基于FPGA的高速光谱共焦位移测量系统硬件实现.pdf
摘要
随着我国精密加工行业的发展,高速高精度位移测量在精密加工行业越来越重要。
其中光谱共焦位移测量技术因其高精度与无损伤的特点而被广泛应用。光谱共焦位
移测量是通过寻找共焦光谱峰值波长得到位移信息。通常光谱共焦位移测量会将光
谱信号传输至上位机,上位机寻找光谱峰值波长获取位移。但高速采集时,上位机每
秒需处理、显示大量光谱数据,并进行近万次拟合寻峰操作,这会导致系统不易实现
更高速的位移采集。为解决上述问题,本文提出一种基于FPGA的高速光谱共焦位
移测量硬件系统,采用下位机FPGA来完成寻峰,加速峰值波长提取过程,减轻上
位机负担,使系统更容易实现高速采集。此外当FPGA向上位机仅传输峰值波长时,
还可以降低数据传输带宽。本文的主要研究工作如下:
(1)设计了基于光纤耦合式结构的光谱共焦位移测量系统总体方案。确定了基
于FPGA的硬件模块架构;分析光谱仪原理并基于非交叉式Czerny-Turner结构设计
了光谱仪光学系统;对光栅、狭缝、探测器与光源等器件进行选型。
(2)设计了光谱信号采集硬件模组方案,完成了信号采集处理硬件电路设计和
基于Verilog的各个模块驱动时序。采用S11108采集色散后的光谱信号;设计信号
调理电路使模拟信号更加符合AD9826的量程;设计USB3.0电路完成板卡与PC的
通信;根据电路中各芯片实际需求设计了电源系统等。
(3)设计了基于FPGA的下位机架构与光谱采集显示上位机。选择高斯拟合作
为峰值波长提取算法并在FPGA中搭建,对连续提取过程分析,验证下位机的高斯
拟合峰值波长提取模块具有每秒75000次提取能力。将此模块与MATLAB相同算法
提取模块进行精度比较,在采样样本中两者提取数据相差最大为0.000288pixel。
(4)完成光谱共焦位移测量系统的搭建与标定,设计实验验证系统性能,分析
系统测量误差。采用汞灯完成光谱仪的标定,得出波长与像素点之间的对应关系,标
定结果表明光谱仪波长测量范围为400-964nm,理论分辨率为0.3274nm。完成光谱
共焦位移测量系统的搭建,采用激光干涉仪对系统进行标定与位移测量,实验结果表
明在490-720nm波长范围内,系统测量范围为0-2.5mm,系统误差在±4μm之间,
测量系统具有较高的测量精度。
关键词:光谱共焦;线阵CCD;FPGA;高速位移测量
I
ABSTRACT
WiththedevelopmentofChinasprecisionmachiningindustry,high-speedandhigh-
precisiondisplacementmeasurementisbecomingmoreandmoreimportantintheprecision
machiningindustry.Spectralconfocaldisplacementmeasurementtechnologyiswidely
usedbecauseofitshighprecisionandnodamage.Spectralconfocaldisplacement
measurementistoobtainthedisplacementinformationbyfindingthepeakwavelengthof
confocalspectrum.Ingeneral,spectralconfocaldisplacementmeasurementwilltransmit
thespectralsignaltotheuppercomputer,andtheuppercomputerwillfindthepeak
wavelengthofthespectrumtoobtainthedisplacement.However