基于FPGA和CCD的高溫計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 樂，董 哲，張 磊

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

在冶金、航空航天、材料等生產(chǎn)、制造過程中，溫度是一個很重要的參數(shù)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)的效率[1-5]。傳統(tǒng)的溫度測量方法[6]有熱電阻、熱電偶等，熱電偶、熱電阻是接觸式測溫，只能測量接觸位置的溫度，并且接觸式測量中，被測溫度場會受到測試儀的測頭影響，且難以測量運(yùn)動中的物體。吳加倫等人[7]研究的新型十字測溫傳感器可以有效測量爐頂溫度，但是熱電偶壽命短、難以更換。劉小群等[8]基于單片機(jī),研究了多路熱電偶測溫,當(dāng)測溫路數(shù)較多時,使用單片機(jī)時實(shí)時性較差。目前常采用的紅外熱成像技術(shù)中的紅外單點(diǎn)測溫儀可以非接觸測量[9]，只能測量單點(diǎn)溫度，且在一些高溫的工業(yè)現(xiàn)場，人無法持設(shè)備現(xiàn)場測量，局限性較大。

基于面陣CCD傳感器的圖像測溫方法近些年來得到重視[10]。該方法可得到整個溫度場的溫度信息，靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)。白海城等人[11]基于DSP開發(fā)了一種面陣CCD高溫計(jì)，可對連鑄坯表面溫度場進(jìn)行在線測量。CCD相機(jī)和采集處理系統(tǒng)則是整個設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)出高分辨率、高幀率、高靈敏度、高信噪比的相機(jī)和高速采集、處理系統(tǒng)，對于發(fā)揮整個測溫系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

筆者結(jié)合FPGA的優(yōu)勢，研究CCD測溫系統(tǒng)，進(jìn)行基于FPGA和CCD測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 CCD測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 測溫原理

普朗克黑體輻射定律給出了黑體的光譜輻射力與波長和溫度的關(guān)系。目前，在高溫測量應(yīng)用中，溫度大多低于3 000 ℃,筆者主要討論8 00 ℃～1 200 ℃的場合，在這個范圍內(nèi)，普朗克公式可以近似為維恩公式，即在波長一定時，光譜輻射力是溫度的函數(shù)，因此，只要測得目標(biāo)的光譜輻射力，就可得到目標(biāo)的溫度。

筆者據(jù)此建立了單光譜CCD測溫系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 CCD測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖1中，被測目標(biāo)向外輻射能量，以CCD作為探測器捕獲輻射能，在CCD鏡頭前加一片近紅外窄帶濾光片，其中心波長等效為有效波長；依據(jù)維恩位移定律和所測溫度范圍，選取780 nm，帶寬10 nm。

在系統(tǒng)的曝光時間、增益等其他參數(shù)確定，且空氣、水霧等帶來的影響得到補(bǔ)償后[12]，可以得到CCD測得的灰度值與光譜輻射力的函數(shù)關(guān)系；通過黑體爐標(biāo)定后，將映射值存儲到處理電路中，由CCD測得的灰度值經(jīng)由處理電路，就可以得到目標(biāo)的溫度值。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)介紹

CCD測溫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CCD測溫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

經(jīng)黑體爐標(biāo)定后，可獲得被測目標(biāo)溫度場信息，抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)時性好，可應(yīng)用在800 ℃～1 200 ℃的高溫場合。

圖2中，系統(tǒng)主要由CCD模塊、驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和傳輸模塊4部分組成。

(1)CCD模塊使用索尼的ICX424AL傳感器，鏡頭前安裝有近紅外窄帶濾光片；

(2)驅(qū)動模塊使用AD9923A芯片，由FPGA通過SPI總線配置寄存器，輸出CCD所需要的水平、垂直、門限和其他驅(qū)動信號，CCD在電源和驅(qū)動信號的作用下將采集到的圖像信號發(fā)送至AD9923A，經(jīng)過CDS、VGA和ADC變換后，將12 bit的灰度值發(fā)送至FPGA處理；

(3)數(shù)據(jù)采集處理模塊中，F(xiàn)PGA使用Intel的颶風(fēng)系列；

(4)傳輸模塊使用千兆以太網(wǎng)，使用RTL8211EG物理層芯片，由FPGA控制通過UDP協(xié)議發(fā)送。以太網(wǎng)在滿足傳輸速率的前提下，抗干擾能力較強(qiáng)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

2 FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FPGA結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 FPGA結(jié)構(gòu)框圖

圖3中，F(xiàn)PGA為程序頂層模塊，內(nèi)部由鎖相環(huán)模塊、驅(qū)動配置模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成；根據(jù)模塊功能，可劃分為系統(tǒng)配置、采集與緩存和轉(zhuǎn)換與發(fā)送3部分。

2.1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)所需要的時鐘均由FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生，包括CCD需要的24.54 MHz、驅(qū)動配置模塊需要的4 MHz、緩存需要的100 MHz和以太網(wǎng)需要的125 MHz。這些時鐘由一個50 MHz時鐘源驅(qū)動，兩個鎖相環(huán)進(jìn)行分頻倍頻得到，有相位相關(guān)性；同時，經(jīng)過時鐘樹分配到各個寄存器，路徑延時得到有效控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)上電后，鎖相環(huán)正常工作產(chǎn)生時鐘，驅(qū)動配置模塊通過SPI總線給外部AD9923A配置寄存器。

2.2 采集與緩存

系統(tǒng)給出同步觸發(fā)命令，開始采集，CCD輸出圖像模擬信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號和時鐘被發(fā)送至FPGA。圖像采集模塊根據(jù)CCD時序，將有效信號保留下來，產(chǎn)生有效信號標(biāo)志位；為了保證后面處理和發(fā)送速度，緩存使用100 MHz，而圖像時鐘為24.54 MHz；為了保證數(shù)據(jù)不丟失，設(shè)置一個12位寬，512深度的FIFO進(jìn)行緩存。當(dāng)FIFO滿128個字的SDRAM突發(fā)長度時，SDRAM讀取FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)緩存到SDRAM芯片；SDRAM使用乒乓緩存技術(shù)，設(shè)置兩片存儲區(qū)bank0與bank1，當(dāng)bank0一幀圖像存儲完，乒乓緩存控制模塊控制轉(zhuǎn)換存儲區(qū)bank1進(jìn)行存儲，同時存儲區(qū)bank0允許讀取。

2.3 轉(zhuǎn)換與發(fā)送

測溫裝置標(biāo)定之前，F(xiàn)PGA只把圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)，經(jīng)過黑體爐標(biāo)定與修正后即可得到溫度與灰度的對應(yīng)關(guān)系。為了增加系統(tǒng)速度，筆者在FPGA中采用查表的方式得到溫度。ADC為12 bit分辨率，測溫范圍在800 ℃～1 200 ℃，溫差為400 ℃，系統(tǒng)設(shè)置了12 bit位寬、深度為4 096的存儲單元存放溫度數(shù)據(jù)；其中，高9位表示整數(shù)位，滿足400 ℃溫差范圍，低3位表示小數(shù)位，分辨率可以達(dá)到0.125 ℃。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，12 bit圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過溫度存儲單元后得到12 bit溫度數(shù)據(jù)，因需要2個時鐘的時延，因此，設(shè)置兩級寄存器延遲以保證數(shù)據(jù)同步。以太網(wǎng)端口是8 bit位寬，經(jīng)過以太網(wǎng)控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)也是要轉(zhuǎn)換為8 bit，通過一個異步FIFO實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)IFO的輸入、輸出端口位寬不同，Intel的FIFO核只支持32 bit轉(zhuǎn)8 bit，通過增加8 bit零來解決，后續(xù)上位機(jī)再進(jìn)行剔除。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)中，使用黑體爐來標(biāo)定高溫計(jì)參數(shù)，標(biāo)定后得到圖像灰度與溫度的映射關(guān)系，將映射值制作成表，下載到FPGA中。筆者在上位機(jī)上通過Quartus軟件的Signal tap工具，對實(shí)驗(yàn)過程中FPGA內(nèi)部信號設(shè)置中間探針，對中間信號進(jìn)行觀察分析。

3.1 采集與緩存

采集與緩存結(jié)果如圖4所示。

圖4 采集與緩存結(jié)果a-行時序； b-圖像數(shù)據(jù) ；c-有效標(biāo)志 ；d-fifo數(shù)據(jù)量；e-寫請求； f-寫回復(fù)； g-有效數(shù)據(jù)

圖4中，a為行時序，b為灰度值，前659個數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。采集模塊獲取有效數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有效標(biāo)志c，采集模塊將有效數(shù)據(jù)發(fā)送至寫緩存模塊，有效標(biāo)志作為FIFO的寫使能，為高時將數(shù)據(jù)寫入FIFO中，d為FIFO數(shù)據(jù)量，從位置1開始。當(dāng)FIFO數(shù)據(jù)量大于SDRAM突發(fā)長256時，發(fā)送寫請求e給SDRAM，寫請求在位置2有效，SDRAM收到后給出寫回復(fù)f作為FIFO讀使能，在位置3有效，從FIFO中讀取256個數(shù)據(jù)到SDRAM緩存，直到一幀完成，g為寫入到SDRAM中的數(shù)據(jù)。圖4中，a為緩存時鐘，b為從外部SDRAM中讀取到的12 bit灰度數(shù)據(jù)，經(jīng)過2個時鐘得到溫度數(shù)據(jù)d，灰度值經(jīng)過2個時鐘延遲與溫度數(shù)據(jù)組合成e，增加8 bit無效值得到f；數(shù)據(jù)使能c經(jīng)過同步后，得到FIFO寫請求信號g，將32 bit數(shù)據(jù)存入到FIFO中；k為FIFO中數(shù)據(jù)量，經(jīng)2個時鐘輸出。當(dāng)k小于突發(fā)長度256時，SDRAM取出256個數(shù)據(jù)處理并存入FIFO中；h為125 MHz的讀時鐘，i為讀請求信號，j為讀出的8 bit數(shù)據(jù)。

可以看出：當(dāng)讀請求有效時，F(xiàn)IFO由低到高以此輸出8 bit數(shù)據(jù)，完成32 bit轉(zhuǎn)8 bit發(fā)送的要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5所示。

3.3 寄存器時延分析

數(shù)據(jù)時延如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)時延

為了保證數(shù)據(jù)不丟失，筆者采用乒乓緩存，一幀緩存完才開始發(fā)送，緩存延時為一幀圖像的時間，約14 ms。處理模塊2個時鐘在100 MHz緩存時鐘下可以忽略不計(jì)。

以太網(wǎng)發(fā)送時鐘為125 MHz，使用UDP協(xié)議以1 472字節(jié)包長發(fā)送數(shù)據(jù)，延遲只有約0.012 ms。因此，總的時延約為14 ms，可以達(dá)到較高的性能。

圖5 數(shù)據(jù)處理結(jié)果a-緩存時鐘; b-圖像數(shù)據(jù);c-數(shù)據(jù)使能 ;d-溫度數(shù)據(jù); e-溫度與灰度; f-fifo輸入;g-寫請求延時; h-讀時鐘 ;i-讀請求 ;j-fifo輸出; k-fifo數(shù)據(jù)量

4 結(jié)束語

筆者根據(jù)單光譜輻射測溫理論，研究了基于FPGA和CCD測溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以FPGA為核心，采用黑體爐標(biāo)定完直接查表的方法快速處理、傳輸溫度數(shù)據(jù)；通過實(shí)驗(yàn)采樣FPGA內(nèi)部信號，對采集和緩存的灰度信息以及轉(zhuǎn)換得到的溫度信息進(jìn)行分析，結(jié)果證明，系統(tǒng)處理傳輸速度可以達(dá)到CCD最高幀率；同時，計(jì)算了數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部的時鐘延遲僅為14 ms，滿足實(shí)時性的要求。

該測溫系統(tǒng)僅使用了一個AD9923A為CCD提供驅(qū)動，使用一個FPGA完成系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)热蝿?wù)，集成度高、可靠性強(qiáng)，在復(fù)雜的溫度測量現(xiàn)場有較高的實(shí)用性價(jià)值。圖像灰度與溫度數(shù)據(jù)實(shí)時通過以太網(wǎng)發(fā)送至上位機(jī)，為上位機(jī)以高分辨率、高幀率穩(wěn)定反饋溫度信息提供了前提。