CN202024736U

CN202024736U - 基于fpga的快速边缘测量装置

Info

Publication number: CN202024736U
Application number: CN2011200934963U
Authority: CN
Inventors: 卢红; 谈小龙; 凌鹤
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2021-04-01

Abstract

本实用新型是一种基于FPGA的快速边缘测量装置，该快速边缘测量装置由光学机械结构、外部硬件电路、基于FPGA的控制系统和控制盒组成，其中：光学机械结构通过数据线与控制盒相连；控制盒包含液晶显示器及按键，内嵌了所述外部硬件电路的电路板和基于FPGA的控制系统的集成电路板。本实用新型既可以用于普通零件的静态边缘测量，又可以满足机械加工过程中运动工件的快速边缘测量，具有使用方便、操作简单、便于搭建和拆卸等优点。

Description

基于FPGA的快速边缘测量装置

技术领域

本实用新型涉及精密测量装置，具体涉及一种基于FPGA技术的快速边缘测量装置。

背景技术

边缘测量是机械工业中常见的测量内容，如机械加工中轴类零件外径的在线测量、生产线中零件的分选等，随着机床导轨、无缝钢管、油田钻杆、冷拉丝线、汽车中的曲轴和凸轮轴、滚动轴承等相关制件的精度水平提高和批量化生产的普及，对于边缘测量技术有了更高的要求，实现快速精确地在线测量是目前的发展趋势。

目前已知的边缘测量方法主要有接触式电感测量、光学照相成像测量和激光三角测量等方法。其中，接触式电感测量法的特点是垂直与水平测量范围较大，动态比率较高，能够综合测量工件的表面微观形貌和表面轮廓，但其速度及效率低，且易磨损划伤工件；光学照相成像测量和激光三角测量等方法效率低，对测量环境要求高，仅仅适用于静态的测量。

在目前已有专利中：

发明专利CN200410037608.8《CCD间隙衍射法微钻直径测量方法及装置》，其特征在于：以激光作光源，经过准直扩束后，形成平行光束，照射在被测微钻与可上下移动的参考棱缘构成的衍射间隙中，通过间隙后的衍射光束再经一会聚透镜，聚焦在位于其焦点平面的CCD接收屏上形成衍射条纹，CCD将摄取的光信号转化为电信号，输出至计算机进行数据处理后，测得微钻直径。

但是，上述专利存在以下缺陷：其测量过程需要将CCD转化的电信号输出至计算机处理得到结果，处理速度低，只能用于静态测量，无法运用于在线动态测量环境。

在目前公开发表的文献中：

文献“一种基于AVR单片机的线阵CCD测量系统”（《苏州大学学报》（自然科学版）2006，V04（34-37）），其特征在于，利用AVR单片机开发的线阵CCD驱动器，和相关数据采集系统通过EPP(enhanced parallel port)协议与计算机通讯，并将其用于测量实验中。

上述文献中的类似测量系统采用的是单片机技术，由于单片机的时钟频率较低，并且需用软件实现数据采集，这使得采集速度和效率降低，大大影响了测量时间。由此可见，对于工程实际中提出的实现快速在线测量和抗外界环境干扰的要求，采用单片机的测量系统无法实现。

综上，为了克服上述已有技术在工况条件下响应速度较慢，难以满足在线动态测量的缺陷，有必要提供一种新型的快速边缘测量装置。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于FPGA的快速边缘测量装置，该测量装置可以实现实时的在线测量，特别是可以运用于振动较大、运动不规律的复杂工况条件。

本实用新型解决其技术问题采用以下的技术方案：

本实用新型提供的基于FPGA的快速边缘测量装置，其由光学机械结构、外部硬件电路、基于FPGA的控制系统和控制盒组成，其中：光学机械结构通过数据线与控制盒相连；控制盒包含液晶显示器及按键，内嵌了所述外部硬件电路的电路板和基于FPGA的控制系统的集成电路板。

所述的光学机械结构可以由成一条直线依次分布的光源发生装置、带通滤波装置、CCD传感器和激光接收装置组成。

所述的光源发生装置附带水平准直调节部分，该装置提供的平行光束为低照度单色光。

所述的外部硬件电路和基于FPGA的控制系统可以采用FPGA开发的可编程控制电路和Verilog HDL控制程序。

上述的外部硬件电路包括CCD驱动电路、信号前置处理电路、A/D采集电路及FPGA芯片集成系统外围电路，其中：CCD驱动电路输出的OS端和DOS端接入信号前置处理电路的输入端；信号前置处理电路的输出端接入A/D采集电路，再联入FPGA系统定义好的8位引脚；A/D采集电路产生8端数字信号输出。

上述的CCD驱动电路可以采用受FPGA控制的驱动CCD传感器的外部电路。

上述的信号前置处理电路可以采用对CCD输出的信号进行包括差动放大、低通滤波在内的基本处理的电路。

上述的A/D采集电路是指可以将信号前置处理电路处理后的信号进行A/D转化的标量化处理电路，该A/D采集电路采用CMOS工艺制造的8位高速并行A/D芯片，最大转换速率为20MSPS。

本实用新型在利用激光技术和CCD应用技术设计光学结构的同时，基于FPGA开发CCD高速驱动系统和高速数据采集系统，因此与现有技术相比具有的优点主要是：本快速边缘测量装置系统驱动频率不低于5MHz，系统采样时间≤1ms，因此，在测量时具有超快的响应速度，不仅使边缘测量的时间较传统仪器有了巨大的飞跃，更实现了对运动工件的实时在线测量。同时，本快速边缘装置的抗扰能力较强，工况条件下的机械振动等低频噪声及光强变化对其测量效果影响极小。所以，本快速边缘测量装置既可以用于普通零件的静态边缘测量，又可以满足机械加工过程中工件在振动较大、运动不规律等多种复杂工况条件下的边缘测量。

本实用新型使用方便，操作简单，便于搭建和拆卸。本快速边缘测量装置尺寸较小，模块独立，一位测量者可以独自迅速组装和连接。测量者操作控制盒来完成所有测量工作。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1中的光学机械结构示意图。

图3是图1中的外部硬件电路原理图。

图4是图1中的基于FPGA的控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本实用新型涉及的基于FPGA的快速边缘测量装置，其结构如图1所示，由光学机械结构、外部硬件电路、基于FPGA的控制系统和控制盒组成，其中：光学机械结构通过数据线与控制盒相连。控制盒包含液晶显示器及按键，内嵌了上述外部硬件电路板、基于FPGA的控制系统的集成电路板。

所述外部硬件电路和基于FPGA的控制系统采用FPGA开发的可编程控制电路和Verilog HDL控制程序。

所述的基于FPGA的控制系统包括高速驱动模块、主控模块、计算模块和显示及通信模块等，系统驱动频率≥5Mhz，采样时间≤1ms。

所述光学机械结构是利用平行截面光切法原理，涵盖激光技术和CCD应用技术设计的一套装置。如图2所示，该光学机械结构由成一条直线依次分布的光源发生装置、带通滤波装置、CCD传感器和激光接收装置组成，其中：光源发生装置将平行激光束照射在被测零件（如轴类零件）的侧面，然后经过带通滤波装置投影在激光接收装置内置的CCD传感器的光敏面上，而后送入外部硬件电路进行后续处理。整个光学机械结构按工况要求进行设计。

上述的光源发生装置附带水平准直调节部分，提供的平行光束为低照度单色光。

上述的被测零件通过装夹装置固定在支撑装置上。装夹装置具有一系列可替换部分构成，便于多种不同测量范围要求的情况下使用，该装夹装置位于光源发生装置和激光接收装置侧。支撑装置位于本实用新型快速边缘测量装置的最底部。

所述光学机械结构的工作过程是：静态测量时可将被测工件置于其装夹位置，机械加工过程的在线测量时可将其置于加工零件的径向位置；被测工件经光路投影在CCD传感器后，产生的信号通过外部硬件电路的处理并在基于FPGA的控制系统的作用下获得被测结果，在操作与显示盒上显示出来。测量者根据实际测量需求使用控制盒进行人工控制。

所述外部硬件电路，是用于光学机械结构和FPGA系统应用的外围硬件电路。如图3所示，该外部硬件电路包括CCD驱动电路、信号前置处理电路、A/D采集电路及FPGA芯片集成系统外围电路，其中：CCD驱动电路输出的OS端和DOS端接入信号前置处理电路。信号前置处理电路的输出端联入A/D采集电路，产生8端数字信号输出，再联入FPGA系统定义好的8位引脚。

上述CCD驱动电路是指受FPGA控制的驱动CCD传感器的外部电路。

上述信号前置处理电路是指对CCD输出的信号进行差动放大、低通滤波等基本处理的电路。

上述A/D采集电路是指将信号前置处理电路处理后的信号进行A/D转化的标量化处理电路。该A/D采集电路采用了CMOS工艺制造的8位高速并行A/D芯片，最大转换速率为20MSPS。

上述FPGA芯片集成系统外围电路是指本实用新型所用FPGA芯片的最小系统外围电路。

所述基于FPGA的控制系统是基于现场可编程门阵列FPGA芯片开发的控制系统，其利用硬件编程语言Verilog HDL编写的程序来控制本实用新型测量装置实现边缘测量的功能。该控制系统主要组成如图4所示，包括高速驱动模块、主控模块、计算模块和显示及通信模块等，其中：高速驱动模块产生的6路驱动信号中的两路信号由信号前置处理电路处理，然后进入A/D采集电路，经A/D采集电路采集得到的数字信号送入计算模块；经过计算模块精密计算得到的结果数据被发送至显示及通信模块，再经串口发送给外部显示设备。同时，外部控制者的操作信息也可经串口发给显示及通信模块。在整个过程中，主控模块控制着A/D采集电路数据采集的进行、计算模块的工作、显示及通信模块的显示功能和外部控制信息的接收。

上述的高速驱动模块是指频率不低于5MHz的CCD高速时序驱动程序，为CCD快速捕捉尺寸信号提供条件。

上述的计算模块，是指利用外围硬件电路输出的数字信号进行直径精密计算的程序。该计算模块的计算方法为一种亚像素边缘检测法，其首先利用Canny算子进行像素级边缘粗定位，然后对粗定位像素区域使用Legendre矩进行亚像素级边缘精定位，因此在保证高精度的同时，又能够进一步提高计算速度。

上述的主控模块是指控制外围电路及其它各模块正常运行的控制程序，其功能的实现过程为：显示及通信模块接收到的外部操作者的操作指令后，发送给主控模块。当主控模块接收的指令为测量时，将向A/D采集电路提供采样时钟信号，控制输入信号的A/D转化过程，使A/D转化后的数字信号顺序地传至计算模块。主控模块控制着计算模块的中间过程，计算模块的结果经显示及通讯模块发送给外部液晶显示屏。当主控模块接收的指令为标定或清零时，分别对计算模块和显示及通信模块执行操作。

上述的显示及通信模块是指经过测量后的结果发送到外部显示器和外界操作指令与主控模块通信的相关程序。

上述的控制盒，其液晶显示屏实时显示测量结果，各个操作键可向FPGA控制系统发出不同指令。

在本实用新型中，基于FPGA开发的控制系统是核心，该系统上层结构控制整个测量过程每个步骤的实现。

下面以测量轴类零件的直径测量为例，简述本实用新型的工作过程。

当被测工件位于光学机械结构中的测量位置时，其被光源发生装置照射后的投影打在激光接收装置侧的CCD传感器光敏面上，此时CCD驱动输出信号中包含了工件直径的尺寸信息。上述信号通过外部硬件电路中前置处理电路的差动放大和低通滤波后，被A/D采集电路采集。A/D采集的数据送入FPGA控制系统中的计算模块进行计算处理，得到的结果显示于控制盒上的液晶显示器。测量数据还可以通过串口传送给PC电脑做进一步分析研究。测量者根据实际需求操作控制盒发出测量、标定、返回等多项指令，达到测量目的。

Claims

1. 一种基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是由光学机械结构、外部硬件电路、基于FPGA的控制系统和控制盒组成，其中：光学机械结构通过数据线与控制盒相连；控制盒包含液晶显示器及按键，内嵌了所述外部硬件电路的电路板和基于FPGA的控制系统的集成电路板。

2. 根据权利要求1所述的基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是所述的光学机械结构由成一条直线依次分布的光源发生装置、带通滤波装置、CCD传感器和激光接收装置组成。

3. 根据权利要求2所述的基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是所述的光源发生装置附带水平准直调节部分，该装置提供的平行光束为低照度单色光。

4. 根据权利要求1所述的基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是所述的外部硬件电路和基于FPGA的控制系统采用FPGA开发的可编程控制电路和Verilog HDL控制程序。

5. 根据权利要求1或2所述的基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是所述的外部硬件电路包括CCD驱动电路、信号前置处理电路、A/D采集电路及FPGA芯片集成系统外围电路，其中：CCD驱动电路输出的OS端和DOS端接入信号前置处理电路的输入端；信号前置处理电路的输出端接入A/D采集电路，再联入FPGA系统定义好的8位引脚；A/D采集电路产生8端数字信号输出。

6. 根据权利要求5所述的基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是所述的CCD驱动电路是指受FPGA控制的驱动CCD传感器的外部电路。

7. 根据权利要求5所述的基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是所述的信号前置处理电路是指对CCD输出的信号进行包括差动放大、低通滤波在内的基本处理的电路。

8. 根据权利要求5所述的基于FPGA的快速边缘测量装置，其特征是所述的A/D采集电路是指将信号前置处理电路处理后的信号进行A/D转化的标量化处理电路，该A/D采集电路采用CMOS工艺制造的8位高速并行A/D芯片，最大转换速率为20MSPS。