基于FPGA的焊縫實時圖像采集系統設計

李寧 褚慧慧

【摘要】本文設計出一種以FPGA為控制核心的實時圖像采集系統，選用線陣CCD作為圖像信號采集芯片，通過AD9970將模擬圖像信號轉換成數字信號，并經LVDS接口輸出，LVDS信號經電平轉換模塊轉換成LVTTL信號給FPGA，FPGA控制信號緩存并最終發送給工控機處理。實驗表明，該系統能高速穩定地采集焊縫圖像，提高了焊接速度及焊縫成形質量。

【關鍵詞】FPGA；焊縫；圖像采集；自動化

一、焊縫實時圖像采集系統方案

實時圖像采集系統主要由光傳感部分、模數轉換部分，及圖像數字處理部分組成。整個系統框圖如圖1所示。

本測量系統選用ADI公司專為CCD采集而設計的模數轉換芯片AD9970，該器件由完整的模擬前端和可編程的時序驅動器組成，額定像素速率最高可達65MHz，其使用LVDS進行數字信號輸出。FPGA選用Altera公司的EP3C16Q240C8N芯片，它為CCD傳感器和模數轉換芯片提供時序，保證其正常采集。由模數轉換單元輸出的LVDS信號并不能直接傳送給FPGA，電平轉換電路將LVDS信號轉換成FPGA可接收的3.3V的LVTTL信號。在高速實時圖像采集時，為避免圖像幀的信息丟失，系統在FPGA中開辟一塊FIFO用于信息的緩存。采集到的圖像信息最終通過以太網接口傳送到工控機中，工控機實時計算焊縫的尺寸和質量，再控制焊接機器人進行焊接，在計算到焊接有質量問題時，可實時進行補焊，保證焊接質量。

二、圖像采集系統模塊設計（一）CCD傳感器單元設計

CCD傳感器是整個圖像采集系統的最前端，是核心的部分，其采樣的精度、靈敏度關系到整個系統的精度。本系統選用東芝公司的TCD1205DG芯片。CCD傳感器進行一次圖像采集包括兩個階段：光積分階段和電荷轉移階段。在光積分階段，光電二極管產生的光電荷被儲存起來，形成電勢壘，無效的光電荷被清空。在電荷轉移階段，光電二極管電荷通過轉移柵轉移到移位寄存器中。TCD1205DG芯片要實現這兩個階段，需要5個驅動信號、兩個移位脈沖信號、一個轉移脈沖信號、一個復位脈沖信號和一個鉗位脈沖信號。根據傳感器的脈沖時序圖，在FPGA中設計對應時序脈沖即可實現傳感器的正常采集。

為了提升圖像采集精度，系統設計了專門的去噪聲流程，采用雙采樣法去噪。雙采樣法去噪聲是指同時采樣兩種信號，一種參考電平，一種正常的信號電平，因信號電平和參考電平中同時含有噪聲，而且噪聲量相同，所以將兩種信號相減便可去掉噪聲。

（二）模數轉換單元設計

針對CCD信號的處理，很多公司推出了專用的處理芯片，其中ADI公司在該領域非常突出。本采集系統選用的AD9970芯片，是一款集成度很高的CCD信號處理器，內部包含了相關雙采樣、可編程式增益放大、電平較正和精確時鐘等功能，大大簡化了外部電路的設計。實現雙采樣的功能需要3路脈沖，一路脈沖提供時鐘基準，一路脈沖采集參考電平，另一路脈沖采集所需的電平信號。兩路電平信號相減后在時鐘基準的上升沿送入14位AD轉換器進行模數轉換。配置芯片內部增益放大器，可提升信號的采樣精度。本系統設置成最大增益42dB。AD轉換器的速度設置為最大65MHz，并開啟精確時鐘內核以240ps的分辨率調整高速時鐘。模數轉換單元最終以65MHz的像素速率輸出LVDS信號。

（三）電平轉換單元

本采集系統選用TI公司的DS90CF384做電平轉換芯片，該芯片最高可轉換28位有效數據，65MHz的時鐘速率。模數轉換單元14位有效數據和一對時鐘信號輸入DS90CF384，很方便就轉換成14位并行的LVTTL數據。

（四）FPGA的FIFO設計

本采集系統在FPGA內部實現了一個142048的異步FIFO。14位與LVTTL數據位相對應，2048的深度可存下整幀的數據。FIFO采用雙向RAM設計，可同時讀寫數據，其有兩個不同的時鐘域，一個用于讀數據，一個用于寫數據。讀寫數據的地址有FIFO內部的邏輯電路給出，外部電路只需要給出讀寫的時鐘信號和讀寫的控制信號就可操作FIFO。另外，設置FIFO存儲狀態指示，當FIFO已滿時，禁止繼續寫入，并立刻將存儲信息發送給工控機。

（五）以太網接口設計

選用LAN8720以太網物理層芯片，此芯片具有超低功耗，超小尺寸，并通過RMII接口連接，FPGA對其時序控制方便簡潔。系統應用TCP/IP協議作數據傳輸，此傳輸協議需通信雙方相互驗證信息，是嚴謹的通信協議，可確保通信數據的準確。

三、結語

對于焊縫成形的實時采集，采集速度和精度決定了對成形質量的判斷速度和精度，本文利用FPGA技術，對采集芯片、模數轉換芯片提供時序邏輯，并設計數據緩存塊，實現了對焊縫圖像的高速采集，為焊縫成形質量測量提供了一個簡單、穩定、易操作的圖像采集方案；采用Verilog語言編寫時序代碼，易于電路的動態調整，通用性和可移植性好，對于焊縫檢測具有較高的應用價值。

參考文獻

[1]王德勝，康令州.基于FPGA的實時圖像采集與預處理[J].器件與應用，2011，35（03）：32～35.