基于FPGA技术的图像采集设备运动控制研究

摘要

随着计算机技术的发展，特别是计算机运行速度的提高，图像处理在工程技术许多领域的应用越来越广泛。岩心扫描仪主要用于现场采集岩心的数字图像信息，为油、气井的钻探提供基础资料。岩心扫描仪主要由机架、图像采集系统和运动控制系统组成。传统岩心扫描仪的运动控制系统包括图像采集装置(面阵感光元件或线阵感光元件)的直线运动控制和岩心的回转运动控制两部分。传统岩心扫描仪的运动控制系统由计算机、计算机接口、数控系统、减速装置、滚珠丝杆等组成。由于传动链长，运动控制复杂，导致扫描仪的体积大、重量重、运动精度低，不便于“便携”操作。基于光栅定位的便携式扫描仪充分发挥光栅位置检测的优势，采用“运动以手动操作为主，计算机被动检测控制”的原理，取消了包括数控系统、减速装置和滚珠丝杆在内的硬件装置，在保证图像质量的前提下，大幅度减小了扫描仪的重量，降低了生产成本，实现了便携功能。本课题主要研究基于被动运动控制扫描仪的运动原理和实现方法。 由于扫描仪的运动控制原理由主动控制变为被动控制，其技术关键是提高信号采集的速度。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是20世纪80年代出现的可编程逻辑器件。FPGA将半定制的门阵列电路的优点和可编程逻辑器件的用户可编程特性结合在一起，将大量的门电路集成在一起，设计的电子产品体积小、集成度和可靠性高，具有用户可编程特性，可以大大缩短设计周期。FPGA最大的优点是程序设计灵活，集成度高，数据处理速度快，为实现扫描仪被动检测的运动控制提供了硬件条件。 扫描仪摄像头的水平移动由手动完成。FPGA实时检测光栅信号，将光栅信号的处理集成到系统控制板上，将经过滤波整形后的信号直接送入FPGA芯片，由FPGA完成细分、辨向，位置、速度的测算等工作，通过内部的快速运算，在适当位置预先向扫描头发出拍照指令，准确控制摄像头在预先载入的目标位置上拍照。图片数据传送完成后开始下一次拍照。使用自主编制的图像处理软件将序列图片剪裁、拼接成整幅岩心图片。岩心的转动由微型无刷直流电机驱动。无刷直流电机具有动态响应性能好、速度转矩比大的特点。使用同一个FPGA芯片对电机进行PID(Proporti6nal，Integral，and Deftvative Contr01)调节及逻辑控制，能很好实现无刷直流电机速度及位置伺服控制。 根据自上而下分层设计和模块化设计的思想，采用原理图(Schematic)输入和硬件描述语言(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLallguage，VHDL)编程相结合的方法，对FPGA芯片进行编程，并完成运动控制的硬件结构设计。原理图输入能够快速实现逻辑真值表，能够方便地将设计人员熟悉的模拟逻辑电路快速转移到：FPGA内部。VHDL硬件描述语言能支持硬件的设计、验证、综合和测试，既可以描述电路具体组成的结构，又可以描述电路功能。最后通过原理性实验证明运动控制原理和运动控制软硬件设计的正确性。 本文提出的基于FPGA技术的被动检测控制原理不仅可以用于岩心图像扫描仪的运动控制，还可应用于大幅面图像的高保真采集、图像定位、逆向工程等其他工程领域，具有重要的理论意义和实用价值。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

2FPGA芯片及软件

3便携式图像采集系统结构及原理

4图像采集系统运动控制

5电源及驱动电路设计

6实验及结果

7总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果简介

声明

致谢