一种基于FPGA的光斑位置探测系统与方法

摘要

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。

权利要求

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。

说明书

一种基于FPGA的光斑位置探测系统与方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 本发明解决问题的技术方案是：

[0008] 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；

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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

[0019] 图1是本发明的整体框架示意图。

[0020] 图2是本发明涉及到的控制流程示意图。

[0021] 图3是本发明的系统结构示意图。

[0022] 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

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。