基于FPGA的焊缝实时图像采集系统设计

李宁 褚慧慧

【摘要】本文设计出一种以FPGA为控制核心的实时图像采集系统，选用线阵CCD作为图像信号采集芯片，通过AD9970将模拟图像信号转换成数字信号，并经LVDS接口输出，LVDS信号经电平转换模块转换成LVTTL信号给FPGA，FPGA控制信号缓存并最终发送给工控机处理。实验表明，该系统能高速稳定地采集焊缝图像，提高了焊接速度及焊缝成形质量。

【关键词】FPGA；焊缝；图像采集；自动化

一、焊缝实时图像采集系统方案

实时图像采集系统主要由光传感部分、模数转换部分，及图像数字处理部分组成。整个系统框图如图1所示。

本测量系统选用ADI公司专为CCD采集而设计的模数转换芯片AD9970，该器件由完整的模拟前端和可编程的时序驱动器组成，额定像素速率最高可达65MHz，其使用LVDS进行数字信号输出。FPGA选用Altera公司的EP3C16Q240C8N芯片，它为CCD传感器和模数转换芯片提供时序，保证其正常采集。由模数转换单元输出的LVDS信号并不能直接传送给FPGA，电平转换电路将LVDS信号转换成FPGA可接收的3.3V的LVTTL信号。在高速实时图像采集时，为避免图像帧的信息丢失，系统在FPGA中开辟一块FIFO用于信息的缓存。采集到的图像信息最终通过以太网接口传送到工控机中，工控机实时计算焊缝的尺寸和质量，再控制焊接机器人进行焊接，在计算到焊接有质量问题时，可实时进行补焊，保证焊接质量。

二、图像采集系统模块设计（一）CCD传感器单元设计

CCD传感器是整个图像采集系统的最前端，是核心的部分，其采样的精度、灵敏度关系到整个系统的精度。本系统选用东芝公司的TCD1205DG芯片。CCD传感器进行一次图像采集包括两个阶段：光积分阶段和电荷转移阶段。在光积分阶段，光电二极管产生的光电荷被储存起来，形成电势垒，无效的光电荷被清空。在电荷转移阶段，光电二极管电荷通过转移栅转移到移位寄存器中。TCD1205DG芯片要实现这两个阶段，需要5个驱动信号、两个移位脉冲信号、一个转移脉冲信号、一个复位脉冲信号和一个钳位脉冲信号。根据传感器的脉冲时序图，在FPGA中设计对应时序脉冲即可实现传感器的正常采集。

为了提升图像采集精度，系统设计了专门的去噪声流程，采用双采样法去噪。双采样法去噪声是指同时采样两种信号，一种参考电平，一种正常的信号电平，因信号电平和参考电平中同时含有噪声，而且噪声量相同，所以将两种信号相减便可去掉噪声。

（二）模数转换单元设计

针对CCD信号的处理，很多公司推出了专用的处理芯片，其中ADI公司在该领域非常突出。本采集系统选用的AD9970芯片，是一款集成度很高的CCD信号处理器，内部包含了相关双采样、可编程式增益放大、电平较正和精确时钟等功能，大大简化了外部电路的设计。实现双采样的功能需要3路脉冲，一路脉冲提供时钟基准，一路脉冲采集参考电平，另一路脉冲采集所需的电平信号。两路电平信号相减后在时钟基准的上升沿送入14位AD转换器进行模数转换。配置芯片内部增益放大器，可提升信号的采样精度。本系统设置成最大增益42dB。AD轉换器的速度设置为最大65MHz，并开启精确时钟内核以240ps的分辨率调整高速时钟。模数转换单元最终以65MHz的像素速率输出LVDS信号。

（三）电平转换单元

本采集系统选用TI公司的DS90CF384做电平转换芯片，该芯片最高可转换28位有效数据，65MHz的时钟速率。模数转换单元14位有效数据和一对时钟信号输入DS90CF384，很方便就转换成14位并行的LVTTL数据。

（四）FPGA的FIFO设计

本采集系统在FPGA内部实现了一个142048的异步FIFO。14位与LVTTL数据位相对应，2048的深度可存下整帧的数据。FIFO采用双向RAM设计，可同时读写数据，其有两个不同的时钟域，一个用于读数据，一个用于写数据。读写数据的地址有FIFO内部的逻辑电路给出，外部电路只需要给出读写的时钟信号和读写的控制信号就可操作FIFO。另外，设置FIFO存储状态指示，当FIFO已满时，禁止继续写入，并立刻将存储信息发送给工控机。

（五）以太网接口设计

选用LAN8720以太网物理层芯片，此芯片具有超低功耗，超小尺寸，并通过RMII接口连接，FPGA对其时序控制方便简洁。系统应用TCP/IP协议作数据传输，此传输协议需通信双方相互验证信息，是严谨的通信协议，可确保通信数据的准确。

三、结语

对于焊缝成形的实时采集，采集速度和精度决定了对成形质量的判断速度和精度，本文利用FPGA技术，对采集芯片、模数转换芯片提供时序逻辑，并设计数据缓存块，实现了对焊缝图像的高速采集，为焊缝成形质量测量提供了一个简单、稳定、易操作的图像采集方案；采用Verilog语言编写时序代码，易于电路的动态调整，通用性和可移植性好，对于焊缝检测具有较高的应用价值。

参考文献

[1]王德胜，康令州.基于FPGA的实时图像采集与预处理[J].器件与应用，2011，35（03）：32～35.