本發(fā)明涉及激光測(cè)量領(lǐng)域，并且特別地，涉及一種激光位移傳感器的控制系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

位移傳感器是用于測(cè)量物體位置發(fā)生變化并以數(shù)字或模擬信號(hào)將測(cè)量結(jié)果輸出的組件。根據(jù)工作原理，位移傳感器可分為電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波式位移傳感器以及霍爾式位移傳感器等。

激光位移傳感器以其卓越的測(cè)量性能，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸在線測(cè)量位移、三維尺寸、厚度、表面輪廓、物體形變、振動(dòng)、液位等參數(shù)，能夠?yàn)楣ぜ謷?、各種大型構(gòu)件的安裝提供有效支持(例如，可以協(xié)助實(shí)現(xiàn)橋梁、飛機(jī)和艦船骨架、機(jī)床導(dǎo)軌等的定位安裝)，而且還能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)重要構(gòu)件在承載時(shí)發(fā)生微量變形。進(jìn)年來(lái)，隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的不斷發(fā)展，激光位移傳感器已經(jīng)逐漸成為光電非接觸檢測(cè)的主流產(chǎn)品。

在當(dāng)今信息化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)下，激光位移傳感器作為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)工具的自動(dòng)化儀表及裝置，也向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

在公告號(hào)為CN 204807990 U的實(shí)用新型專(zhuān)利中，公開(kāi)了一種材料試驗(yàn)機(jī)控制器，該方案采用了FPGA和ARM組成的架構(gòu)，有FPGA測(cè)量數(shù)據(jù)，之后發(fā)送至ARM處理器。該專(zhuān)利所公開(kāi)的方案雖然實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集和處理，得到了位移值等參數(shù)。但是，在該方案中，對(duì)于如何控制FPGA的工作模式，該專(zhuān)利并沒(méi)有涉及。因此，該專(zhuān)利所公開(kāi)的方案存在以下缺陷：不論是ARM還是FPGA，都沒(méi)有與測(cè)量設(shè)備進(jìn)行交互，僅被動(dòng)接收和處理數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行控制，如果測(cè)量設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)實(shí)際測(cè)量環(huán)境不符，將會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果，在大規(guī)模生產(chǎn)監(jiān)控的場(chǎng)景中應(yīng)用時(shí)效果較差。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)相關(guān)技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種激光位移傳感器的控制系統(tǒng)和方法，能夠在完成測(cè)量的同時(shí)，對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行控制。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種激光位移傳感器的控制系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器的控制系統(tǒng)包括光學(xué)頭模塊和控制模塊，光學(xué)頭模塊包括FPGA處理芯片、激光器驅(qū)動(dòng)電路、第一通信接口；控制模塊包括處理器和第二通信接口，處理器與FPGA處理芯片之間通過(guò)第一通信接口和第二通信接口進(jìn)行通信；其中，F(xiàn)PGA處理芯片用于根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定位移值，并將確定的位移值發(fā)送至處理器；以及用于在處理器的控制下，將激光器控制信號(hào)輸出至激光器驅(qū)動(dòng)電路；激光器驅(qū)動(dòng)電路用于根據(jù)激光器控制信號(hào)對(duì)激光器的工作參數(shù)進(jìn)行控制；處理器用于控制FPGA處理芯片輸出激光器控制信號(hào)，以及接收來(lái)自FPGA處理芯片的位移值。

其中，激光器驅(qū)動(dòng)電路包括加法器電路，F(xiàn)PGA處理芯片連接至加法器電路的第一輸入端，且FPGA處理芯片在處理器的控制下將激光器控制信號(hào)輸出至第一輸入端；加法器電路的第二輸入端連接至基準(zhǔn)電平信號(hào)，加法器電路的輸出端連接至激光器；其中，基準(zhǔn)電平信號(hào)為恒定信號(hào)。

進(jìn)一步地，在處理器控制FPGA處理芯片輸出激光器控制信號(hào)時(shí)，處理器可以將激光器的工作模式通知給FPGA處理芯片，工作模式包括固定參數(shù)模式以及可變參數(shù)模式；其中，

在固定參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片停止輸出激光器控制信號(hào)；

在可變參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片對(duì)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果輸出激光器控制信號(hào)。

具體而言，加法器電路可用于將來(lái)自第一輸入端和第二輸入端的信號(hào)進(jìn)行加和操作得到加和結(jié)果信號(hào)，并通過(guò)輸出端輸出加和結(jié)果信號(hào)至激光器，其中，加和結(jié)果信號(hào)用于調(diào)整激光器的光強(qiáng)；在固定參數(shù)模式下，加法器電路輸出的加和結(jié)果信號(hào)為基準(zhǔn)電平信號(hào)；在可變參數(shù)模式下，在FPGA處理芯片對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，得到反光物體的表面特性和/或激光器與反光物體之間的距離，并根據(jù)表面特性和/或距離生成激光器控制信號(hào)；加法器電路用于將激光器控制信號(hào)與基準(zhǔn)電平信號(hào)進(jìn)行加和操作并輸出加和結(jié)果信號(hào)。

進(jìn)一步地，上述控制模塊還可以包括通信模塊，處理器用于通過(guò)通信模塊將接收的位移值上報(bào)至管理設(shè)備；并且，根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括：顯示器，用于顯示當(dāng)前的工作模式、位移值和/或處理器上報(bào)位移值的方式；輸入設(shè)備，用于接收輸入的指令；并且，處理器用于根據(jù)輸入的指令對(duì)工作模式和/或處理器上報(bào)位移值的方式進(jìn)行調(diào)整，其中，處理器上報(bào)位移值的方式包括單次上報(bào)和集中上報(bào)。

此外，上述光學(xué)頭模塊可以進(jìn)一步包括：溫度傳感模塊，用于測(cè)量溫度，并將溫度測(cè)量結(jié)果提供給FPGA處理芯片；并且，F(xiàn)PGA處理芯片還用于根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果以及預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則對(duì)確定的位移值進(jìn)行調(diào)整；在發(fā)送位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片將調(diào)整后的位移值發(fā)送至處理器，其中，預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則中包括多個(gè)溫度值/溫度值范圍以及相應(yīng)的位移值變化量。

此外，可選地，上述第一通信接口和第二通信接口為模擬電壓信號(hào)傳輸接口，光學(xué)頭模塊進(jìn)一步包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對(duì)確定的位移值進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，通過(guò)第一通信接口發(fā)送至處理器的第二通信接口；和/或上述第一通信接口和第二通信接口為RS232通信接口。

此外，在圖像傳感器為線陣圖像傳感器的情況下，上述光學(xué)頭模塊可以進(jìn)一步包括低通濾波器，低通濾波器對(duì)來(lái)自線陣圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行低通濾波；并且，在FPGA處理芯片確定位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片用于基于低通濾波后的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置，并根據(jù)中心點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)參考點(diǎn)的位置確定位移值。

進(jìn)一步地，F(xiàn)PGA處理芯片用于通過(guò)以下方式中的至少之一確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置：確定低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)兩側(cè)選擇圖像信號(hào)的多個(gè)點(diǎn)并根據(jù)峰值點(diǎn)和選擇的點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；根據(jù)低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值以及預(yù)先配置的下限值與峰值之間的比例關(guān)系確定下限值，選擇位于峰值與下限值之間的圖像信號(hào)，并根據(jù)所選擇的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；對(duì)低通濾波后的圖像信號(hào)的波形進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)擬合得到的曲線的峰值點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)。

此外，上述FPGA處理芯片還可以用于根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定反光物體的表面特性，并根據(jù)表面特性調(diào)整圖像傳感器的曝光時(shí)間。

可選地，上述處理器可以為ARM處理器。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種激光位移傳感器的控制方法。

根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器的控制方法包括：FPGA處理芯片根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定位移值，并將確定的位移值發(fā)送至處理器，其中，F(xiàn)PGA處理芯片在處理器的控制下，將激光器控制信號(hào)輸出至激光器驅(qū)動(dòng)電路，并且，激光器驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)激光器控制信號(hào)對(duì)激光器的工作參數(shù)進(jìn)行控制；處理器接收來(lái)自FPGA處理芯片的位移值。

其中，激光器驅(qū)動(dòng)電路包括加法器電路，F(xiàn)PGA處理芯片連接至加法器電路的第一輸入端，且FPGA處理芯片在處理器的控制下將激光器控制信號(hào)輸出至第一輸入端；加法器電路的第二輸入端連接至基準(zhǔn)電平信號(hào)，加法器電路的輸出端連接至激光器；其中，基準(zhǔn)電平信號(hào)為恒定信號(hào)。

進(jìn)一步地，在處理器控制FPGA處理芯片輸出激光器控制信號(hào)時(shí)，處理器將激光器的工作模式通知給FPGA處理芯片，工作模式包括固定參數(shù)模式以及可變參數(shù)模式；其中，在固定參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片停止輸出激光器控制信號(hào)；在可變參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片對(duì)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果輸出激光器控制信號(hào)。

具體而言，在對(duì)激光器的工作參數(shù)進(jìn)行控制時(shí)，加法器電路將來(lái)自第一輸入端和第二輸入端的信號(hào)進(jìn)行加和操作得到加和結(jié)果信號(hào)，并通過(guò)輸出端輸出加和結(jié)果信號(hào)至激光器，其中，加和結(jié)果信號(hào)用于調(diào)整激光器的光強(qiáng)；在固定參數(shù)模式下，加法器電路輸出的加和結(jié)果信號(hào)為基準(zhǔn)電平信號(hào)；在可變參數(shù)模式下，在FPGA處理芯片對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，得到反光物體的表面特性和/或激光器與反光物體之間的距離，并根據(jù)表面特性和/或距離生成激光器控制信號(hào)；加法器電路用于將激光器控制信號(hào)與基準(zhǔn)電平信號(hào)進(jìn)行加和操作并輸出加和結(jié)果信號(hào)。

此外，該控制方法可以進(jìn)一步包括：處理器可以通過(guò)通信模塊將位移值上報(bào)至管理設(shè)備；通過(guò)顯示器來(lái)顯示當(dāng)前的工作模式、位移值和/或處理器上報(bào)位移值的方式；通過(guò)通過(guò)輸入設(shè)備接收輸入的指令，處理器根據(jù)輸入的指令對(duì)工作模式和/或處理器上報(bào)位移值的方式進(jìn)行調(diào)整，其中，處理器上報(bào)位移值的方式包括單次上報(bào)和集中上報(bào)。

此外，該方法可以進(jìn)一步包括：通過(guò)溫度傳感模塊測(cè)量溫度，并將溫度測(cè)量結(jié)果提供給FPGA處理芯片；FPGA處理芯片還根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果以及預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則對(duì)確定的位移值進(jìn)行調(diào)整；在發(fā)送位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片將調(diào)整后的位移值發(fā)送至處理器，其中，預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則中包括多個(gè)溫度值/溫度值范圍以及相應(yīng)的位移值變化量。

可選地，處理器與FPGA處理芯片之間通過(guò)模擬電壓信號(hào)傳輸接口和/或RS232通信接口進(jìn)行通信。

此外，在圖像傳感器為線陣圖像傳感器的情況下，在FPGA處理芯片確定位移值之前，可以通過(guò)低通濾波器對(duì)來(lái)自線陣圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行低通濾波；并且，在FPGA處理芯片確定位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片可以基于低通濾波后的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置，并根據(jù)中心點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)參考點(diǎn)的位置確定位移值。

具體地，F(xiàn)PGA處理芯片可以通過(guò)以下方式中的至少之一確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置：確定低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)兩側(cè)選擇圖像信號(hào)的多個(gè)點(diǎn)并根據(jù)峰值點(diǎn)和選擇的點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；根據(jù)低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值以及預(yù)先配置的下限值與峰值之間的比例關(guān)系確定下限值，選擇位于峰值與下限值之間的圖像信號(hào)，并根據(jù)所選擇的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；對(duì)低通濾波后的圖像信號(hào)的波形進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)擬合得到的曲線的峰值點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)。

此外，根據(jù)本發(fā)明的控制方法可以進(jìn)一步包括：FPGA處理芯片根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定反光物體的表面特性，并根據(jù)表面特性調(diào)整圖像傳感器的曝光時(shí)間。

可選地，上述處理器可以為ARM處理器。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)以下有益效果：

(1)通過(guò)處理器控制FPGA處理芯片，進(jìn)而控制激光器，能夠讓激光位移傳感器在處理器的控制下工作，從而有助于根據(jù)激光器的工作環(huán)境、測(cè)量對(duì)象等因素，靈活調(diào)整激光器的工作參數(shù)，從而有助于實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的測(cè)量；當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)被分布式部署時(shí)，能夠根據(jù)被測(cè)設(shè)備的實(shí)際要求控制測(cè)量設(shè)備的工作，適用于大規(guī)模的生產(chǎn)監(jiān)控；并且，本發(fā)明通過(guò)由FPGA處理圖像信號(hào)而得到位移值，能夠充分發(fā)揮FPGA處理芯片的處理性能，在無(wú)需上位機(jī)等設(shè)備的情況下在本地得到位移結(jié)果，保證了處理的實(shí)時(shí)性，讓系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，降低了成本和能耗；

(2)本發(fā)明提出由FPGA處理芯片通過(guò)加法器電路來(lái)控制激光器的工作，不僅控制過(guò)程有效，而且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本和復(fù)雜度較低，便于維護(hù)；

(3)本發(fā)明通過(guò)讓處理器控制FPGA處理芯片在兩種模式下控制激光器的工作，能夠適應(yīng)不同的測(cè)量環(huán)境，例如，對(duì)于測(cè)量精度要求較高的設(shè)備，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以采用可變參數(shù)模式，以便提高位移測(cè)量的精確度；而對(duì)于測(cè)量精度要求較低的設(shè)備，則可以采用固定參數(shù)模式進(jìn)行測(cè)量，從而減小FPGA的處理負(fù)擔(dān)和能耗，有助于保證處理的實(shí)時(shí)性；

(4)本發(fā)明通過(guò)根據(jù)反光物體表面特性以及激光器與反光物體的距離來(lái)調(diào)節(jié)激光器，能夠根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境對(duì)激光器進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，從而有助于改善圖像信號(hào)的質(zhì)量，保證光斑的強(qiáng)度，從而提高測(cè)量精度；

(5)通過(guò)顯示器，能夠讓操作人員在現(xiàn)場(chǎng)更加容易地查看每個(gè)測(cè)量設(shè)備的工作模式、測(cè)量結(jié)果、以及測(cè)量結(jié)果的上報(bào)情況，讓工廠車(chē)間的管理更加直觀；通過(guò)輸入設(shè)備來(lái)改變工作方式和上報(bào)方式，能夠讓操作人員很方便地對(duì)每個(gè)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行控制，例如，對(duì)于要求測(cè)量精度較低、對(duì)位移相對(duì)不敏感的設(shè)備，可以采用固定參數(shù)模式測(cè)量，并以集中上報(bào)的方式(將多次采集的結(jié)果進(jìn)行一次性上報(bào))上傳位移值；對(duì)于要求測(cè)量精度較高、對(duì)位移非常敏感的設(shè)備，則可以在可變參數(shù)模式下進(jìn)行測(cè)量，并采用單次上報(bào)(是指每次得到位移值后，都上報(bào)本次測(cè)量的位移值)的方式發(fā)送位移值，以便于提高測(cè)量精度，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

(6)本發(fā)明通過(guò)根據(jù)溫度對(duì)測(cè)量的位移值進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，能夠讓測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境溫度的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；并且，由于調(diào)整的對(duì)象是位移值，所以能夠避免對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更加容易、便捷；

(7)對(duì)于線陣圖像傳感器，本發(fā)明采用低通濾波的去噪方案，能夠在由于激光散射強(qiáng)度較強(qiáng)導(dǎo)致線性傳感芯片(如CMOS芯片)所產(chǎn)生的圖片會(huì)形成飽和失真特性(即，單點(diǎn)激光在CMOS成像中由高斯波形惡化為中間凹陷的雙峰波形，而常規(guī)的中值濾波、高斯濾波、均值濾波圖像處理方法對(duì)CMOS傳感器的飽和波形失真失效)的情況下，有效消除高頻噪聲和CMOS傳感器飽和波形失真，從而顯著降低噪聲，使得原始圖像輪廓光滑，以便正確地確定和提取輪廓中心點(diǎn)位置，有助于得到更加精確的相對(duì)位移值；另外，基于圖像輪廓的中心點(diǎn)來(lái)確定相對(duì)位移值，使得圖像處理所采用的方法能夠有效適用于線陣傳感芯片，從而保證了位移傳感的精度；而且由于處理過(guò)程的復(fù)雜度較低，進(jìn)一步提高了處理的實(shí)時(shí)性，降低了圖像處理對(duì)于硬件的需求；

(8)另外，本發(fā)明提出采用重心確定或曲線擬合的方式來(lái)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)，能夠讓圖像處理方法有效適用于線陣芯片采集的圖像信號(hào)，使得處理結(jié)果滿足高精度要求，而且處理過(guò)程簡(jiǎn)單有效，復(fù)雜度較低，能夠提高處理的效率；

(9)本發(fā)明通過(guò)FPGA對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析并基于分析結(jié)果調(diào)整圖像傳感器，能夠進(jìn)一步優(yōu)化圖像信號(hào)質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高后續(xù)相對(duì)位移檢測(cè)的精確度。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器的控制系統(tǒng)的框圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光器驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的激光位移傳感器的控制系統(tǒng)的框圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的激光位移傳感器的控制系統(tǒng)的框圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的激光位移傳感器的控制系統(tǒng)的框圖；

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的控制模塊結(jié)構(gòu)的框圖；

圖7是示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光學(xué)頭模塊結(jié)構(gòu)的框圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器的控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

此說(shuō)明性實(shí)施方式的描述應(yīng)與相應(yīng)的附圖相結(jié)合，附圖應(yīng)作為完整的說(shuō)明書(shū)的一部分。在附圖中，實(shí)施例的形狀或是厚度可擴(kuò)大，并以簡(jiǎn)化或是方便標(biāo)示。再者，附圖中各結(jié)構(gòu)的部分將以分別描述進(jìn)行說(shuō)明，值得注意的是，圖中未示出或未通過(guò)文字進(jìn)行說(shuō)明的元件，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所知的形式。

此處實(shí)施例的描述，有關(guān)方向和方位的任何參考，均僅是為了便于描述，而不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的任何限制。相關(guān)術(shù)語(yǔ)，如“更低”、“更高”、“水平的”、“垂直的”、“在上”、“在下”、“上”、“下”、“頂部”和“|底部”以及其派生詞(如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)均應(yīng)被解釋為說(shuō)明中描述的或附圖中示出所討論的方位。這些相關(guān)術(shù)語(yǔ)僅僅為了方便描述，而不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)儀器設(shè)備的解釋或者在特定方位上的具體操作。術(shù)語(yǔ)，如“附上……的”(attached)、“固定于……的”、“相連的”和“彼此相連的”指代一種關(guān)系，其中結(jié)構(gòu)被直接或間接地通過(guò)插入結(jié)構(gòu)，固定或附著于另一結(jié)構(gòu)，除非有明確的描述，所述結(jié)構(gòu)包括可移動(dòng)的、或者固定不動(dòng)的、或者相關(guān)聯(lián)的。此外，本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)參照優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行說(shuō)明。因此，優(yōu)選實(shí)施方式說(shuō)明可能的非限定的特征的組合，這些特征可能獨(dú)立存在或者組合存在，本發(fā)明并不特別地限定于優(yōu)選的實(shí)施方式。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書(shū)所界定。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種激光位移傳感器的控制系統(tǒng)。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光位移傳感器的控制系統(tǒng)包括光學(xué)頭模塊1和控制模塊2，光學(xué)頭模塊包括FPGA處理芯片11、激光器驅(qū)動(dòng)電路12、第一通信接口13；控制模塊2包括處理器21和第二通信接口22，處理器21與FPGA處理芯片11之間通過(guò)第一通信接口13和第二通信接口22進(jìn)行通信。其中，F(xiàn)PGA處理芯片11用于根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定位移值，并將確定的位移值發(fā)送至處理器21。其中，圖像傳感器可以是CMOS傳感器，也可以是CCD傳感器，圖像傳感器與FPGA處理芯片之間可以采用10位并行傳輸?shù)姆绞絺鬏攬D像信號(hào)。

不僅如此，F(xiàn)PGA處理芯片11還用于在處理器21的控制下，將激光器控制信號(hào)輸出至激光器驅(qū)動(dòng)電路12。激光器驅(qū)動(dòng)電路12用于根據(jù)激光器控制信號(hào)對(duì)激光器的工作參數(shù)進(jìn)行控制；處理器21用于控制FPGA處理芯片11輸出激光器控制信號(hào)，以及接收來(lái)自FPGA處理芯片11的位移值。進(jìn)一步地，處理器21還可以用于將接收的位移值上報(bào)。

可選地，上述處理器21可以為ARM處理器。

在一個(gè)實(shí)施例中，激光器驅(qū)動(dòng)電路包括加法器電路121，如圖2所示，F(xiàn)PGA處理芯片11連接至加法器電路121的第一輸入端Input 1，且FPGA處理芯片11在處理器21的控制下將激光器控制信號(hào)(例如，可以是8位DA輸出0-5V的電壓，或者也可以選擇其他形式的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn))輸出至第一輸入端Input 1；加法器電路121的第二輸入端Input 2連接至基準(zhǔn)電平信號(hào)，加法器電路121的輸出端Output連接至激光器；其中，基準(zhǔn)電平信號(hào)為恒定信號(hào)(例如，可以是電平值恒定的電壓信號(hào)，可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)得到)。

本發(fā)明提出由FPGA處理芯片通過(guò)加法器來(lái)控制激光器的工作，不僅控制過(guò)程有效，而且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本和復(fù)雜度較低，便于維護(hù)。

在一個(gè)實(shí)施例中，在處理器21控制FPGA處理芯片11輸出激光器控制信號(hào)時(shí)，處理器21將激光器的工作模式通知給FPGA處理芯片11，其中，工作模式包括固定參數(shù)模式以及可變參數(shù)模式；處理器21可以在上述工作模式中選擇，之后將所選擇的狀態(tài)通知給FPGA處理芯片11。

具體而言，在固定參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片11停止輸出激光器控制信號(hào)；在可變參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片11對(duì)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果輸出激光器控制信號(hào)。

本發(fā)明通過(guò)讓處理器控制FPGA處理芯片在兩種模式下控制激光器的工作，能夠適應(yīng)不同的測(cè)量環(huán)境，例如，對(duì)于測(cè)量精度要求較高的設(shè)備，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以采用可變參數(shù)模式，以便提高位移測(cè)量的精確度；而對(duì)于測(cè)量精度要求較低的設(shè)備，則可以采用固定參數(shù)模式進(jìn)行測(cè)量，從而減小FPGA的處理負(fù)擔(dān)和能耗，有助于保證處理的實(shí)時(shí)性。

在一個(gè)實(shí)施例中，加法器電路用于將來(lái)自第一輸入端Input 1和第二輸入端Input 2的信號(hào)進(jìn)行加和操作得到加和結(jié)果信號(hào)，并通過(guò)輸出端Output輸出加和結(jié)果信號(hào)至激光器，其中，加和結(jié)果信號(hào)用于調(diào)整激光器的光強(qiáng)。

在固定參數(shù)模式下，由于FPGA處理芯片11不提供激光器控制信號(hào)，所以加法器電路121輸出的加和結(jié)果信號(hào)仍舊為第二輸入端Input 2收到的基準(zhǔn)電平信號(hào)，此時(shí)，激光器將在基準(zhǔn)電平信號(hào)的控制下工作在某個(gè)光強(qiáng)。在可變參數(shù)模式下，在FPGA處理芯片11對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，會(huì)得到反光物體的表面特性和/或激光器與反光物體之間的距離。FPGA處理芯片11將根據(jù)表面特性和/或距離生成激光器控制信號(hào)；此時(shí)，激光器控制信號(hào)的電平將不為零，加法器電路121得到的加和結(jié)果信號(hào)的波形由激光器控制信號(hào)與基準(zhǔn)電平信號(hào)相加后獲得。此時(shí)，激光器控制信號(hào)將只控制有效測(cè)量范圍內(nèi)的光強(qiáng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)增加了DA的位數(shù)，提高光強(qiáng)變化的精度。

此外，隨著測(cè)量過(guò)程的不斷進(jìn)行，F(xiàn)PGA處理芯片11能夠根據(jù)當(dāng)前接收的圖像信號(hào)不斷改變激光器控制信號(hào)，因此加法器電路121將得到變化的加和結(jié)果，激光器在加法器電路121的控制下，也會(huì)輸出強(qiáng)度變化的激光，該激光的強(qiáng)度與當(dāng)前被測(cè)物體的距離和表面特性相符。

其中，在確定激光器與反光物體之間的距離時(shí)，可以借助于激光三角法算法。具體而言，激光器通過(guò)鏡頭將激光射向物體表面，經(jīng)物體反射后的激光通過(guò)接收器鏡頭，被圖像傳感器(例如，可以是CMOS或CCD傳感器)接收。根據(jù)不同的距離，圖像傳感器可以在不同角度下呈現(xiàn)接收光的光點(diǎn)，圖像傳感器將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給FPGA處理芯片，F(xiàn)PGA處理芯片即可根據(jù)這個(gè)角度可計(jì)算出距離。

在其他實(shí)施例中，可以調(diào)整的工作參數(shù)并不限于激光器的光強(qiáng)，例如，還可以調(diào)整激光器的角度、位置。同樣基于上述FPGA處理芯片11與加法器121的一個(gè)輸入端連接的結(jié)構(gòu)，加法器121的另一個(gè)輸入端接收基準(zhǔn)電平信號(hào)。在不調(diào)整激光器的角度和位置時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片11不輸出激光器控制信號(hào)，此時(shí)加法器121輸出的加和結(jié)果仍舊為基準(zhǔn)電平信號(hào)，激光器將在基準(zhǔn)位置和基準(zhǔn)角度下工作。在需要控制激光器的角度和/或位置時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片11可以輸出激光器控制信號(hào)，加法器將激光器控制信號(hào)與基準(zhǔn)電平信號(hào)進(jìn)行加和后，輸出加和后的結(jié)果給激光器，例如，可以輸出給激光器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(可以是激光器的電機(jī))，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)加和結(jié)果信號(hào)運(yùn)動(dòng)，從而將激光器旋轉(zhuǎn)一定角度和/或移動(dòng)一定位置。

本發(fā)明通過(guò)根據(jù)反光物體表面特性以及激光器與反光物體的距離來(lái)調(diào)節(jié)激光器，能夠根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境對(duì)激光器進(jìn)行動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)，從而有助于改善圖像信號(hào)的質(zhì)量，保證形成光斑的激光強(qiáng)度，從而提高測(cè)量精度。

在以上描述的實(shí)施例中，采用加法器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于激光器的控制，而本發(fā)明不限于此。在其他實(shí)施例中，還可以通過(guò)其他器件組成激光器驅(qū)動(dòng)電路，F(xiàn)PGA處理芯片可以通過(guò)其他的方式向激光器驅(qū)動(dòng)電路提供控制信號(hào)，以便對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

此外，如圖3所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括：顯示器3，與控制模塊2連接，用于顯示當(dāng)前的工作模式(即，顯示當(dāng)前采用可變參數(shù)模式或固定參數(shù)模式進(jìn)行測(cè)量)、位移值、控制模塊2(上報(bào)過(guò)程可以由處理器21進(jìn)行控制)上報(bào)位移值的方式，也可以組合顯示這些信息；以及，輸入設(shè)備4，與控制模塊2連接，用于接收用戶(hù)輸入的指令；并且，處理器21用于根據(jù)輸入的指令對(duì)工作模式和/或控制模塊2上報(bào)位移值的方式進(jìn)行調(diào)整，其中，處理器21上報(bào)位移值的方式包括單次上報(bào)(是指每次得到位移值，都進(jìn)行上報(bào))和集中上報(bào)(以一定周期，將本周期內(nèi)得到的所有位移值一次上報(bào))。可選地，上述顯示器可以是數(shù)碼管顯示器，也可以是其他類(lèi)型的顯示器；上述輸入設(shè)備可以是鍵盤(pán)等。

通過(guò)顯示器，能夠讓操作人員在現(xiàn)場(chǎng)更加容易地查看每個(gè)測(cè)量設(shè)備的工作模式、測(cè)量結(jié)果、以及測(cè)量結(jié)果的上報(bào)情況，讓工廠車(chē)間的管理更加直觀；通過(guò)輸入設(shè)備來(lái)改變工作方式和上報(bào)方式，能夠讓操作人員很方便地進(jìn)行控制，例如，對(duì)于要求測(cè)量精度較低、對(duì)位移相對(duì)不敏感的設(shè)備，可以采用固定參數(shù)模式測(cè)量，并以集中上報(bào)的方式(將多次采集的結(jié)果進(jìn)行一次性上報(bào))上傳位移值，不僅降低了FPGA的處理工作量和能耗，還減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以及管理設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)；對(duì)于要求測(cè)量精度較高、對(duì)位移非常敏感的設(shè)備，則可以在可變參數(shù)模式下進(jìn)行測(cè)量，并采用單次上報(bào)(是指每次得到位移值后，都上報(bào)本次測(cè)量的位移值)的方式發(fā)送位移值，以便于提高測(cè)量精度，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

此外，如圖4所示，在一個(gè)實(shí)施例中，在根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)中，光學(xué)頭模塊1進(jìn)一步包括：溫度傳感模塊14，用于測(cè)量當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)的溫度，并將溫度測(cè)量結(jié)果提供給FPGA處理芯片11；并且，F(xiàn)PGA處理芯片11還用于根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果以及預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則對(duì)確定的位移值進(jìn)行調(diào)整；在發(fā)送位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片將調(diào)整后的位移值發(fā)送至處理器，其中，預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則中包括多個(gè)溫度值/溫度值范圍以及相應(yīng)的位移值變化量。例如，假設(shè)光學(xué)頭通常的工作溫度在0-50度區(qū)間內(nèi)，此時(shí)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式獲得在上述溫度區(qū)間內(nèi)的溫度補(bǔ)償曲線，曲線的一個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)溫度，另一個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)補(bǔ)償時(shí)調(diào)整位移值的變化量。通過(guò)該曲線，即可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度，對(duì)位移值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

通過(guò)根據(jù)溫度對(duì)測(cè)量的位移值進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，能夠讓測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境溫度的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；并且，由于調(diào)整的對(duì)象是位移值，所以能夠避免對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更加容易、便捷。

如圖5所示，在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)中的控制模塊2可以進(jìn)一步包括通信模塊23，處理器21可以通過(guò)通信模塊23與管理設(shè)備通信，例如，可以將位移值上報(bào)至管理設(shè)備?？蛇x地，處理器21(控制模塊2)可以通過(guò)多種方式與管理設(shè)備進(jìn)行通信，例如，通信模塊23可以包括一個(gè)或多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)通信的模塊，例如，可以包括以下至少之一：TCP/IP通信模塊、wifi通信模塊、RS232通信模塊、USB通信模塊、RS485通信模塊。

在一個(gè)實(shí)施例中，上述第一通信接口和第二通信接口可以是模擬電壓信號(hào)傳輸接口，光學(xué)頭模塊可以進(jìn)一步包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(未示出)，用于將FPGA處理芯片11確定的位移值轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)第一通信接口發(fā)送至處理器的第二通信接口。在另一實(shí)施例中，上述第一通信接口和第二通信接口為RS232通信接口，用于傳輸位移值。

此外，在圖像傳感器為線陣圖像傳感器(例如，可以是線陣CCD圖像傳感器或線陣CMOS圖像傳感器)的情況下，光學(xué)頭模塊可以進(jìn)一步包括低通濾波器(未示出)，連接至圖像傳感器，用于對(duì)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行低通濾波，并將低通濾波后的圖像信號(hào)傳輸給FPGA處理芯片進(jìn)行圖像處理。在FPGA處理芯片確定位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片用于基于低通濾波后的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置，并根據(jù)中心點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)參考點(diǎn)的位置確定位移值。

對(duì)于線陣圖像傳感器，通過(guò)采用低通濾波的去噪方案，能夠在由于激光散射強(qiáng)度較強(qiáng)導(dǎo)致線性傳感芯片(如CMOS芯片)所產(chǎn)生的圖片會(huì)形成飽和失真特性(即，單點(diǎn)激光在CMOS成像中由高斯波形惡化為中間凹陷的雙峰波形，而常規(guī)的中值濾波、高斯濾波、均值濾波圖像處理方法對(duì)CMOS傳感器的飽和波形失真失效)的情況下，有效消除高頻噪聲和CMOS傳感器飽和波形失真，從而顯著降低噪聲，使得原始圖像輪廓光滑，以便正確地確定和提取輪廓中心點(diǎn)位置，有助于得到更加精確的相對(duì)位移值。另外，在FPGA處理芯片進(jìn)行圖像處理時(shí)，基于圖像輪廓的中心點(diǎn)來(lái)確定相對(duì)位移值，使得圖像處理所采用的方法能夠有效適用于線陣傳感芯片，從而保證了位移傳感的精度；而且由于處理過(guò)程的復(fù)雜度較低，進(jìn)一步提高了處理的實(shí)時(shí)性，降低了圖像處理對(duì)于硬件的需求。

在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)PGA處理芯片可以通過(guò)以下方式中的至少之一確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置：

(方式一)確定低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)兩側(cè)選擇圖像信號(hào)的多個(gè)點(diǎn)并根據(jù)峰值點(diǎn)和選擇的點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；

(方式二)根據(jù)低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值以及預(yù)先配置的下限值與峰值之間的比例關(guān)系確定下限值，選擇位于峰值與下限值之間的圖像信號(hào)，并根據(jù)所選擇的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；

(方式三)對(duì)低通濾波后的圖像信號(hào)的波形進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)擬合得到的曲線的峰值點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)。

通過(guò)采用重心確定(對(duì)應(yīng)方式一和二)或曲線擬合(對(duì)應(yīng)方式三)的方式來(lái)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)，能夠讓圖像處理方法有效適用于線陣芯片采集的圖像信號(hào)，使得處理結(jié)果滿足高精度要求，而且處理過(guò)程簡(jiǎn)單有效，復(fù)雜度較低，能夠提高處理的效率。

在其他實(shí)施例中，也可以采用其他類(lèi)型的圖像傳感器(例如，可以采用高像素CMOS圖像傳感器等)來(lái)采集圖像信號(hào)，F(xiàn)PGA處理芯片也可以采用其他方法來(lái)處理圖像信號(hào)，以得到位移值，例如可以通過(guò)激光三角法計(jì)算出物體位移的變化。

此外，在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)PGA處理芯片還用于根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定反光物體的表面特性，并根據(jù)表面特性調(diào)整圖像傳感器的曝光時(shí)間。通過(guò)FPGA對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析并基于分析結(jié)果調(diào)整圖像傳感器，能夠進(jìn)一步優(yōu)化圖像信號(hào)質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高后續(xù)相對(duì)位移檢測(cè)的精確度。

可選地，上述處理器21可以是ARM處理器。本發(fā)明的光學(xué)頭模塊1和控制模塊2之間可以通過(guò)12芯屏蔽雙絞線進(jìn)行電連接，數(shù)據(jù)傳輸采用RS232通訊，安裝非常靈活?？刂颇K2可以通過(guò)殼體進(jìn)行封裝，因此，控制模塊也可以被稱(chēng)為控制箱。

圖6是在實(shí)際應(yīng)用中控制模塊的具體結(jié)構(gòu)框圖。如圖6所示，在實(shí)際應(yīng)用中，控制箱可以包括ARM處理器(對(duì)應(yīng)于上述處理器21)、時(shí)鐘電路、EEPROM存儲(chǔ)模塊、晶振，RS232通訊電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、以及按鍵輸入和數(shù)碼管顯示器，此外，ARM處理器還可以通過(guò)UART與光學(xué)頭通信，且ARM處理器還可以接受開(kāi)光量輸入。此外，還可以包括與光學(xué)頭通信的擴(kuò)展模塊，例如RS485模塊，WIFI模塊，TCP/IP模塊。

繼續(xù)參見(jiàn)圖6，其中還示出了多種電壓轉(zhuǎn)換，具體而言，在圖6所示的實(shí)例中，外部開(kāi)關(guān)電源可提供24V電源輸入，然后經(jīng)過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換至6.8V，6.8V經(jīng)過(guò)2路LDO轉(zhuǎn)換至5V分別供控制箱和光學(xué)頭工作，圖6還示出了5.0V轉(zhuǎn)3.3V，6.8V轉(zhuǎn)+12V以及6.8V轉(zhuǎn)-12V。

控制箱以ARM處理器為核心控制單元，主要負(fù)責(zé)與光學(xué)頭之間的通訊，以及與服務(wù)器之間的通訊，與服務(wù)器之間通訊可采用RS232、USB、TCP/IP和WIFI等多樣化的通訊方式，將測(cè)量的位移數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器等管理設(shè)備。

控制箱帶有數(shù)碼管顯示，用來(lái)顯示控制命令和當(dāng)前測(cè)量的位移值。且可以通過(guò)按鍵輸入改變控制命令的值，達(dá)到不同的測(cè)量狀態(tài)和數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)。比如可以改變自動(dòng)光強(qiáng)或者固定光強(qiáng)值的條件下測(cè)量，可以自動(dòng)連續(xù)上傳數(shù)據(jù)模式或者單次上傳數(shù)據(jù)模式。

控制箱帶有外部開(kāi)關(guān)量輸入的功能，如多臺(tái)激光位移傳感器通過(guò)RS485相連的情況下，可以實(shí)現(xiàn)同步啟動(dòng)。也可以外接開(kāi)關(guān)，PLC等設(shè)備實(shí)現(xiàn)外部觸發(fā)控制模式。

圖7是實(shí)際應(yīng)用中光學(xué)頭模塊的結(jié)構(gòu)圖。如圖7所示，光學(xué)頭模塊可以包括FPGA處理器，10位并行DA轉(zhuǎn)換模塊，CMOS傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)字溫度傳感器和有源晶振。FPGA處理器可以通過(guò)10位并行DA轉(zhuǎn)換模塊或UART與控制箱通信，且FPGA可以通過(guò)擴(kuò)展模塊接口連接圖6所示的擴(kuò)展模塊。

此外，如上文所述，光學(xué)頭模塊可以進(jìn)一步連接至激光器驅(qū)動(dòng)電路，且光學(xué)頭模塊可以進(jìn)一步包括RS232通訊模塊(用于與控制箱通信)。

激光器驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)固定光強(qiáng)測(cè)量和可變光強(qiáng)測(cè)量，固定電壓經(jīng)電位器調(diào)節(jié)生產(chǎn)，可變光強(qiáng)由FPGA控制8位串行DA輸出，這兩個(gè)信號(hào)可以共同控制激光器的光強(qiáng)調(diào)節(jié)，以便根據(jù)物體的距離、材質(zhì)改變光強(qiáng)。

CMOS傳感器采集激光器射出到物體反射回來(lái)的光，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給FPGA處理，F(xiàn)PGA通過(guò)算法處理計(jì)算出物體位移的變化。

FPGA計(jì)算出的位移值通過(guò)10位并行DA轉(zhuǎn)換，可輸出設(shè)-10V至+10V的模擬量電壓，也可以通過(guò)RS232通訊將位移數(shù)據(jù)傳輸給控制箱。

光學(xué)頭內(nèi)部帶有數(shù)字溫度傳感器，系統(tǒng)可根據(jù)內(nèi)部溫度的變化，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)作補(bǔ)償，以彌補(bǔ)溫漂對(duì)測(cè)量精度的影響。

圖7中還示出了電壓轉(zhuǎn)換，例如，可以包括以下電壓轉(zhuǎn)換功能：5.0V轉(zhuǎn)3.3V、3.3V轉(zhuǎn)1.2V、3.3V轉(zhuǎn)2.5V。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還提供了一種激光位移傳感器的控制方法。

如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光位移傳感器的控制方法包括：

步驟S801，F(xiàn)PGA處理芯片根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定位移值，并將確定的位移值發(fā)送至處理器，其中，F(xiàn)PGA處理芯片在處理器的控制下，將激光器控制信號(hào)輸出至激光器驅(qū)動(dòng)電路，并且，激光器驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)激光器控制信號(hào)對(duì)激光器的工作參數(shù)進(jìn)行控制；

步驟S802，處理器接收來(lái)自FPGA處理芯片的位移值。

在一個(gè)實(shí)施例中，處理器可以將接收的位移值上報(bào)，例如，上報(bào)至管理設(shè)備。

在一個(gè)實(shí)施例中，激光器驅(qū)動(dòng)電路包括加法器電路，F(xiàn)PGA處理芯片連接至加法器電路的第一輸入端，且FPGA處理芯片在處理器的控制下將激光器控制信號(hào)輸出至第一輸入端；加法器電路的第二輸入端連接至基準(zhǔn)電平信號(hào)，加法器電路的輸出端連接至激光器；其中，基準(zhǔn)電平信號(hào)為恒定信號(hào)。

本發(fā)明提出由FPGA處理芯片通過(guò)加法器來(lái)控制激光器的工作，不僅控制過(guò)程有效，而且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本和復(fù)雜度較低，便于維護(hù)。

在一個(gè)實(shí)施例中，在處理器控制FPGA處理芯片輸出激光器控制信號(hào)時(shí)，處理器將激光器的工作模式通知給FPGA處理芯片，工作模式包括固定參數(shù)模式以及可變參數(shù)模式。其中，在固定參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片停止輸出激光器控制信號(hào)；在可變參數(shù)模式下，F(xiàn)PGA處理芯片對(duì)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果輸出激光器控制信號(hào)。

本發(fā)明通過(guò)讓處理器控制FPGA處理芯片在兩種模式下控制激光器的工作，能夠適應(yīng)不同的測(cè)量環(huán)境，例如，對(duì)于測(cè)量精度要求較高的設(shè)備，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以采用可變參數(shù)模式，以便提高位移測(cè)量的精確度；而對(duì)于測(cè)量精度要求較低的設(shè)備，則可以采用固定參數(shù)模式進(jìn)行測(cè)量，從而減小FPGA的處理負(fù)擔(dān)和能耗，有助于保證處理的實(shí)時(shí)性。

此外，在一個(gè)實(shí)施例中，在對(duì)激光器的工作參數(shù)進(jìn)行控制時(shí)，加法器電路將來(lái)自第一輸入端和第二輸入端的信號(hào)進(jìn)行加和操作得到加和結(jié)果信號(hào)，并通過(guò)輸出端輸出加和結(jié)果信號(hào)至激光器，其中，加和結(jié)果信號(hào)用于調(diào)整激光器的光強(qiáng)。在固定參數(shù)模式下，加法器電路輸出的加和結(jié)果信號(hào)為基準(zhǔn)電平信號(hào)；而在可變參數(shù)模式下，在FPGA處理芯片對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，得到反光物體的表面特性和/或激光器與反光物體之間的距離，并根據(jù)表面特性和/或距離生成激光器控制信號(hào)；加法器電路用于將激光器控制信號(hào)與基準(zhǔn)電平信號(hào)進(jìn)行加和操作并輸出加和結(jié)果信號(hào)。

本發(fā)明通過(guò)根據(jù)反光物體表面特性以及激光器與反光物體的距離來(lái)調(diào)節(jié)激光器，能夠根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境對(duì)激光器進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，從而有助于改善圖像信號(hào)的質(zhì)量，保證光斑的強(qiáng)度，從而提高測(cè)量精度。

在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的控制方法可以進(jìn)一步包括：

通過(guò)顯示器來(lái)顯示當(dāng)前的工作模式、位移值和/或處理器上報(bào)位移值的方式；

通過(guò)通過(guò)輸入設(shè)備接收輸入的指令，處理器根據(jù)輸入的指令對(duì)工作模式和/或處理器上報(bào)位移值的方式進(jìn)行調(diào)整，其中，處理器上報(bào)位移值的方式包括單次上報(bào)和集中上報(bào)。

通過(guò)顯示器，能夠讓操作人員在現(xiàn)場(chǎng)更加容易地查看每個(gè)測(cè)量設(shè)備的工作模式、測(cè)量結(jié)果、以及測(cè)量結(jié)果的上報(bào)情況，讓工廠車(chē)間的管理更加直觀；通過(guò)輸入設(shè)備來(lái)改變工作方式和上報(bào)方式，能夠讓操作人員很方便地對(duì)每個(gè)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行控制，例如，對(duì)于要求測(cè)量精度較低、對(duì)位移相對(duì)不敏感的設(shè)備，可以采用固定參數(shù)模式測(cè)量，并以集中上報(bào)的方式(將多次采集的結(jié)果進(jìn)行一次性上報(bào))上傳位移值；對(duì)于要求測(cè)量精度較高、對(duì)位移非常敏感的設(shè)備，則可以在可變參數(shù)模式下進(jìn)行測(cè)量，并采用單次上報(bào)(是指每次得到位移值后，都上報(bào)本次測(cè)量的位移值)的方式發(fā)送位移值，以便于提高測(cè)量精度，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

此外，在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的控制方法可以進(jìn)一步包括：

通過(guò)溫度傳感模塊測(cè)量溫度，并將溫度測(cè)量結(jié)果提供給FPGA處理芯片；

FPGA處理芯片還根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果以及預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則對(duì)確定的位移值進(jìn)行調(diào)整；在發(fā)送位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片將調(diào)整后的位移值發(fā)送至處理器，其中，預(yù)定補(bǔ)償規(guī)則中包括多個(gè)溫度值/溫度值范圍以及相應(yīng)的位移值變化量。

通過(guò)根據(jù)溫度對(duì)測(cè)量的位移值進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，能夠讓測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境溫度的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；并且，由于調(diào)整的對(duì)象是位移值，所以能夠避免對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更加容易、便捷。

此外，處理器可以通過(guò)通信模塊將位移值上報(bào)至管理設(shè)備，可選地，通信模塊可以包括以下至少之一：TCP/IP通信模塊、wifi通信模塊、RS232通信模塊、USB通信模塊、RS485通信模塊。

此外，可選地，處理器與FPGA處理芯片之間通過(guò)模擬電壓信號(hào)傳輸接口和/或RS232通信接口進(jìn)行通信。

此外，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在圖像傳感器為線陣圖像傳感器的情況下，在FPGA處理芯片確定位移值之前，通過(guò)低通濾波器對(duì)來(lái)自線陣圖像傳感器的圖像信號(hào)進(jìn)行低通濾波；

并且，在FPGA處理芯片確定位移值時(shí)，F(xiàn)PGA處理芯片基于低通濾波后的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置，并根據(jù)中心點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)參考點(diǎn)的位置確定位移值。

對(duì)于線陣圖像傳感器，通過(guò)采用低通濾波的去噪方案，能夠在由于激光散射強(qiáng)度較強(qiáng)導(dǎo)致線性傳感芯片(如CMOS芯片)所產(chǎn)生的圖片會(huì)形成飽和失真特性(即，單點(diǎn)激光在CMOS成像中由高斯波形惡化為中間凹陷的雙峰波形，而常規(guī)的中值濾波、高斯濾波、均值濾波圖像處理方法對(duì)CMOS傳感器的飽和波形失真失效)的情況下，有效消除高頻噪聲和CMOS傳感器飽和波形失真，從而顯著降低噪聲，使得原始圖像輪廓光滑，以便正確地確定和提取輪廓中心點(diǎn)位置，有助于得到更加精確的相對(duì)位移值。另外，在FPGA處理芯片進(jìn)行圖像處理時(shí)，基于圖像輪廓的中心點(diǎn)來(lái)確定相對(duì)位移值，使得圖像處理所采用的方法能夠有效適用于線陣傳感芯片，從而保證了位移傳感的精度；而且由于處理過(guò)程的復(fù)雜度較低，進(jìn)一步提高了處理的實(shí)時(shí)性，降低了圖像處理對(duì)于硬件的需求。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的實(shí)施例中，F(xiàn)PGA處理芯片可以通過(guò)以下方式中的至少之一確定圖像輪廓的中心點(diǎn)位置：

(方式一)確定低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)兩側(cè)選擇圖像信號(hào)的多個(gè)點(diǎn)并根據(jù)峰值點(diǎn)和選擇的點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；

(方式二)根據(jù)低通濾波后的圖像信號(hào)的峰值以及預(yù)先配置的下限值與峰值之間的比例關(guān)系確定下限值，選擇位于峰值與下限值之間的圖像信號(hào)，并根據(jù)所選擇的圖像信號(hào)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)；

(方式三)對(duì)低通濾波后的圖像信號(hào)的波形進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)擬合得到的曲線的峰值點(diǎn)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)。

通過(guò)采用重心確定(對(duì)應(yīng)方式一和二)或曲線擬合(對(duì)應(yīng)方式三)的方式來(lái)確定圖像輪廓的中心點(diǎn)，能夠讓圖像處理方法有效適用于線陣芯片采集的圖像信號(hào)，使得處理結(jié)果滿足高精度要求，而且處理過(guò)程簡(jiǎn)單有效，復(fù)雜度較低，能夠提高處理的效率。

在其他實(shí)施例中，本發(fā)明也可以采用其他類(lèi)型的圖像傳感器(例如，可以采用高像素CMOS圖像傳感器等)來(lái)采集圖像信號(hào)，F(xiàn)PGA處理芯片也可以采用其他方法來(lái)處理圖像信號(hào)，以得到位移值，例如可以通過(guò)激光三角法計(jì)算出物體位移的變化。

此外，在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的控制方法可以進(jìn)一步包括：

FPGA處理芯片根據(jù)來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)確定反光物體的表面特性，并根據(jù)表面特性調(diào)整圖像傳感器的曝光時(shí)間。

通過(guò)FPGA對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析并基于分析結(jié)果調(diào)整圖像傳感器，能夠進(jìn)一步優(yōu)化圖像信號(hào)質(zhì)量，從而進(jìn)一步提高后續(xù)相對(duì)位移檢測(cè)的精確度。

可選地，上述處理器可以為ARM處理器，或者也可以是其他處理器。

借助于本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠有效控制測(cè)量的精度，例如，可以實(shí)現(xiàn)25mm±5mm量程位移值的測(cè)量，讓測(cè)量精度10um內(nèi)。本發(fā)明的方案還提供了諸如RS232、USB、TCP/IP和WIFI的多樣化的通訊方式供用戶(hù)選擇，有助于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求選擇合適的通訊方式，具有很好的靈活性，便于使用。本發(fā)明的控制模塊(控制箱)可以外接開(kāi)關(guān)、PLC等設(shè)備實(shí)現(xiàn)外部觸發(fā)控制模式，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與外部控制命令同步上傳，也可以通過(guò)RS485通訊實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備共同控制。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。