陳鵬名　盧振洋　劉嘉　白立來　陳雨

摘 要： 為了進一步分析研究焊接過程中圖像和焊接參數(shù)的相互關系及對焊接過程的反應，提高焊接穩(wěn)定性。提出一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的圖像與模擬信號同步采集設計方案，利用同步脈沖控制圖像與模擬信號采集，詳細介紹了圖像與模擬信號同步采集實現(xiàn)原理、硬件結構的實現(xiàn)方案。實驗表明，該系統(tǒng)具有同步效果好和可靠性高的優(yōu)點。

關鍵詞： FPGA； 焊接； MT9M034； AD9226； 同步采集

中圖分類號： TN911.71?34； TG409 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0079?04

Abstract： To further analyze the relationship between image and welding parameters in welding process and the influence on welding process， and improve the welding stability， a FPGA?based design scheme of image and analog signal synchronous acquisition is proposed. The image and analog signal synchronous acquisition is controlled by synchronous pulse. The implementation principle and the realization scheme of hardware construction of image and analog signal synchronous acquisition are introduced in detail. The experimental results show that this system has the advantages of good synchronous effect and high reliability.

Keywords： FPGA； welding； MT9M034； AD9226； synchronous acquisition

0 引 言

焊接過程具有非線性、參數(shù)耦合作用強、干擾因素多等特點，因此，準確并同步地采集焊接過程中的圖像信號與參數(shù)，并依此分析焊接過程及狀態(tài)是研究和控制焊接過程、確保焊接質量、提高焊接生產效率的重要課題[1]。

目前，絕大多數(shù)國內研究者都采用高速攝像機捕獲焊接圖像，對焊接動態(tài)過程進行研究。也有研究者利用觸發(fā)脈沖啟動高速攝像機及A/D轉換芯片，同步采集焊接圖像及焊接參數(shù)，在計算機上進行圖像和數(shù)據的對應判讀[2]。由于高速攝像機內的時鐘信號和計算機內的時鐘信號難以精確同步，這種方法在觸發(fā)后的初始階段可以得到比較好的同步效果，隨著采集時間增加，波形數(shù)據與圖像同步效果會越來越差。

與傳統(tǒng)的控制核心DSP或單片機相比，F(xiàn)PGA內部延時小、時鐘頻率高，全部控制邏輯都由硬件完成，其速度更快、效率更高[3]。為了滿足焊接過程圖像與參數(shù)同步采集的要求，本文在此技術基礎上提出了一種基于FPGA，采用Verilog HDL設計圖像與模擬信號同步采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了圖像與模擬信號的同步采集，并用于焊接過程中同步采集焊接圖像與焊接電流，為進一步分析研究它們之間的相關性工作奠定了基礎。

1 系統(tǒng)整體結構設計

研究焊接動態(tài)過程與參數(shù)之間的關系，首先要求兩者同步。本文以FPGA為控制核心，建立了如圖1所示的圖像與模擬信號同步采集系統(tǒng)，主要包括圖像采集模塊、模擬信號采集模塊、數(shù)據存儲模塊及實時顯示模塊。

系統(tǒng)工作過程中，手動開關使FPGA產生同步信號sync_out、觸發(fā)信號tri_out和A/D轉換信號AD_clk三種信號，sync_out用于啟動圖像采集模塊與模擬信號采集模塊，控制同步采集的開始與結束；tri_out用于控制圖像采集模塊中曝光芯片采集圖像；AD_clk用于控制模擬信號采集模塊進行模/數(shù)轉換并采集數(shù)據。圖2為Quartus軟件SignalTap Ⅱ logic analyzer采集系統(tǒng)輸出的控制信號波形圖。

在0時刻，sync_out由低變高，圖像采集模塊與模擬信號采集模塊同步采集開始；此時圖像采集模塊觸發(fā)信號tri_out由低變高觸發(fā)曝光芯片采集圖像，經過500 μs后圖像采集完畢；tri_out由高變?yōu)榈停Ｖ共杉?，圖像數(shù)據發(fā)送到FIFO，進行存儲等后續(xù)處理。與此同時，模擬信號采集模塊控制信號AD_clk（上升沿觸發(fā)）觸發(fā)A/D轉換芯片模/數(shù)轉換并采集數(shù)據發(fā)送到FIFO，進行存儲等后續(xù)處理，采集完一個數(shù)據后AD_clk繼續(xù)輸出有效，連續(xù)采集，直至采集同步信號sync_out由高變低停止同步采集。圖中的4000對應的數(shù)據為200 ms時刻發(fā)送的控制信號，此時觸發(fā)信號tri_out由低變高，開始采集第二幀圖像，tri_out控制圖像采集模塊每200 ms采集一幀圖像，直至同步信號sync_out由高變低同步采集結束。系統(tǒng)同步采集工作流程如圖3所示。

1.1 圖像采集模塊

考慮到焊接過程的動態(tài)特點，所以要求曝光芯片的曝光時間[4]應該小于1 ms，圖像的分辨率最好在256×256像素以上。系統(tǒng)采用CMOS彩色圖像傳感MT9M034曝光芯片，有效像素1 280×960，最小曝光時間為499 μs。曝光芯片由NIOS軟核控制，其工作模式由芯片上的SCL和SDATA兩個引腳輸入采取SCCB總線方式控制，其與NIOS軟核連接方式如圖4所示。

完成對曝光芯片的配置后，F(xiàn)PGA觸發(fā)曝光芯片采集圖像。其輸出信號包括LINE_VALID（行同步）、FRAME_VALID（場同步）、Dout（數(shù)據輸出）、PIXCLK（輸出時鐘）等信號。圖像數(shù)據輸出時序如圖5所示。endprint

1.2 模擬信號采集模塊

焊接電流是焊接過程中最重要的工藝參數(shù)，它的變化直接影響到焊接過程的動態(tài)行為，并影響焊縫成形及焊接質量[2]。一般認為10 kHz的采樣率可以滿足對常規(guī)焊接過程作一般評價要求[5]。系統(tǒng)采用基于AD9226轉換芯片的數(shù)據采集裝置，最大采樣率65 MSPS，具有高度靈活的輸入結構，可以方便地和單端或差分輸入信號進行連接，而且具有較低的功耗（475 mW）和較高的信噪比[6]（69 dB）。將AD9226配置為單端輸入，輸入范圍為1.0～3.0 V的模式。在此模式下，[VREF]即基準電壓為2.0 V，VINA輸入為1.0～3.0 V。外部電壓輸入范圍為-5.0～ 5.0 V，因此通過衰減電路將-5.0～5.0 V電壓衰減到1.0～3.0 V。輸入/輸出轉換公式為：

1.3 數(shù)據存儲模塊

系統(tǒng)數(shù)據存儲部分由SDRAM和SD卡組成。由于圖像采集數(shù)據量大，對數(shù)據緩存容量需求比較大，系統(tǒng)加入了2片SDRAM，將2片SDRAM的數(shù)據輸入端合并構成了32 b的數(shù)據總線，單片容量為512 Mb，系統(tǒng)緩存總量高達1 Gb，可以滿足設計需求。同時采用SD存儲卡作為存儲媒介，其具有體積小、記憶容量大、數(shù)據傳輸率快、移動靈活性好及安全性高等特點[7]。系統(tǒng)采用40 kHz模擬信號采樣頻率，模塊信號數(shù)據傳輸速率要求為60 KB/s，圖像采集速率5 Hz，其數(shù)據傳輸速率要求為3 840 KB/s。SPI總線模式傳輸協(xié)議易于實現(xiàn)，但數(shù)據傳輸速率較低，為了滿足傳輸速率要求，系統(tǒng)采用了4 b SD總線模式，通過設計文件系統(tǒng)和SD卡控制器對SD卡進行操作實現(xiàn)數(shù)據的存儲，其讀/寫速率達到5 MB/s，滿足對數(shù)據的存儲要求。

1.4 VGA顯示模塊設計

目前大部分液晶顯示器接口有兩種：VGA和DVI。系統(tǒng)采用的是VGA接口，使用ADI公司ADV7123高速DAC芯片配合FPGA實現(xiàn)VGA顯示功能，該DAC芯片包含了3路10位高速視頻DAC，支持3.3 V和5 V電源供電，最高支持輸入330 MHz，具有R，G，B三路模擬視頻信號輸出，每一路視頻信號輸出能夠驅動37.5 Ω的負載。VGA接口輸出信號包括行同步信號（Hsync），場同步信號（Vsync），紅綠藍3路模擬信號（RGB）和像素時鐘信號（CLOCK）。硬件連接方式如圖6所示，通過設計DMA控制器利用Avalon總線將圖像數(shù)據從SDRAM中發(fā)送到ADV7123，經數(shù)/模轉換后得到RGB信號[8]。

本設計使用的工業(yè)VGA標準，分辨率為800×600，頻率為60 Hz，F(xiàn)PGA內部的PLL產生40 MHz像素時鐘為。Hsync和Vsync則由FPGA根據VGA信號的時序輸出標準產生。圖7為VGA數(shù)據顯示時序，當Vsync有效時，開始逐行掃描；當Vsync與Hsync同為高電平，每個時鐘周期輸出單個像素數(shù)據。

2 同步記錄與分析

圖像與參數(shù)數(shù)據先保存到SD卡中，數(shù)據采集結束后以異步方式保存到計算機中。FPGA發(fā)出的控制信號到達模擬信號采集模塊與圖像采集模塊并開始響應的時間不相同，所以必須確定各模塊的延時才能找出圖像采集時刻所對應的模擬信號，達到同步效果。同步和觸發(fā)信號產生時刻加上模塊響應時間即為采集圖像與模擬數(shù)據的真正時刻。把兩模塊相同時刻采集的圖像與模擬信號對應起來，這樣就得到圖像與模擬信號同步數(shù)據。在實現(xiàn)圖像與模擬信號同步分析之前需要先確定圖像采集模塊與模擬信號采集模塊的延時。圖像采集模塊工作過程中，其延時主要包括觸發(fā)信號從產生到曝光芯片開始響應與曝光芯片響應完成的時間。曝光芯片接收到觸發(fā)信號到響應完成開始采集圖像時間為11.3 ns，F(xiàn)PGA觸發(fā)信號產生到曝光芯片開始響應的時間小于1 ns，由此可確定圖像采集模塊的延時約為14 ns。同樣地，參數(shù)采集模塊的延時約為15 ns。由此可知，同步信號有效后，圖像采集模塊與模擬信號采集模塊開始采集數(shù)據的時間間隔約為1 ns。模擬信號采樣頻率為40 kHz，即周期為25 μs，曝光芯片采集1幅圖像所用的時間499 μs。1 ns對于模擬信號采樣周期與曝光芯片采集圖像時間都是可以忽略不計的，由此帶來的誤差分別為0.004%和0.000 2%，即可以認為圖像采集模塊與模擬信號采集模塊同時刻接收到觸發(fā)信號并同步開始采集數(shù)據。

3 實驗驗證

在穿孔等離子弧焊接過程中，焊接電流直接影響焊接質量，而等離子弧焊接尾焰與焊接電流具有相關性，同時焊接尾焰的形態(tài)特征也能反映出焊接質量[9]。因此利用本系統(tǒng)同步采集焊接尾焰與焊接電流，為研究尾焰圖像特征與焊接電流和焊接質量的關系奠定基礎。下面用本系統(tǒng)對穿孔等離子弧焊過程圖像與焊接電流進行采集。所用焊機為北京工業(yè)大學自主研發(fā)的等離子焊機，焊接工件為5 mm厚的5A06鋁板，鎢極與工件間距為8 mm，離子氣流量為2.5 L/min，保護氣氬氣流量為15 L/min，焊絲直徑1.6 mm，送絲速度1.2 m/min，焊接速度設定為0.15 m/min。

圖8為采集的電流數(shù)據用Origin描繪的波形圖。從圖中可以看出正負電流的時間比例為21[∶]4，與焊機面板設定的焊接參數(shù)相吻合。

電流局部放大如圖9所示，從圖中可以看出電流整個周期內的變化過程以及電流過零時的特殊處理。

電壓由負變?yōu)檎^零點時電流急劇下降，容易形成斷弧，這時需要高的電壓產生大電流使電弧比較容易重新被引燃，所以導致電流過零點后得到一個較高的值，電弧穩(wěn)定后電流再降到所需值，電流的變化趨勢與焊機面板上的輸出值相符合。

4 結 語

本文提出了一種以FPGA為控制核心，采用MT9M034曝光芯片和AD7864模數(shù)轉換芯片實現(xiàn)圖像與模擬信號同步采集，詳細介紹了各模塊的工作原理以及方法，經測試，該系統(tǒng)圖像采集與模擬信號等模塊工作穩(wěn)定，達到預期效果，為分析焊接過程圖像與各參數(shù)之間的關系提供了一個有效的平臺。

參考文獻

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