CN206362698U - 一种基于fpga的太赫兹成像快速扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，包括FPGA控制主板、开关电源模块、二维运动机构、夹具、支架、光栅尺和光栅传感器，所述光栅尺包括两个，分别设置在支架的X、Y轴方向上，所述光栅传感器设置在二维运动机构上，所述二维运动机构带动光栅传感器进行X、Y轴方向上的运动，开关电源模块向FPGA控制主板和二维运动机构提供电源。本实用新型采用光栅传感器作为位置反馈装置，对快速扫描造成的定位精度下降进行实时硬件补偿，避免了后端算法补偿带来的额外延时；采用FPGA作为控制主板的主芯片，凭借其输入输出引脚丰富、具有倍频功能、程序并行运行等特点，真正实现了快速扫描，在提高太赫兹成像速度的同时，保证了成像质量。

Description

一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置。

背景技术

太赫兹成像技术可以分为连续波成像技术和脉冲成像技术，相比而言连续波成像技术具有成像时间短、成像质量好、成本低、操作方便等优点，具有很高的实用价值。在当前的太赫兹连续波成像技术中，主要围绕成像质量和扫描速度两个方面进行关键技术研究。阵列成像虽然能够快速成像，但是由于受阵列像素的限制，无法获得高质量的太赫兹图像；扫描成像是获得高质量太赫兹成像的技术，但是扫描速度的限制使其成像时间太长。

现有的太赫兹成像快速扫描装置只是单纯的提高电机运行速度，不可避免的带来了定位精度下降的问题。虽然可以采用后期算法补偿的方式，在一定程度上消除定位不准对成像质量的影响。但是额外的算法处理增加了系统复杂度，延长了图像处理时间，与快速扫描的目的背道而驰。

另外，现有的太赫兹成像快速扫描装置一般采用单片机或者ARM作为控制器，凭借其外设丰富、结构简单、拥有多种电机驱动例程等优点，可以较快的完成扫描装置的研发。但是低成本的单片机、ARM的时钟速度较慢，并且采用结构化编程语言，驱动电机的脉冲周期会比较长，无法真正实现电机的快速驱动。如果为了提高电机运行速度，一味的减小电机脉冲细分数，则进一步恶化了扫描装置的定位精度，牺牲了成像质量。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，本实用新型采用光栅传感器作为位置反馈装置，对快速扫描造成的定位精度下降进行实时硬件补偿，避免了后端算法补偿带来的额外延时。采用FPGA作为扫描装置的控制器，凭借其输入输出引脚丰富、具有倍频功能、程序并行运行等特点，真正实现了快速扫描，在提高太赫兹成像速度的同时，保证了成像质量。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，包括FPGA控制主板、开关电源模块、二维运动机构、支架、光栅尺和光栅传感器，所述光栅尺包括两个，分别设置在支架的X、Y轴方向上，所述光栅传感器设置在二维运动机构上，所述二维运动机构带动光栅传感器进行X、Y轴方向上的运动，使光栅传感器上的线纹与光栅尺上的线纹产生相对运动；

所述FPGA控制主板包括依次连接的FPGA主芯片、隔离器和光栅传感器解码器，光栅传感器解码器通过光栅传感器接口与光栅传感器连接，接收光栅传感器的X、Y轴两路正交脉冲信号，进行计数，并传送给FPGA主芯片；

开关电源模块向FPGA控制主板和二维运动机构提供电源。

所述二维运动机构包括X轴运动机构和Y轴运动机构，所述X轴运动机构和Y轴运动机构均设置有光栅传感器。

所述二维运动机构上设置有夹具，夹具同时固定在X轴传动机构和Y轴传动机构上，随X轴电机和Y轴电机的运动做二维移动。

所述X轴运动机构包括X轴电机驱动器、X轴电机和X轴传动机构，其中，所述X轴电机驱动器驱动X轴电机工作，所述X轴电机带动X轴传动机构沿X轴方向运动。

所述Y轴运动机构包括Y轴电机驱动器、Y轴电机和Y轴传动机构，其中，所述Y轴电机驱动器驱动Y轴电机工作，所述Y轴电机带动Y轴传动机构沿Y轴方向运动。

所述光栅尺包括X轴光栅尺和Y轴光栅尺，其中所述X轴光栅尺设置在X轴传动机构旁边，设置在支架上，所述Y轴光栅尺设置在Y轴传动机构旁边，设置在支架上。

所述光栅传感器包括X轴光栅传感器和Y轴光栅传感器，X轴光栅传感器紧贴X轴光栅尺并与X轴传动机构固定在一起，随X轴电机运动而作水平移动；Y轴光栅传感器紧贴Y轴光栅尺并与Y轴传动机构固定在一起，随Y轴电机运动而作垂直移动。

所述FPGA控制主板通过三路信号线与X轴电机驱动器连接，包括脉冲信号线、方向信号线和使能信号线；FPGA控制主板输出三路信号线与Y轴电机驱动器连接，包括脉冲信号线、方向信号线和使能信号线。

所述开关电源模块使用220V交流电作为输入，输出两路220V交流电源分别给X轴电机和Y轴电机供电，输出两路12V直流电源分别给X轴电机驱动器和Y轴电机驱动器供电，输出1路5V直流电源和1路3.3V直流电源给FPGA控制主板供电。

所述使能信号线的使能信号为高电平，方向信号为低电平并且脉冲信号正常时，X轴电机驱动器和Y轴电机驱动器分别向X轴电机和Y轴电机输出正向相位差120度的三相交流信号，X轴电机通过X轴传动机构使夹具水平向右运动，Y轴电机通过Y轴传动机构使夹具垂直向上运动。

所述使能信号线的使能信号为高电平，方向信号为高电平并且脉冲信号正常时，X轴电机驱动器和Y轴电机驱动器分别向X轴电机和Y轴电机输出反向相位差120度的三相交流信号，X轴电机通过X轴传动机构使夹具水平向左运动，Y轴电机通过Y轴传动机构使夹具垂直向下运动。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型采用光栅传感器作为位置反馈装置，FPGA主芯片读取光栅传感器解码器的数字量获得当前夹具的准确位置，对驱动电机的脉冲信号进行补偿，使夹具的定位精度不受扫描速度的影响，解决了快速扫描时精度下降的问题。

本实用新型采用FPGA作为控制主板的主芯片，凭借其输入输出引脚丰富、具有倍频功能、程序并行运行等特点，真正实现了快速扫描，在提高太赫兹成像速度的同时，保证了成像质量；

本实用新型采用光栅传感器作为位置反馈装置，对快速扫描造成的定位精度下降进行实时硬件补偿，避免了后端算法补偿带来的额外延时。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的FPGA控制主板原理图示意图；

图3为本实用新型的电机驱动时序图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型采用光栅传感器作为位置反馈装置，对快速扫描造成的定位精度下降进行实时硬件补偿，避免了后端算法补偿带来的额外延时。采用FPGA作为扫描装置的控制器，凭借其输入输出引脚丰富、具有倍频功能、程序并行运行等特点，真正实现了快速扫描，在提高太赫兹成像速度的同时，保证了成像质量。

本实用新型由X轴电机、Y轴电机、X轴传动机构、Y轴传动机构、X轴光栅尺、Y轴光栅尺、X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器、X轴电机驱动器、Y轴电机驱动器、夹具、支架、FPGA控制主板和开关电源模块构成，结构图如图1所示。

X轴电机与X轴传动机构固定在一起并安装在支架上作为水平轴。X轴光栅尺紧贴X轴传动机构并安装在支架上。X轴光栅传感器紧贴X轴光栅尺并与X轴传动机构固定在一起，随X轴电机运动而作水平移动。

Y轴电机与Y轴传动机构固定在一起并安装在支架上作为垂直轴。Y轴光栅尺紧贴Y轴传动机构并安装在支架上。Y轴光栅传感器紧贴Y轴光栅尺并与Y轴传动机构固定在一起，随Y轴电机运动而作垂直移动。

夹具同时固定在X轴传动机构和Y轴传动机构上，随X轴电机和Y轴电机的运动做二维移动。

FPGA控制主板输出3路信号线与X轴电机驱动器连接，包括脉冲信号线、方向信号线和使能信号线；FPGA控制主板输出3路信号线与Y轴电机驱动器连接，包括脉冲信号线、方向信号线和使能信号线。

X轴电机驱动器输出三相交流信号线与X轴电机连接；Y轴电机驱动器输出三相交流信号线与Y轴电机连接。

X轴光栅传感器输出3路信号线，包括2路正交计数脉冲信号线和1路中心点脉冲信号线，与FPGA控制主板连接；Y轴光栅传感器输出3路信号线，包括2路正交计数脉冲信号线和1路中心点脉冲信号线，与FPGA控制主板连接。

开关电源模块使用220V交流市电作为输入，输出2路220V交流电源分别给X轴电机和Y轴电机供电，输出2路12V直流电源分别给X轴电机驱动器和Y轴驱动器供电，输出1路5V直流电源和1路3.3V直流电源给FPGA控制主板供电。

FPGA控制主板电路结构

FPGA控制主板主要包括FPGA主芯片、隔离器、光栅传感器解码器，原理图如图2所示。

FPGA主芯片型号是EP4CE30F23C7，它的输入输出口与隔离器连接。其中，P21、P20、R21引脚配置为输出口，通过隔离器与X轴电机驱动器接口的脉冲信号线、方向信号线和使能信号线连接；P15、R19、R17引脚配置为输出口，通过隔离器与Y轴电机驱动器接口的脉冲信号线、方向信号线和使能信号线连接；P22、U20、V22、Y22、M4、M3、M2、P16引脚配置为输入口，通过隔离器与光栅传感器解码器8位数字量信号D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7连接；N17、N20引脚配置为输出口，通过隔离器与光栅传感器解码器通道选择控制信号EN1、EN2连接；P17、W22引脚配置为输出口，通过隔离器与光栅传感器解码器数字量模式选择控制信号SEL1、SEL2连接；R18、R20引脚配置为输出口，通过隔离器与光栅传感器解码器的复位控制信号RSTX、RSTY连接；M1、L7引脚配置为输入口，通过隔离器与X轴光栅传感器接口和Y轴光栅传感器接口的中心点脉冲信号CHIX、CHIY连接。

隔离器由6个型号为TXB0104PWR的数字电平转换芯片组成，左侧使用3.3V直流电源供电，与FPGA主芯片的输入输出口连接；右侧使用5V直流电源供电，与X轴电机驱动器接口、Y轴电机驱动器接口、光栅传感器解码器、X轴光栅传感器接口和Y轴光栅传感器接口连接。实现FPGA主芯片输入输出口与外部设备信号线的隔离与电平转换。

X轴电机驱动器接口又与X轴电机驱动器连接。其中，引脚1连接脉冲信号线，引脚2连接方向信号线，引脚3连接使能信号线。

Y轴电机驱动器接口又与Y轴电机驱动器连接。其中，引脚1连接脉冲信号线，引脚2连接方向信号线，引脚3连接使能信号线。

光栅传感器解码器型号是HCTL-2032-SC，又与33MHz晶振、X轴光栅传感器接口、Y轴光栅传感器接口连接。其中，引脚5连接33MHz晶振的输出引脚3；引脚14、引脚15分别连接X轴光栅传感器接口的引脚6、引脚8；引脚13、引脚16分别连接Y轴光栅传感器接口的引脚6、引脚8。

X轴光栅传感器接口又与X轴光栅传感器连接。其中，引脚6、引脚8连接2路正交计数脉冲信号线，引脚9连接中心点脉冲信号线。

Y轴光栅传感器接口又与Y轴光栅传感器连接。其中，引脚6、引脚8连接2路正交计数脉冲信号线，引脚9连接中心点脉冲信号线。

电机工作方式

如上所述，FPGA主芯片P21引脚、P20引脚、R21引脚通过隔离器、X轴电机驱动器接口，与X轴电机驱动器连接，分别作为脉冲信号、方向信号和使能信号；FPGA主芯片P15引脚、R19引脚、R17引脚通过隔离器、Y轴电机驱动器接口，与Y轴电机驱动器连接。信号时序图如图3所示。

使能信号为高电平，方向信号为低电平并且脉冲信号正常时，X轴电机驱动器和Y轴电机驱动器分别向X轴电机和Y轴电机输出正向相位差120度的三相交流信号，X轴电机通过X轴传动机构使夹具水平向右运动，Y轴电机通过Y轴传动机构使夹具垂直向上运动。

使能信号为高电平，方向信号为高电平并且脉冲信号正常时，X轴电机驱动器和Y轴电机驱动器分别向X轴电机和Y轴电机输出反向相位差120度的三相交流信号，X轴电机通过X轴传动机构使夹具水平向左运动，Y轴电机通过Y轴传动机构使夹具垂直向下运动。

光栅传感器工作方式

如上所述，光栅尺紧贴传动机构并固定在支架上，光栅传感器紧贴光栅尺并固定在传动机构上。当电机运行时，光栅传感器发生位移，光栅传感器上的线纹与光栅尺上的线纹产生相对运动。相对运动每达到一个固定的距离，光栅传感器的2路正交计数脉冲信号线各输出一个脉冲，且这2个脉冲为正交关系。光栅传感器解码器通过光栅传感器接口与光栅传感器连接，接收光栅传感器的2路正交脉冲信号，进行计数，并可以通过8位数字量信号传送给FPGA主芯片。由此，FPGA主芯片可以通过8位数字量计算出目前光栅传感器所在位置。同时，夹具也固定在传动机构上，与X轴光栅传感器和Y轴光栅传感器的相对距离恒定，所以，FPGA主芯片可以计算得到夹具所在位置。

光栅尺的中心点具有光栅传感器可识别标志。当光栅传感器运行到光栅尺中点时，其中心点脉冲信号线输出一个单脉冲，此单脉冲可以通过光栅传感器接口、隔离器传送给FPGA主芯片。由此，FPGA主芯片可以判断光栅传感器是否运行到光栅尺中点。

光栅传感器运行到光栅尺中点时，FPGA主芯片通过复位控制信号RSTX、RSTY对光栅传感器的数字量进行清零。

光栅传感器沿光栅尺运行，光栅传感器解码器对正交脉冲信号进行计数。FPGA主芯片通过通道选择控制信号EN1、EN2来决定读取X轴还是Y轴的光栅传感器正交脉冲计数数值。

光栅传感器解码器的正交脉冲计数器位数是32位，记为C[0:31]，而其数字量信号的位数是8位，记为D0～D7。所以，需要分4次，才能将一次正交脉冲计数数值全部传送给FPGA主芯片。FPGA主芯片通过数字量模式选择控制信号SEL1、SEL2来决定读取正交脉冲计数器的哪组8位数字量。

通道选择控制信号EN1、EN2，数字量模式选择控制信号SEL1、SEL2和8位数字量信号D0～D7关系如表1所示。

表1光栅传感器解码器的控制信号与数字量信号的逻辑关系

表中，“0”表示低电平，“1”表示高电平。

使用本实用新型装置，对夹具上的样品进行100mm×100mm范围的快速扫描，宽度100mm，记为W，高度100mm，记为H。对样品Y轴扫描的步进需求为2mm，记为L_s。夹具与X轴光栅传感器和Y轴光栅传感器的相对距离均为50mm，记为L_j。光栅尺线纹分辨率1um，即每当光栅传感器相对于光栅尺运动1um的距离，光栅传感器输出一对正交脉冲，光栅传感器解码器的正交脉冲计数器加1。假设夹具初始位置在X轴光栅尺中心点的左方和Y轴光栅尺中心点的下方。

本实用新型装置实现对夹具上的样品快速扫描的步骤为：

步骤一：FPGA控制主板通过X轴电机驱动器控制X轴电机，使X轴传动机构带动夹具向右运动。当X轴光栅传感器运行到X轴光栅尺中心点时，X轴电机停止运动，并且FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号。然后FPGA控制主板通过X轴电机驱动器控制X轴电机，使X轴传动机构带动夹具向左运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的X轴正交脉冲计数器数值为50000，即1000×L_j时，X轴电机停止运动，此时夹具位于X轴光栅尺的中心点。

步骤二：FPGA控制主板通过Y轴电机驱动器控制Y轴电机，使Y轴传动机构带动夹具向上运动。当Y轴光栅传感器运行到Y轴光栅尺中心点时，Y轴电机停止运动，并且FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号。然后FPGA控制主板通过Y轴电机驱动器控制Y轴电机，使Y轴传动机构带动夹具向下运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的Y轴正交脉冲计数器数值为50000，即1000×L_j时，Y轴电机停止运动，此时夹具同时位于X轴和Y轴光栅尺的中心点。

步骤三：FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号，然后FPGA控制主板通过X轴电机驱动器控制X轴电机，使X轴传动机构带动夹具向右运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的X轴正交脉冲计数器数值为50000，即时，X轴电机停止运动，此时夹具位于待扫描区域的X轴原点。

步骤四：FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号，然后FPGA控制主板通过Y轴电机驱动器控制Y轴电机，使Y轴传动机构带动夹具向上运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的Y轴正交脉冲计数器数值为50000，即时，Y轴电机停止运动，此时夹具同时位于待扫描区域的X轴原点和Y轴原点。

步骤五：FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号，然后FPGA控制主板通过X轴电机驱动器控制X轴电机，使X轴传动机构带动夹具向左运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的X轴正交脉冲计数器数值为100000，即1000×W时，X轴电机停止运动，此时夹具位于待扫描区域的X轴终点。

步骤六：FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号，然后FPGA控制主板通过Y轴电机驱动器控制Y轴电机，使Y轴传动机构带动夹具向下运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的Y轴正交脉冲计数器数值为2000，即1000×L_s时，Y轴电机停止运动，此时夹具沿Y轴向下运动一个步进距离。

步骤七：FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号，然后FPGA控制主板通过X轴电机驱动器控制X轴电机，使X轴传动机构带动夹具向右运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的X轴正交脉冲计数器数值为100000，即1000×W时，X轴电机停止运动，此时夹具回到待扫描区域的X轴原点。

步骤八：FPGA主芯片复位光栅传感器的数字量信号，然后FPGA控制主板通过Y轴电机驱动器控制Y轴电机，使Y轴传动机构带动夹具向下运动，当FPGA主芯片读取到光栅传感器解码器的Y轴正交脉冲计数器数值为2000，即1000×L_s时，Y轴电机停止运动，此时夹具继续沿Y轴向下运动一个步进距离。

步骤九：重复步骤五～步骤八，使夹具做逐行扫描。直到夹具沿Y轴的运动距离累计超过高度，即∑L_s＞H时，X轴电机和Y轴电机均停止运动，快速扫描完成。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：包括FPGA控制主板、开关电源模块、二维运动机构、支架、光栅尺和光栅传感器，所述光栅尺包括两个，分别设置在支架的X、Y轴方向上，所述光栅传感器设置在二维运动机构上，所述二维运动机构带动光栅传感器进行X、Y轴方向上的运动，使光栅传感器上的线纹与光栅尺上的线纹产生相对运动；

所述FPGA控制主板包括依次连接的FPGA主芯片、隔离器和光栅传感器解码器，光栅传感器解码器通过光栅传感器接口与光栅传感器连接，接收光栅传感器的X、Y轴两路正交脉冲信号，进行计数，并传送给FPGA主芯片；

开关电源模块向FPGA控制主板和二维运动机构提供电源。

2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：所述二维运动机构包括X轴运动机构和Y轴运动机构，所述X轴运动机构和Y轴运动机构均设置有光栅传感器。

3.如权利要求2所述的一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：所述二维运动机构上设置有夹具，夹具同时固定在X轴传动机构和Y轴传动机构上，随X轴电机和Y轴电机的运动做二维移动。

4.如权利要求2所述的一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：所述X轴运动机构包括X轴电机驱动器、X轴电机和X轴传动机构，其中，所述X轴电机驱动器驱动X轴电机工作，所述X轴电机带动X轴传动机构沿X轴方向运动。

5.如权利要求2所述的一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：所述Y轴运动机构包括Y轴电机驱动器、Y轴电机和Y轴传动机构，其中，所述Y轴电机驱动器驱动Y轴电机工作，所述Y轴电机带动Y轴传动机构沿Y轴方向运动。

6.如权利要求1所述的一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：所述光栅尺包括X轴光栅尺和Y轴光栅尺，其中所述X轴光栅尺设置在X轴传动机构旁边，设置在支架上，所述Y轴光栅尺设置在Y轴传动机构旁边，设置在支架上。

7.如权利要求1所述的一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：所述光栅传感器包括X轴光栅传感器和Y轴光栅传感器，X轴光栅传感器紧贴X轴光栅尺并与X轴传动机构固定在一起，随X轴电机运动而作水平移动；Y轴光栅传感器紧贴Y轴光栅尺并与Y轴传动机构固定在一起，随Y轴电机运动而作垂直移动。

8.如权利要求1所述的一种基于FPGA的太赫兹成像快速扫描装置，其特征是：所述FPGA控制主板通过三路信号线与X轴电机驱动器连接，包括脉冲信号线、方向信号线和使能信号线；FPGA控制主板输出三路信号线与Y轴电机驱动器连接，包括脉冲信号线、方向信号线和使能信号线。