CN110068278A - 基于fpga的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统及方法，该系统包括依次设置的照明模块、待测光纤预制棒、光学成像模块、图像传感器、信号放大模块、A/D转换模块、FPGA、网络微处理器以及数据传输模块。该方法包括：平行光管照射待测光纤预制棒，经会聚透镜成像于线阵CCD上；线阵CCD采集的模拟图像依次经信号放大、A/D转换变为数字信号；FPGA对数字信号进行滤波，并测量待测预制棒的尺寸参数；将测量结果存储至FPGA的RAM中并传输至网络微处理器，再进行远程数据传输。本发明能实现非接触实时测量光纤预制棒尺寸，且速度快、精度高，并能实现数字化远程传输，且多传输接口能满足不同场合的工作需求，有利于提高光纤预制棒的质量以及生产效率。

Description

基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统及方法

技术领域

本发明属于测量系统技术领域，特别是一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统及方法。

背景技术

随着光通信以及其它光纤应用技术的发展，对各种类型光纤的需求量逐渐增大，而光纤预制棒是光纤设计制造形成的最初产品，但它基本决定了成品光纤的特性和质量，如何提高光纤预制棒的产量和质量是当下一直研究关注的重要问题。

光纤预制棒的性能检测一般包括几何参数、折射率分布以及内部结构缺陷等内容，其中对预制棒几何参数的检测最基本，也是生产过程中最容易做到实时控制的一环。几何参数，包括纤芯直径、包层厚度、纤芯和包层截面形状的椭圆度以及预制棒的长度等，都是决定预制棒尺寸质量的重要因素。现在行业内通常采用手工方法(千分尺、游标卡尺等)来检测，且需要对成品预制棒样品做破坏性检测，这样不仅效率低，而且测量结果受主观因素影响也较大，对预制棒制作过程的反馈也不够及时，从而不可避免的造成人力物力资源的浪费。此外，预制棒尺寸在线实时测量的一个重要目的是为了实现加工过程中对预制棒工艺尺寸的控制，因此测量数据的共享是非常必要的，现在行业内基本没有考虑这一点。

现场可编程门阵列(FPGA)器件是最近若干年来新兴起来的一门集成电路技术。利用它不但可以方便地构建逻辑模块，也可以构建存储器、以及并行数据处理模块等，能大大减小电路的体积和数据处理的实时性。结合FPGA对光纤预制棒进行实时在线测量具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量效率快、测量精度高、能实现测量数据实时共享的非接触式、非破坏式光纤预制棒尺寸实时测量系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，包括依次设置的照明模块、待测光纤预制棒、光学成像模块、图像传感器、信号放大模块、A/D转换模块、FPGA、网络微处理器以及数据传输模块；其中待测光纤预制棒、光学成像模块、图像传感器的中心位于同一水平线上，待测光纤预制棒的轴向沿竖直方向且与光学成像模块的光轴垂直；

在光纤预制棒制造过程中，所述照明模块为待测光纤预制棒提供照明，以使待测光纤预制棒经光学成像模块成像于图像传感器，FPGA为信号放大模块、A/D转换模块提供工作时序控制信号，图像传感器采集的模拟图像依次经信号放大模块、A/D转换模块处理后转换为数字信号，FPGA对数字信号进行滤波，并测量待测光纤预制棒的尺寸参数，之后将测量结果存储至FPGA的双口RAM中并传输至网络微处理器，再通过数据传输模块将数据远程传输至上位机。

一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量方法，包括以下步骤：

在光纤预制棒制造过程中：

步骤1、平行光管照射待测光纤预制棒，经会聚透镜成像于线阵CCD上；

步骤2、线阵CCD采集的模拟图像依次经信号放大模块、A/D转换模块处理后转换为数字信号；其中，FPGA为信号放大模块、A/D转换模块提供工作时序控制信号；

步骤3、FPGA对数字信号进行滤波，并测量待测光纤预制棒的尺寸参数；

步骤4、将步骤3的测量结果存储至FPGA的双口RAM中并传输至网络微处理器，再通过数据传输模块进行远程数据传输。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)测量手段采用平行光投影成像的方式进行测量，是非接触式、非破坏性的测量手段，不会对生产过程中的预制棒造成任何物理影响，从而提高工业流水线上的成品率；2)FPGA作为测量系统的主控制器，其内部丰富的逻辑资源和存储单元，可方便地进行图像数据的并行处理，以使在预制棒生产过程中能实时获取其各项几何参数，提高了测量的效率，从而便于操作员对生产流水线进行及时的控制和调整；3)采用高分辨率的线阵CCD作为图像采集器件，提高了测量精度；4)对测量数据进行实时共享，且数据传输时提供了串口与以太网口两种通讯接口，能满足不同场合下的工作需求；5)进一步提供的基于W7100的以太网通信接口，能实现对生产线的远程控制，和标准串口相比，具有信号传输快、通信距离长的优势，能方便远程计算机多点同时监测生产线。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统结构示意图。

图2为本发明A/D转换模块电路示意图。

图3为本发明FPGA内部功能模块示意图。

图4为本发明网络微处理器电路示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，包括依次设置的照明模块1、待测光纤预制棒2、光学成像模块3、图像传感器4、信号放大模块5、A/D转换模块6、FPGA7、网络微处理器8以及数据传输模块；其中待测光纤预制棒2、光学成像模块3、图像传感器4的中心位于同一水平线上，待测光纤预制棒2的轴向沿竖直方向且与光学成像模块3的光轴垂直；

在光纤预制棒制造过程中，照明模块1为待测光纤预制棒2提供照明，以使待测光纤预制棒2经光学成像模块3成像于图像传感器4，FPGA7为信号放大模块5、A/D转换模块6提供工作时序控制信号，图像传感器4采集的模拟图像依次经信号放大模块5、A/D转换模块6处理后转换为数字信号，FPGA7对数字信号进行滤波，并测量待测光纤预制棒2的尺寸参数，之后将测量结果存储至FPGA7的双口RAM中并传输至网络微处理器8，再通过数据传输模块将数据远程传输至上位机。FPGA内的模块如图3所示。

进一步优选地，照明模块1采用平行光管。

示例性优选地，光学成像模块3采用会聚透镜。

示例性优选地，图像传感器4采用线阵CCD。

示例性优选地，FPGA7采用Xilinx SPARTAN-6系列的XC6SLX9；网络微处理器8采用以太网嵌入式微处理器W7100，其与FPGA之间的数据交换通过16位I/O口实现，如图4所示；A/D转换模块6采用AD9826如图2所示，其为16位A/D转换器，具有自动增益调整、内部参考等功能。

进一步优选地，数据传输模块包括两种数据传输方式：串口通信9、以太网通信10。

示例性优选地，数据传输模块通过UART或TCP/IP协议将数据远程传输至上位机。

进一步地，待测光纤预制棒2的尺寸参数包括：测量待测光纤预制棒2棒芯的直径、包层的厚度以及棒芯与包层是否同心。

本发明一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量方法，包括以下步骤：

在光纤预制棒制造过程中：

步骤1、平行光管照射待测光纤预制棒，经会聚透镜成像于线阵CCD上；

步骤2、线阵CCD采集的模拟图像依次经信号放大模块、A/D转换模块处理后转换为数字信号；其中，FPGA为信号放大模块、A/D转换模块提供工作时序控制信号；

步骤3、FPGA对数字信号进行滤波，并测量待测光纤预制棒的尺寸参数；

步骤4、将步骤3的测量结果存储至FPGA的双口RAM中并传输至网络微处理器，再通过数据传输模块进行远程数据传输。

示例性优选地，滤波具体为中值滤波，中值滤波器的滤波窗口根据实际情况进行选择调整。

进一步地，步骤3测量待测光纤预制棒的尺寸参数具体为：

平行光管照射待测光纤预制棒成像于线阵CCD，根据待测光纤预制棒的结构，线阵CCD上包括三个像素值：待测光纤预制棒棒芯成像部分的像素值p1、待测光纤预制棒包层成像部分的像素值p2、其余部分的像素值p3；

步骤3-1、根据待测光纤预制棒棒芯成像部分的像素值p1，求取待测光纤预制棒的棒芯直径d₁：

式中，n₁为像素值为p1的像元个数，l为CCD像元的宽度，k为光学成像模块成像倍数，k＜1；

步骤3-2、根据待测光纤预制棒包层成像部分的像素值p2，求取待测光纤预制棒包层的厚度，包括两部分：棒芯一侧包层的厚度d₂、棒芯另一侧包层的厚度d₃：

式中，n₂为所述棒芯一侧像素值为p2的像元个数，n₃为所述棒芯另一侧像素值为p2的像元个数；

步骤3-3、根据d₂、d₃确定待测光纤预制棒的棒芯与包层的是否同心，若d₂＝d₃，则棒芯与包层同心，反之两者不同心。

本发明能实现非接触实时测量光纤预制棒尺寸，且速度快、精度高，并能实现数字化远程传输，且多传输接口能满足不同场合的工作需求，有利于提高光纤预制棒的质量以及生产效率。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，其特征在于，包括依次设置的照明模块(1)、待测光纤预制棒(2)、光学成像模块(3)、图像传感器(4)、信号放大模块(5)、A/D转换模块(6)、FPGA(7)、网络微处理器(8)以及数据传输模块；其中待测光纤预制棒(2)、光学成像模块(3)、图像传感器(4)的中心位于同一水平线上，待测光纤预制棒(2)的轴向沿竖直方向且与光学成像模块(3)的光轴垂直；

在光纤预制棒制造过程中，所述照明模块(1)为待测光纤预制棒(2)提供照明，以使待测光纤预制棒(2)经光学成像模块(3)成像于图像传感器(4)，FPGA(7)为信号放大模块(5)、A/D转换模块(6)提供工作时序控制信号，图像传感器(4)采集的模拟图像依次经信号放大模块(5)、A/D转换模块(6)处理后转换为数字信号，FPGA(7)对数字信号进行滤波，并测量待测光纤预制棒(2)的尺寸参数，之后将测量结果存储至FPGA(7)的双口RAM中并传输至网络微处理器(8)，再通过数据传输模块将数据远程传输至上位机。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，其特征在于，所述照明模块(1)采用平行光管。

3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，其特征在于，所述光学成像模块(3)采用会聚透镜。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，其特征在于，所述图像传感器(4)采用线阵CCD。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，其特征在于，所述FPGA(7)采用Xilinx SPARTAN-6系列的XC6SLX9；所述网络微处理器(8)采用以太网嵌入式微处理器W7100；所述A/D转换模块(6)采用AD9826。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，其特征在于，所述数据传输模块包括两种数据传输方式：串口通信(9)、以太网通信(10)。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量系统，其特征在于，所述待测光纤预制棒(2)的尺寸参数包括：测量待测光纤预制棒(2)棒芯的直径、包层的厚度以及棒芯与包层是否同心。

8.一种基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在光纤预制棒制造过程中：

步骤1、平行光管照射待测光纤预制棒，经会聚透镜成像于线阵CCD上；

步骤2、线阵CCD采集的模拟图像依次经信号放大模块、A/D转换模块处理后转换为数字信号；其中，FPGA为信号放大模块、A/D转换模块提供工作时序控制信号；

步骤3、FPGA对数字信号进行滤波，并测量待测光纤预制棒的尺寸参数；

步骤4、将步骤3的测量结果存储至FPGA的双口RAM中并传输至网络微处理器，再通过数据传输模块进行远程数据传输。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量方法，其特征在于，所述滤波具体为中值滤波。

10.根据权利要求9所述的基于FPGA的非接触式光纤预制棒尺寸实时测量方法，其特征在于，步骤3所述测量待测光纤预制棒的尺寸参数具体为：

平行光管照射待测光纤预制棒成像于线阵CCD，根据待测光纤预制棒的结构，线阵CCD上包括三个像素值：待测光纤预制棒棒芯成像部分的像素值p1、待测光纤预制棒包层成像部分的像素值p2、其余部分的像素值p3；

步骤3-1、根据待测光纤预制棒棒芯成像部分的像素值p1，求取待测光纤预制棒的棒芯直径d₁：

式中，n₁为像素值为p1的像元个数，l为CCD像元的宽度，k为光学成像模块成像倍数，k＜1；

步骤3-2、根据待测光纤预制棒包层成像部分的像素值p2，求取待测光纤预制棒包层的厚度，包括两部分：棒芯一侧包层的厚度d₂、棒芯另一侧包层的厚度d₃：

式中，n₂为所述棒芯一侧像素值为p2的像元个数，n₃为所述棒芯另一侧像素值为p2的像元个数；

步骤3-3、根据d₂、d₃确定待测光纤预制棒的棒芯与包层的是否同心，若d₂＝d₃，则棒芯与包层同心，反之两者不同心。