CN113218306B - 一种基于fpga的光斑位置探测系统与方法 - Google Patents

一种基于fpga的光斑位置探测系统与方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113218306B
CN113218306B CN202110465565.7A CN202110465565A CN113218306B CN 113218306 B CN113218306 B CN 113218306B CN 202110465565 A CN202110465565 A CN 202110465565A CN 113218306 B CN113218306 B CN 113218306B
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
fpga
development board
signal
stepping motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110465565.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113218306A (zh
Inventor
宋金会
王志立
张西京
李子兴
孟德峰
柳永博
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202110465565.7A priority Critical patent/CN113218306B/zh
Publication of CN113218306A publication Critical patent/CN113218306A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113218306B publication Critical patent/CN113218306B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明属于光斑位置快速精准探测技术领域,涉及一种基于FPGA的光斑位置探测系统与方法。本发明采用FPGA作为主控芯片,利用硬件描述语言对场景进行建模,通过FPGA开发工具将硬件模型映射到开发板上以完成采集信号、模数转换、结果判断、电机控制等多方面时序要求,配合图像采集卡、上位机和高精度三轴步进电机实现位置探测,在满足市场要求的前提下,具有检测精度高、处理速度快、抗干扰能力强、运行稳定等优点,降低了生产成本,改善了工作环境,缩短了制作周期。

Description

一种基于FPGA的光斑位置探测系统与方法
技术领域
本发明属于光斑位置快速精准探测技术领域,涉及一种基于FPGA的光斑位置探测系统与方法。
背景技术
随着精密工业及导弹制导等领域的不断发展,光斑位置探测在工业精密检测以及导弹制导等领域受到极大的欢迎,市场对光斑位置检测系统的精度、效率、容错率都提出了更为严格的要求。
陈杜等人在“四象限红外探测器信号处理系统”(科学技术与工程,2006(05):611-615)中提出现有的光斑探测器有很多种,主要有电荷耦合器件、位置敏感器件以及四象限探测器。其中最常用的四象限探测器是把四个性能完全相同的光电探测器按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件,是目前广泛使用的多元非成像探测器。龚元霞等人在“基于四象限的光斑位置探测系统设计”(科学技术创新,2020(28):38-39)中阐述了其探测光斑的原理:当光照射到探测器上,探测器的光敏面会形成四个单独的区域,由于光斑占用每个区域的面积不同,从而换算出光斑占用光敏面四个区域的光电压不同,来解算光斑实际位置。发明专利“一种用于四象限光电探测器位置测量的快速标定方法”(申请号:CN201910978033.6)中使用位移测量标准装置对光电探测器进行标定,通过最小二乘法等一系列算法测量激光截面直径,然后代入位置测量模型实现该模式下的位置测量。这种方法原理简单,成本不高,有着多样的解算方式,但在不同的光斑模式下,其算法的线性范围、灵敏度等有着较大的差异,且辨别精度受到计算方式、光斑均匀性、光斑大小、背景光噪声等多种因素的影响,实际应用中对于不同的探测要求,需要花费很大精力寻找满足需求的算法以提高系统的探测范围与探测精度。
传统的基于四象限的光斑位置探测方法在可靠性、抗干扰能力、质量体积等诸多方面仍存在些许不足。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA的光斑位置探测方法。本发明采用FPGA(Field-Programmable Gate Array)作为主控芯片,利用硬件描述语言对场景进行建模,通过FPGA开发工具将硬件模型映射到开发板上以完成采集信号、模数转换、结果判断、电机控制等多方面时序要求,配合图像采集卡、上位机和高精度三轴步进电机实现位置探测,在满足市场要求的前提下,具有检测精度高、处理速度快、抗干扰能力强、运行稳定等优点,降低了生产成本,改善了工作环境,缩短了制作周期。
本发明采用更可靠的光电探测器阵列,将光电流读取后转换为光电压并与标准电压矩阵作比较,利用反馈信号对激光光斑位置进行跟踪以实现目标位置的探测,针对不同情景可采用不同的标准电压矩阵,灵活性、可靠性及探测效率更高、抗干扰能力更强,可用于精确激光制导及跟踪定位等方面。
本发明解决问题的技术方案是:
一种基于FPGA的光斑位置探测系统,包括上位机1、激光发生装置2、光电二极管阵列4、PCB电路板5、三轴步进电机6、软排线7、FPGA开发板10、恒压电源箱13和图像采集卡15;
所述的激光发生装置2与上位机1相连,通过上位机1调控激光强度及光斑大小;所述的光电二极管阵列4集成于PCB电路板5上,光电二极管阵列4位于激光发生装置2下方,激光光斑照射在光电二极管阵列4上;所述的PCB电路板5固定在三轴步进电机6上,PCB电路板5通过软排线7与FPGA开发板10连接;所述的图像采集卡15安装在上位机1的主板上,所述的FPGA开发板10通过Camera Link接口模块11与图像采集卡15连接,所述的上位机1通过USB接口模块14与FPGA开发板10连接,所述的FPGA开发板10通过软排线7与三轴步进电机6的触发信号源连接,所述的三轴步进电机6可通过控制触发信号源的高、低电平实现加速、减速定向移动。
所述的光电二极管阵列4边长为40-60mm,单个光电二极管外径为4-6mm,在光照时会产生电流,且随着光照强度增加,产生的光电流也会不断增加,独立集成在PCB电路板5并连接至外围读取电路。
所述的PCB电路板5上设有外围读取电路,包括选通模块、滤波模块、信号放大模块和模数转换模块;所述的选通模块与光电二极管阵列4连接,依次选取单个光电二极管进行信号输出,输出后的信号经由滤波模块后传送至信号放大模块,所述的滤波模块可以抑制和防止来自外界的干扰噪声,所述的信号放大模块将电流信号放大成电压信号,所述的模数转换模块将信号放大模块产生的电压信号转换为数字信号进行传输。
所述的FPGA开发板10上集成有晶振模块8、I/O接口模块9、Camera Link接口模块11、供电模块12和USB接口模块14;所述的晶振模块8可调节PCB电路板5采集信号的频率为0.2KHz-5MHz;FPGA开发板10通过I/O接口模块9与PCB电路板5和三轴步进电机6连接,以实现信号控制与信息传输;FPGA开发板10通过Camera Link接口模块11与图像采集卡15连接;所述的Camera Link接口模块11将模数转换后的数字信息传送给图像采集卡15。所述的供电模块12由恒压电源箱13供电,为整个FPGA开发板10供电;FPGA开发板10通过USB接口模块14与上位机1连接,将上位机1处理后的数据反馈给FPGA开发板10中的FPGA芯片。
一种基于FPGA的光斑位置探测方法,采用上述探测系统,具体步骤如下:上位机1调控激光发生装置2至所需的激光波长及光斑大小,激光垂直照射在光电二极管阵列4表面,被照射到的光电二极管产生光电流并输出至PCB电路板5读取电路;对FPGA开发板10供电后,通过与PCB电路板5连接的I/O接口模块9和晶振模块8调节采集频率,依次选通每个光电二极管进行信号读取、滤波放大、模数转换;转换后的数字信号由图像采集卡15传送至上位机1端,上位机1利用自身软件可将获取信号直接转换为灰度图进行直观输出,同时将获取信号与标准电压矩阵作对比,并把结果反馈至FPGA开发板10;针对反馈信息,FPGA开发板10判断三轴步进电机6位置是否需进行调整,若符合预设标准,则锁定三轴步进电机6位置不动,否则对三轴步进电机6的触发信号源发出对应指令以控制其携同PCB电路板5进行x、y、z三轴位置调整;位置调整完毕后三轴步进电机6将“完成”信号反馈至FPGA开发板10,重新进行一次信号采集,直至上位机1收到的数字信号符合预设标准并锁定三轴步进电机6的位置。
本发明的有益效果:
1.本发明可以通过改变激光光斑直径、上位机预设矩阵标准值、光电二极管尺寸及间距来控制光斑位置探测系统所要实现的精度。
2.本发明在实际生产生活中具有很高的灵活性。可以通过调整硬件描述语言实现不同的采集频率和采集方式,当稳定性要求高时可适当降低采集频率,当灵敏性要求高时可采用较快的采集频率。
3.本发明中PCB电路板的滤波模块可有效提高电路的抗干扰能力。
4.本发明中图像采集卡可将收集到的数字信号转换为灰度值后直接在上位机显示图像,提高了采集系统的实时性。
附图说明
图1是本发明的整体框架示意图。
图2是本发明涉及到的控制流程示意图。
图3是本发明的系统结构示意图。
图中:1-上位机,2-激光发生装置,3-激光光斑,4-光电二极管阵列,5-PCB电路板,6-三轴步进电机,7-软排线,8-晶振模块,9-I/O接口模块,10-FPGA开发板,11-Camera Link接口模块,12-供电模块,13-恒压电源箱,14-USB接口模块,15-图像采集卡。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。
如图3所示,本发明的一种基于FPGA的光斑位置探测系统,包括上位机1、激光发生装置2、光电二极管阵列4、PCB电路板5、三轴步进电机6、软排线7、FPGA开发板10、恒压电源箱13、图像采集卡15及集成在FPGA开发板10上的晶振模块8、I/O接口模块9、Camera Link接口模块11、供电模块12、USB接口模块14。
下面结合图1和图2进一步说明本发明的工作原理:上位机1控制激光发生装置2产生直径为1mm的激光光斑3,垂直照射在边长为50mm的3*3的光电二极管阵列4表面,选取的光电二极管外径为6mm,在光照时会产生电流,且随着光照强度增加,产生的光电流也会不断增加。FPGA开发板10的供电模块12在恒压电源箱13的供电下开始工作,供电后的FPGA开发板10通过晶振模块8,经由与PCB电路板5相连的I/O接口模块9和软排线7调节光电二极管阵列4的采集频率为2Mhz。在FPGA开发板10的控制下,选通模块选中的光电二极管进行电流输出,并依次流经滤波模块、放大模块、模数转换模块,转换后的数字信号经过I/O接口模块9和软排线7传送至FPGA开发板10。FPGA开发板10将接收到的数字信号通过Camera Link接口模块11传递给图像采集卡15,利用上位机1中软件可将图像采集卡15采集到的信号直接转换为灰度图进行输出,通过灰度图可以直接观测到激光3目前的照射位置。同时,上位机1将接收到的信号与预设标准电压矩阵作对比,判断出高精度的三轴步进电机6需要完成的动作,并将该信息通过USB接口模块14传送给FPGA开发板10,FPGA开发板10将动作信息通过I/O接口9发送给三轴步进电机6的触发信号源以控制其发生位移,待位移完成后,三轴步进电机6将“完成”信号反馈至FPGA开发板10,FPGA开发板10重复进行光电二极管阵列4的电流读取直至其输出信号符合上位机1的预设标准,最终锁定三轴步进电机6的位置。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的光斑位置探测方法,其特征在于,该方法基于一种光斑位置探测系统实现,所述的光斑位置探测系统包括上位机(1)、激光发生装置(2)、光电二极管阵列(4)、PCB电路板(5)、三轴步进电机(6)、软排线(7)、FPGA开发板(10)、恒压电源箱(13)和图像采集卡(15);
所述的激光发生装置(2)与上位机(1)相连,通过上位机(1)调控激光强度及光斑大小;所述的光电二极管阵列(4)集成于PCB电路板(5)上并连接至外围读取电路,光电二极管阵列(4)位于激光发生装置(2)下方,激光光斑照射在光电二极管阵列(4)上;所述的PCB电路板(5)固定在三轴步进电机(6)上,PCB电路板(5)通过软排线(7)与FPGA开发板(10)连接;所述的图像采集卡(15)安装在上位机(1)的主板上,所述的FPGA开发板(10)通过Camera Link接口模块(11)与图像采集卡(15)连接,所述的上位机(1)通过USB接口模块(14)与FPGA开发板(10)连接,所述的FPGA开发板(10)通过软排线(7)与三轴步进电机(6)的触发信号源连接,所述的三轴步进电机(6)可通过控制触发信号源的高、低电平实现加速、减速定向移动;
所述的PCB电路板(5)上设有外围读取电路,包括选通模块、滤波模块、信号放大模块和模数转换模块;所述的选通模块与光电二极管阵列(4)连接,依次选取单个光电二极管进行信号输出,输出后的信号经由滤波模块后传送至信号放大模块,所述的滤波模块抑制和防止来自外界的干扰噪声,所述的信号放大模块将电流信号放大成电压信号,所述的模数转换模块将信号放大模块产生的电压信号转换为数字信号进行传输;
所述的FPGA开发板(10)上集成有晶振模块(8)、I/O接口模块(9)、Camera Link接口模块(11)、供电模块(12)和USB接口模块(14);所述的晶振模块(8)可调节PCB电路板(5)采集信号的频率为0.2KHz-5MHz;FPGA开发板(10)通过I/O接口模块(9)与PCB电路板(5)和三轴步进电机(6)连接,以实现信号控制与信息传输;FPGA开发板(10)通过Camera Link接口模块(11)与图像采集卡(15)连接;所述的Camera Link接口模块(11)将模数转换后的数字信息传送给图像采集卡(15);所述的供电模块(12)由恒压电源箱(13)供电,为整个FPGA开发板(10)供电;FPGA开发板(10)通过USB接口模块(14)与上位机(1)连接,将上位机(1)处理后的数据反馈给FPGA开发板(10)中的FPGA芯片;
所述的光斑位置探测方法具体步骤如下:上位机(1)调控激光发生装置(2)至所需的激光波长及光斑大小,激光垂直照射在光电二极管阵列(4)表面,被照射到的光电二极管产生光电流并输出至PCB电路板(5)读取电路;对FPGA开发板(10)供电后,通过与PCB电路板(5)连接的I/O接口模块(9)和晶振模块(8)调节采集频率,依次选通每个光电二极管进行信号读取、滤波放大、模数转换;转换后的数字信号由图像采集卡(15)传送至上位机(1)端,上位机(1)利用自身软件可将获取信号直接转换为灰度图进行直观输出,同时将获取信号与标准电压矩阵作对比,并把结果反馈至FPGA开发板(10);针对反馈信息,FPGA开发板(10)判断三轴步进电机(6)位置是否需进行调整,若符合预设标准,则锁定三轴步进电机(6)位置不动,否则对三轴步进电机(6)的触发信号源发出对应指令以控制其携同PCB电路板(5)进行x、y、z三轴位置调整;位置调整完毕后三轴步进电机(6)将“完成”信号反馈至FPGA开发板(10),重新进行一次信号采集,直至上位机(1)收到的数字信号符合预设标准并锁定三轴步进电机(6)的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的光斑位置探测方法,其特征在于,所述的光电二极管阵列(4)边长为40-60mm,单个光电二极管外径为4-6mm。
CN202110465565.7A 2021-04-28 2021-04-28 一种基于fpga的光斑位置探测系统与方法 Active CN113218306B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110465565.7A CN113218306B (zh) 2021-04-28 2021-04-28 一种基于fpga的光斑位置探测系统与方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110465565.7A CN113218306B (zh) 2021-04-28 2021-04-28 一种基于fpga的光斑位置探测系统与方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113218306A CN113218306A (zh) 2021-08-06
CN113218306B true CN113218306B (zh) 2022-02-15

Family

ID=77089543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110465565.7A Active CN113218306B (zh) 2021-04-28 2021-04-28 一种基于fpga的光斑位置探测系统与方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113218306B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111121964A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 南京理工大学 远场激光光斑测量装置

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07234105A (ja) * 1994-02-23 1995-09-05 Wacom Co Ltd 光点位置計測方法
JP4448268B2 (ja) * 2001-08-09 2010-04-07 東海旅客鉄道株式会社 電柱位置検出方法およびこの方法を用いる路線の異常箇所画像収録装置
US7301134B2 (en) * 2005-07-07 2007-11-27 The Aerospace Corporation Electro-optical focal plane array digital sensor system
KR101764169B1 (ko) * 2011-08-19 2017-08-02 삼성전자 주식회사 마스크리스 노광 장치와 이를 이용한 빔 위치 계측 방법
CN102941410B (zh) * 2012-10-18 2015-05-20 北京航空航天大学 一种点扫描三维测量系统振镜标定方法
CN103279921B (zh) * 2013-05-17 2015-12-02 复旦大学 一种图像嵌入式处理系统及低照度图像光点获取与定位方法
CN104625398A (zh) * 2013-11-12 2015-05-20 西安中科麦特电子技术设备有限公司 一种高功率激光光斑控制系统
CN109752855A (zh) * 2017-11-08 2019-05-14 九阳股份有限公司 一种光斑发射装置和检测几何光斑的方法
CN109373816A (zh) * 2018-11-12 2019-02-22 宋兵 一种激光光斑及回波跟踪监测装置
CN110231089B (zh) * 2019-05-24 2020-10-30 武汉大学 星载激光测高仪有源光斑能量探测器及阵列
CN110308453A (zh) * 2019-06-27 2019-10-08 南京理工大学 基于线阵ccd和fpga的多激光光斑位置探测装置及方法
CN110314980B (zh) * 2019-07-23 2020-04-24 大连理工大学 一种金属薄板的线型光斑激光弯曲成形方法
CN110411348A (zh) * 2019-08-28 2019-11-05 中国人民解放军国防科技大学 一种激光光斑焦点的自动化检测与定位装置及方法
CN211219155U (zh) * 2019-12-23 2020-08-11 武汉汉双技术有限公司 一种可调光斑大小的二氧化碳聚焦镜
CN111158011B (zh) * 2020-01-06 2022-08-05 航天金鹏科技装备(北京)有限公司 一种脉冲激光光斑综合测试系统及光斑测试方法
CN111158009B (zh) * 2020-01-06 2022-06-21 航天金鹏科技装备(北京)有限公司 一种脉冲激光光斑跟踪器及光斑跟踪方法
CN112539697B (zh) * 2020-07-14 2022-12-09 深圳中科飞测科技股份有限公司 一种发光装置及其光斑调整方法、检测设备
CN111929796B (zh) * 2020-08-19 2022-07-19 青岛澳瑞德电子有限公司 一种变光斑的光路调节结构
CN112630984A (zh) * 2020-12-30 2021-04-09 南京理工大学 可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置与扫描方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111121964A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 南京理工大学 远场激光光斑测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113218306A (zh) 2021-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110940490A (zh) 一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法及装置
US6606788B1 (en) Component recognizing method and apparatus
CN110238547A (zh) 一种用于测量大功率激光焦点位置的系统及测量方法
CN109269775B (zh) 基于光轴一致性测量的无限逼近自动校正方法及系统
CN115144163B (zh) 一种分区点亮半导体激光器模组的自动化liv测试方法
CN115598626B (zh) 一种激光测距仪偏差校准装置及方法
CN114442556B (zh) 一种基于激光干涉原理的机床快速补偿系统及其补偿方法
CN112539698B (zh) 一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法
CN104469356A (zh) 一种图像传感器特性参数测量分析系统
CN113218306B (zh) 一种基于fpga的光斑位置探测系统与方法
CN207515747U (zh) 一种基于bim的平整度评估装置
CN206818145U (zh) Ccd光电检测装置
CN109922332B (zh) 基于激光线扫描的实时彩色三维成像系统的成像方法
CN114029611A (zh) 一种直接式振镜校正系统及校正方法
US5751011A (en) System for punching holes in a spinnerette
CN201397222Y (zh) 多点挠度快速测量系统
CN218016380U (zh) 一种直接式振镜校正系统
CN101261450B (zh) 一种零位自动可调的调焦调平测量装置及其使用方法
CN100529946C (zh) 自动对焦方法及其应用
CN2935330Y (zh) 光电定向实验仪
JPH0763923B2 (ja) Nc加工装置における原点補正方法
CN115446333A (zh) 振镜校准结构及激光校准方法
CN102043341B (zh) 用于光刻设备的对准信号采集系统与对准方法
CN110736425B (zh) 一种激光投射点坐标测量装置及其测量方法
CN215985739U (zh) 一种干涉滤光片全视场透过率扫描测试装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant