對(duì)1～5 mm的常用線材孔徑進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 孔徑測(cè)量結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可知，該測(cè)徑系統(tǒng)針對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的孔徑測(cè)量誤差在5 μm以內(nèi)，測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

課題組基于FPGA和STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了孔徑測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為控制器，利用線陣CCD作為光信息采集系統(tǒng)，通過(guò)FPGA輸出脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)CCD采集光源信號(hào)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析了測(cè)徑控制系統(tǒng)的性能，驗(yàn)證了系統(tǒng)基本能夠滿足線材孔徑測(cè)量的要求，線陣CCD數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)到1 kHz，測(cè)量誤差控制在5 μm以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)1～25 mm的線材孔徑的測(cè)量。相比其他控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制精度可靠、模塊化設(shè)計(jì)、可定制、成本低，能夠更好地實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)線材孔徑測(cè)量的要求。但在今后工程應(yīng)用中測(cè)量精度和采集速度還有進(jìn)一步提高的空間，將在后續(xù)的研究中優(yōu)化和完善。