梁文斌，謝躍雷，彭誠誠，王太興，趙佳慶

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

一種激光標(biāo)刻圖像驗證裝置的研究與設(shè)計

梁文斌，謝躍雷，彭誠誠，王太興，趙佳慶

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為了解決激光打標(biāo)控制卡在開發(fā)制作過程中標(biāo)刻圖像驗證困難的問題，設(shè)計了一種激光標(biāo)刻圖像驗證裝置。該裝置首先是通過主控模塊FPGA來控制串口線進(jìn)行激光打標(biāo)卡的數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)檢測、判別和存儲后篩選出振鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光器開關(guān)光數(shù)據(jù)，通過USB總線將數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機，最終由上位機還原數(shù)據(jù)實現(xiàn)圖像的模擬標(biāo)刻，該裝置的數(shù)據(jù)采集遵循XY2-100協(xié)議，F(xiàn)PGA主控模塊選用Cyclone III芯片，USB傳輸模塊選用FT2232H芯片。該裝置能夠快速、完整地獲取激光打標(biāo)控制卡在進(jìn)行圖像標(biāo)刻過程中的實時數(shù)據(jù)，并能在上位機模擬繪制出實際標(biāo)刻的圖案。實驗結(jié)果表明，該硬件裝置運行穩(wěn)定、精度較高、圖案驗證性強。

激光打標(biāo)；圖像驗證；FPGA；USB

激光標(biāo)刻指的是利用高能量密度的激光束在工件表面實現(xiàn)永久性標(biāo)刻[1]。激光標(biāo)刻[2]主要是用于金屬、非金屬等各類材料表面[3]打標(biāo)字符及圖形[4]，在眾多行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用，例如在產(chǎn)品上標(biāo)刻二維碼、生產(chǎn)日期、產(chǎn)品商標(biāo)、序列號等。與傳統(tǒng)標(biāo)刻機相比，激光標(biāo)刻屬于非接觸式的打標(biāo)[5]，具有工件無變形、無壓力、無污染、無腐蝕等優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。

標(biāo)刻質(zhì)量是衡量激光打標(biāo)卡優(yōu)劣的重要指標(biāo)[6]，而在激光打標(biāo)卡開發(fā)的過程中，檢驗標(biāo)刻質(zhì)量往往只能進(jìn)入工廠，然后將打標(biāo)卡與振鏡、激光器等連接，進(jìn)行實體的圖形標(biāo)刻，然后使用放大鏡和卡尺等進(jìn)行測量，然后比對標(biāo)刻圖案，其操作步驟非常繁瑣，數(shù)據(jù)的正確性也難以預(yù)測，極大地阻礙了打標(biāo)卡的開發(fā)進(jìn)度。

為了解決上述問題，本文提出了一種激光標(biāo)刻圖像驗證裝置，該硬件裝置結(jié)合了USB[7]傳輸速度快和FPGA[8]資源豐富、處理能力較強、易擴展等優(yōu)勢，能夠快速、穩(wěn)定地采集激光打標(biāo)控制卡傳輸?shù)臉?biāo)刻數(shù)據(jù)并存儲至SDRAM模塊，接著由USB通信口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機，最終由上位機繪制出模擬標(biāo)刻的圖案。

該驗證裝置擺脫了長期以來激光打標(biāo)卡在開發(fā)測試時對振鏡、激光器的依賴，實現(xiàn)了激光標(biāo)刻圖像驗證的多樣化、精細(xì)化和智能化。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件總體設(shè)計

激光標(biāo)刻的圖像驗證裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛線框圖部分為激光標(biāo)刻圖像驗證裝置結(jié)構(gòu)，主要包括FPGA主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、USB通信模塊、SDRAM存儲模塊和PC上位機等部分。在激光標(biāo)刻圖像驗證過程中，首先接收激光打標(biāo)控制卡傳輸?shù)恼耒R坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光器開關(guān)光數(shù)據(jù)，然后將它們傳輸并存儲至SDRAM模塊中，待振鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光器開關(guān)光數(shù)據(jù)接收完畢后再將其傳送至PC上位機，最終進(jìn)行實時的模擬標(biāo)刻。

圖1 激光標(biāo)刻圖像驗證裝置結(jié)構(gòu)框圖

在激光打標(biāo)控制卡運行標(biāo)刻后，數(shù)據(jù)將依次傳輸。數(shù)據(jù)中包括了振鏡管腳數(shù)據(jù)和激光管腳數(shù)據(jù)，其按照一定的順序輸出。通過定時信號，F(xiàn)PGA主控模塊同步接收數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)類型，分別存放振鏡管腳數(shù)據(jù)和激光管腳數(shù)據(jù)。SDRAM_1存儲芯片存儲振鏡管腳數(shù)據(jù)；SDRAM_2存儲芯片存儲激光管腳數(shù)據(jù)。USB通信模塊則選用FT2232H芯片，采用FIFO傳輸模式，該芯片一次傳輸?shù)淖畲罅繛?4 kbyte，本文采用的設(shè)置是一次傳輸量為60 kbyte，其傳輸量完全滿足數(shù)據(jù)傳輸至上位機。上位機由MATLAB編程，數(shù)據(jù)由FT2232H傳輸至上位機后，由上位機識別數(shù)據(jù)類型，并模擬實際情況進(jìn)行標(biāo)刻，其控制流程框圖如圖2所示。

1.2 FPGA主控模塊

FPGA主控模塊作為整個設(shè)計的核心部分，須協(xié)調(diào)各個模塊間的通信，本設(shè)計采用Verilog HDL語言的編程以控制各個模塊。該模塊應(yīng)實現(xiàn)的功能為：控制前端的數(shù)據(jù)采集模塊采集激光打標(biāo)控制卡傳輸?shù)臉?biāo)刻數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)包括了激光器開關(guān)光數(shù)據(jù)和振鏡坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集的過程中FPGA主控模塊將數(shù)據(jù)存儲至SDRAM模塊內(nèi)，待數(shù)據(jù)接收完整后，再控制USB通信模塊傳送數(shù)據(jù)參數(shù)至PC上位機，最終通過上位機模擬繪制出標(biāo)刻圖案。

本設(shè)計選用Altera公司的Cyclone III系列器件EP3C16Q240C8，它是240腳TQFP封裝，內(nèi)部有15 408個邏輯單元，516 096 bit的存儲器，4個鎖相環(huán)，148個可用I/O管腳，56個嵌入式單元，使用3.3 V電壓供電，支持AS，JTAG，PS配置方式。本設(shè)計采用JTAG和AS兩種配置方式，配置電路如圖3所示，其配置芯片采用EPCS16。JTAG配置方式主要用于系統(tǒng)的在線調(diào)試，在該配置下系統(tǒng)掉電后，配置內(nèi)容自動丟失，方便擦除；AS配置方式是在整個系統(tǒng)完成調(diào)試后使用，該配置可以在系統(tǒng)上電后由FPGA主動輸出同步和控制信號給專用的芯片，使其自動加載相應(yīng)的配置內(nèi)容。

圖2 激光標(biāo)刻圖像驗證裝置的控制流程框圖

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)實現(xiàn)對激光打標(biāo)控制卡的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊為激光標(biāo)刻圖像驗證裝置的前端部分，通過串口線使得數(shù)據(jù)采集模塊與激光打標(biāo)控制卡的輸出口相連接。數(shù)據(jù)采集模塊包括了激光數(shù)據(jù)采集模塊、振鏡數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)檢測模塊三個部分，數(shù)據(jù)檢測模塊是用于判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋鸵约坝行?。?dāng)檢測到無效數(shù)據(jù)時，不進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；當(dāng)檢測到振鏡數(shù)據(jù)時，由振鏡數(shù)據(jù)采集模塊采集并存儲至SDRAM_1；當(dāng)檢測到激光數(shù)據(jù)時，由激光數(shù)據(jù)采集模塊采集并存儲至SDRAM_2。

激光打標(biāo)控制卡與激光器、振鏡的數(shù)據(jù)傳輸遵循XY2-100協(xié)議，因此數(shù)據(jù)采集模塊也應(yīng)遵循XY2-100協(xié)議。如圖4所示為XY2-100通用協(xié)議，其每次可發(fā)送20 bit的數(shù)據(jù)，并能以100 kword/s或2 Mbit/s的速率串行傳輸；數(shù)據(jù)每次傳輸?shù)臅r間必須為10 μs的整數(shù)倍；每個數(shù)據(jù)包中的前3位(C2～C0)為控制字，必須設(shè)定為001；接下來16位(D15～D00)為數(shù)據(jù)信息；最后1位(P)為奇偶校驗位；數(shù)據(jù)的傳送是通過同步信號定位，當(dāng)SYNC上升沿觸發(fā)時數(shù)據(jù)同步發(fā)送，當(dāng)SYNC下降沿觸發(fā)時奇偶校驗位發(fā)送。

圖3 FPGA配置電路

圖4 XY2-100通用振鏡協(xié)議

1.4 USB通信模塊

USB通信模塊應(yīng)實現(xiàn)接通PC上位機和激光標(biāo)刻圖像驗證裝置的功能，當(dāng)握手信號通信后，將存儲至SDRAM模塊的數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機，并能在上位機模擬繪制標(biāo)刻圖像結(jié)束后接收上位機反饋的結(jié)束指令。USB模塊必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院屯暾浴１疚牟捎玫氖荈TDI公司推出的第五代USB-to-UART/FIFO器件FT2232H，該器件支持480 Mbit/s的USB 2.0高速規(guī)范，并可在各類測試中的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下配置。FT2232H芯片在FPGA主控模塊的控制下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，并要在模擬繪制標(biāo)刻圖像結(jié)束后能上傳反饋指令至激光標(biāo)刻圖像驗證裝置。

FT2232H管腳時序見圖5，在讀寫數(shù)據(jù)編程時應(yīng)循序以下的時序。FT2232H功能強大，提供了2個支持USB 2.0高速規(guī)范的I/O通道，只需要添加簡單的配置電路，就可以實現(xiàn)單電路到雙通道串/并口的轉(zhuǎn)換；芯片內(nèi)部集成有USB處理協(xié)議，因此使用時不需要再進(jìn)行編寫USB固件程序；當(dāng)配置為UART接口時，F(xiàn)T2232H支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率達(dá)12 Mbit/s；當(dāng)配置為并行FIFO接口時，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)25 Mbit/s。為了保證數(shù)據(jù)的高效性，本設(shè)計將FT2232H配置成FT245的同步FIFO模式，當(dāng)配置成這種模式時，所有資源被切換到通道A，通道B不能使用。

圖5 FT2232H管腳時序圖

1.5 SDRAM存儲模塊

1.5.1 SDRAM的刷新

SDRAM作為存儲模塊主要用于存儲激光打標(biāo)控制卡傳送過來的數(shù)據(jù)，由于打標(biāo)卡數(shù)據(jù)量比較大，而FPGA片內(nèi)存儲器的容量很有限，當(dāng)主控芯片不能及時處理時，就需要一片存儲芯片來暫存激光打標(biāo)控制卡傳送來的數(shù)據(jù)。所以電路設(shè)計應(yīng)該是在主控模塊上外接SDRAM存儲模塊用來存放運行的振鏡數(shù)據(jù)和激光數(shù)據(jù)。選擇SDRAM的原因在于它對比SRAM價格更低而容量更高。

SDRAM是電容儲電的原理，SDRAM在上電不進(jìn)行其他操作時，數(shù)據(jù)保存時間的最長為64 ms，為了避免數(shù)據(jù)丟失，程序設(shè)計時必須定時刷新。本設(shè)計中采用MT48LC16M16A2型號的SDRAM芯片，每個Bank總共有8 192行的邏輯單元，由式(1)可知，每行自動刷新的周期最大值為7 812.5 ns。

(1)

SDRAM系統(tǒng)的讀寫時鐘為100MHz，時鐘周期是10ns，因此自動刷新計時器的計時時間取7 500ns，該時間小于最大刷新周期，符合設(shè)計要求。

1.5.2SDRAM的初始化模塊

MT48LC16M16A2芯片在進(jìn)行讀寫操作之前，都要進(jìn)行初始化操作。參照MT48LC16M16A2芯片的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定，其初始化流程操作如圖6所示。該圖為SDRAM在開機時的初始化過程，上電等待要有100μs的輸入穩(wěn)定期，在這個時間內(nèi)不可對SDRAM做任何操作；100μs以后就是要對所有Bank預(yù)充電，接著給SDRAM執(zhí)行8次刷新命令；最后對SDRAM的設(shè)置模式寄存器MR進(jìn)行設(shè)置。上述步驟就是SDRAM在上電后的全部初始化過程，在進(jìn)行完了初始化過程以后就可以正常地對SDRAM進(jìn)行讀寫。

圖6 SDRAM初始化

2 實驗驗證

圖7 PC_1中的上位機進(jìn)行圖像編輯(截圖)

將激光標(biāo)刻圖像驗證裝置放在實驗臺上，把PC_1、激光打標(biāo)控制卡、激光標(biāo)刻圖像驗證裝置、PC_2依次連接好，再打開PC、激光打標(biāo)控制卡、激光標(biāo)刻圖像驗證裝置的電源，然后在PC_1編輯要標(biāo)刻的圖像后，點擊確定，即可在PC_2中進(jìn)行激光標(biāo)刻圖像的數(shù)據(jù)驗證，為了方便測試，可以將PC_1和PC_2選用同一臺PC，如圖7所示為PC_1中的上位機進(jìn)行圖像編輯。

圖8所示為PC_2中的上位機對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中實線部分為激光開光時的走筆情況，虛線部分為激光關(guān)光時的走筆情況。圖9a所示為PC_2中上位機數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放大；如圖9b所示為PC_2中上位機進(jìn)一步放大圖，圖中可以清晰地看出激光開關(guān)光的打標(biāo)軌跡，其圖像坐標(biāo)軌跡都是根據(jù)振鏡數(shù)據(jù)一一對應(yīng)的，激光器開光時和關(guān)光時的振鏡軌跡是根據(jù)激光數(shù)據(jù)判定的，該仿真中實點為激光器開光時的振鏡坐標(biāo)軌跡，虛線為激光器關(guān)光時的振鏡坐標(biāo)軌跡。

圖8 PC_2中的上位機對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

圖9 PC_2中上位機的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放大

3 結(jié)語

本文提出了一種基于FPGA和USB的激光標(biāo)刻圖像驗證裝置，在Verilog語言編程下，該設(shè)計相對穩(wěn)定、可靠、便于移植和修改。實驗驗證，該圖像驗證裝置能夠精準(zhǔn)、快速地模擬繪制出實際情況中激光標(biāo)刻的過程。經(jīng)過工廠實測和多方調(diào)研比對后，證明該設(shè)計能夠簡化激光打標(biāo)卡在工廠開發(fā)過程中對大型硬件激光器、振鏡的依賴，使得激光打標(biāo)卡在驗證圖像的精確性和穩(wěn)定性時更為便捷和多樣，從而縮短了激光打標(biāo)卡的開發(fā)周期并降低了激光打標(biāo)卡的開發(fā)成本。

[1]官邦貴，劉頌豪，章毛連，等.激光精密加工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].激光與紅外，2010，40(3)：229-232.

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梁文斌(1990— )，碩士生，主研通信信號處理；

謝躍雷(1975— )，碩士生導(dǎo)師，主研無線寬帶通信與信號處理、車地寬帶無線傳輸技術(shù)等；

彭誠誠(1989— )，碩士生，主研通信信號處理；

王太興(1989— )，碩士生，主研通信信號處理；

趙佳慶(1989— )，碩士生，主研光通信技術(shù)。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Research and Design of Laser Marking and Image Verification Device

LIANG Wenbin, XIE Yuelei, PENG Chengcheng, WANG Taixing, ZHAO Jiaqing

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuangxiGuilin541004,China)

In order to solve the image verification during the laser marking card development process, a laser marking image verification device is designed.Firstly, the main control module of FPGA controls the serial port line to complete data acquisition. After data detection, discrimination and storage, the galvanometer coordinate data and laser switch data are transmited to the PC from USB bus, and reducted by the upper computer to realize image engraving simulation.The data acquisition follows XY2-100 protocol, the main control module of FPGA is Cyclone III, USB transfer module is chip FT2232H.The real-time data during the image engraving process can be acquierd quickly and completely by the device, and can be used to simulate the actual engraving pattern on the upper computer.The experimental results show that the device has running stability, high precision, strong image authentication.

laser marking; graphical verification; FPGA; USB

廣西自然科學(xué)基金項目(2013GXNSFFA019004)

TN247

A

10.16280/j.videoe.2015.05.013

2014-08-06

【本文獻(xiàn)信息】梁文斌，謝躍雷，彭誠誠,等.一種激光標(biāo)刻圖像驗證裝置的研究與設(shè)計[J].電視技術(shù),2015，39(5).