基于FPGA技術(shù)的圖像采集設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高，圖像處理在工程技術(shù)許多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。巖心掃描儀主要用于現(xiàn)場(chǎng)采集巖心的數(shù)字圖像信息，為油、氣井的鉆探提供基礎(chǔ)資料。巖心掃描儀主要由機(jī)架、圖像采集系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)巖心掃描儀的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括圖像采集裝置(面陣感光元件或線陣感光元件)的直線運(yùn)動(dòng)控制和巖心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制兩部分。傳統(tǒng)巖心掃描儀的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)接口、數(shù)控系統(tǒng)、減速裝置、滾珠絲桿等組成。由于傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，

2、運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜，導(dǎo)致掃描儀的體積大、重量重、運(yùn)動(dòng)精度低，不便于“便攜”操作。基于光柵定位的便攜式掃描儀充分發(fā)揮光柵位置檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，采用“運(yùn)動(dòng)以手動(dòng)操作為主，計(jì)算機(jī)被動(dòng)檢測(cè)控制”的原理，取消了包括數(shù)控系統(tǒng)、減速裝置和滾珠絲桿在內(nèi)的硬件裝置，在保證圖像質(zhì)量的前提下，大幅度減小了掃描儀的重量，降低了生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了便攜功能。本課題主要研究基于被動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制掃描儀的運(yùn)動(dòng)原理和實(shí)現(xiàn)方法。 由于掃描儀的運(yùn)動(dòng)控制原理由主動(dòng)控制變?yōu)楸粍?dòng)控制，其技術(shù)

3、關(guān)鍵是提高信號(hào)采集的速度。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的可編程邏輯器件。FPGA將半定制的門陣列電路的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件的用戶可編程特性結(jié)合在一起，將大量的門電路集成在一起，設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品體積小、集成度和可靠性高，具有用戶可編程特性，可以大大縮短設(shè)計(jì)周期。FPGA最大的優(yōu)點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)靈活，集成度高，數(shù)據(jù)處理速度快，為實(shí)現(xiàn)掃描儀被動(dòng)檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)控制提供了硬件

4、條件。 掃描儀攝像頭的水平移動(dòng)由手動(dòng)完成。FPGA實(shí)時(shí)檢測(cè)光柵信號(hào)，將光柵信號(hào)的處理集成到系統(tǒng)控制板上，將經(jīng)過濾波整形后的信號(hào)直接送入FPGA芯片，由FPGA完成細(xì)分、辨向，位置、速度的測(cè)算等工作，通過內(nèi)部的快速運(yùn)算，在適當(dāng)位置預(yù)先向掃描頭發(fā)出拍照指令，準(zhǔn)確控制攝像頭在預(yù)先載入的目標(biāo)位置上拍照。圖片數(shù)據(jù)傳送完成后開始下一次拍照。使用自主編制的圖像處理軟件將序列圖片剪裁、拼接成整幅巖心圖片。巖心的轉(zhuǎn)動(dòng)由微型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。無刷直

5、流電機(jī)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好、速度轉(zhuǎn)矩比大的特點(diǎn)。使用同一個(gè)FPGA芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行PID(Proporti6nal，Integral，and Deftvative Contr01)調(diào)節(jié)及邏輯控制，能很好實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)速度及位置伺服控制。 根據(jù)自上而下分層設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)的思想，采用原理圖(Schematic)輸入和硬件描述語言(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Descript

6、ionLallguage，VHDL)編程相結(jié)合的方法，對(duì)FPGA芯片進(jìn)行編程，并完成運(yùn)動(dòng)控制的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。原理圖輸入能夠快速實(shí)現(xiàn)邏輯真值表，能夠方便地將設(shè)計(jì)人員熟悉的模擬邏輯電路快速轉(zhuǎn)移到：FPGA內(nèi)部。VHDL硬件描述語言能支持硬件的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、綜合和測(cè)試，既可以描述電路具體組成的結(jié)構(gòu)，又可以描述電路功能。最后通過原理性實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)動(dòng)控制原理和運(yùn)動(dòng)控制軟硬件設(shè)計(jì)的正確性。 本文提出的基于FPGA技術(shù)的被動(dòng)檢測(cè)控制原理不僅可以用