本實用新型涉及一種基于FPGA的太赫茲成像快速掃描裝置。

背景技術(shù)：

太赫茲成像技術(shù)可以分為連續(xù)波成像技術(shù)和脈沖成像技術(shù)，相比而言連續(xù)波成像技術(shù)具有成像時間短、成像質(zhì)量好、成本低、操作方便等優(yōu)點，具有很高的實用價值。在當前的太赫茲連續(xù)波成像技術(shù)中，主要圍繞成像質(zhì)量和掃描速度兩個方面進行關(guān)鍵技術(shù)研究。陣列成像雖然能夠快速成像，但是由于受陣列像素的限制，無法獲得高質(zhì)量的太赫茲圖像；掃描成像是獲得高質(zhì)量太赫茲成像的技術(shù)，但是掃描速度的限制使其成像時間太長。

現(xiàn)有的太赫茲成像快速掃描裝置只是單純的提高電機運行速度，不可避免的帶來了定位精度下降的問題。雖然可以采用后期算法補償?shù)姆绞?，在一定程度上消除定位不準對成像質(zhì)量的影響。但是額外的算法處理增加了系統(tǒng)復雜度，延長了圖像處理時間，與快速掃描的目的背道而馳。

另外，現(xiàn)有的太赫茲成像快速掃描裝置一般采用單片機或者ARM作為控制器，憑借其外設(shè)豐富、結(jié)構(gòu)簡單、擁有多種電機驅(qū)動例程等優(yōu)點，可以較快的完成掃描裝置的研發(fā)。但是低成本的單片機、ARM的時鐘速度較慢，并且采用結(jié)構(gòu)化編程語言，驅(qū)動電機的脈沖周期會比較長，無法真正實現(xiàn)電機的快速驅(qū)動。如果為了提高電機運行速度，一味的減小電機脈沖細分數(shù)，則進一步惡化了掃描裝置的定位精度，犧牲了成像質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型為了解決上述問題，提出了一種基于FPGA的太赫茲成像快速掃描裝置，本實用新型采用光柵傳感器作為位置反饋裝置，對快速掃描造成的定位精度下降進行實時硬件補償，避免了后端算法補償帶來的額外延時。采用FPGA作為掃描裝置的控制器，憑借其輸入輸出引腳豐富、具有倍頻功能、程序并行運行等特點，真正實現(xiàn)了快速掃描，在提高太赫茲成像速度的同時，保證了成像質(zhì)量。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于FPGA的太赫茲成像快速掃描裝置，包括FPGA控制主板、開關(guān)電源模塊、二維運動機構(gòu)、支架、光柵尺和光柵傳感器，所述光柵尺包括兩個，分別設(shè)置在支架的X、Y軸方向上，所述光柵傳感器設(shè)置在二維運動機構(gòu)上，所述二維運動機構(gòu)帶動光柵傳感器進行X、Y軸方向上的運動，使光柵傳感器上的線紋與光柵尺上的線紋產(chǎn)生相對運動；

所述FPGA控制主板包括依次連接的FPGA主芯片、隔離器和光柵傳感器解碼器，光柵傳感器解碼器通過光柵傳感器接口與光柵傳感器連接，接收光柵傳感器的X、Y軸兩路正交脈沖信號，進行計數(shù)，并傳送給FPGA主芯片；

開關(guān)電源模塊向FPGA控制主板和二維運動機構(gòu)提供電源。

所述二維運動機構(gòu)包括X軸運動機構(gòu)和Y軸運動機構(gòu)，所述X軸運動機構(gòu)和Y軸運動機構(gòu)均設(shè)置有光柵傳感器。

所述二維運動機構(gòu)上設(shè)置有夾具，夾具同時固定在X軸傳動機構(gòu)和Y軸傳動機構(gòu)上，隨X軸電機和Y軸電機的運動做二維移動。

所述X軸運動機構(gòu)包括X軸電機驅(qū)動器、X軸電機和X軸傳動機構(gòu)，其中，所述X軸電機驅(qū)動器驅(qū)動X軸電機工作，所述X軸電機帶動X軸傳動機構(gòu)沿X軸方向運動。

所述Y軸運動機構(gòu)包括Y軸電機驅(qū)動器、Y軸電機和Y軸傳動機構(gòu)，其中，所述Y軸電機驅(qū)動器驅(qū)動Y軸電機工作，所述Y軸電機帶動Y軸傳動機構(gòu)沿Y軸方向運動。

所述光柵尺包括X軸光柵尺和Y軸光柵尺，其中所述X軸光柵尺設(shè)置在X軸傳動機構(gòu)旁邊，設(shè)置在支架上，所述Y軸光柵尺設(shè)置在Y軸傳動機構(gòu)旁邊，設(shè)置在支架上。

所述光柵傳感器包括X軸光柵傳感器和Y軸光柵傳感器，X軸光柵傳感器緊貼X軸光柵尺并與X軸傳動機構(gòu)固定在一起，隨X軸電機運動而作水平移動；Y軸光柵傳感器緊貼Y軸光柵尺并與Y軸傳動機構(gòu)固定在一起，隨Y軸電機運動而作垂直移動。

所述FPGA控制主板通過三路信號線與X軸電機驅(qū)動器連接，包括脈沖信號線、方向信號線和使能信號線；FPGA控制主板輸出三路信號線與Y軸電機驅(qū)動器連接，包括脈沖信號線、方向信號線和使能信號線。

所述開關(guān)電源模塊使用220V交流電作為輸入，輸出兩路220V交流電源分別給X軸電機和Y軸電機供電，輸出兩路12V直流電源分別給X軸電機驅(qū)動器和Y軸電機驅(qū)動器供電，輸出1路5V直流電源和1路3.3V直流電源給FPGA控制主板供電。

所述使能信號線的使能信號為高電平，方向信號為低電平并且脈沖信號正常時，X軸電機驅(qū)動器和Y軸電機驅(qū)動器分別向X軸電機和Y軸電機輸出正向相位差120度的三相交流信號，X軸電機通過X軸傳動機構(gòu)使夾具水平向右運動，Y軸電機通過Y軸傳動機構(gòu)使夾具垂直向上運動。

所述使能信號線的使能信號為高電平，方向信號為高電平并且脈沖信號正常時，X軸電機驅(qū)動器和Y軸電機驅(qū)動器分別向X軸電機和Y軸電機輸出反向相位差120度的三相交流信號，X軸電機通過X軸傳動機構(gòu)使夾具水平向左運動，Y軸電機通過Y軸傳動機構(gòu)使夾具垂直向下運動。

本實用新型的有益效果為：

本實用新型采用光柵傳感器作為位置反饋裝置，F(xiàn)PGA主芯片讀取光柵傳感器解碼器的數(shù)字量獲得當前夾具的準確位置，對驅(qū)動電機的脈沖信號進行補償，使夾具的定位精度不受掃描速度的影響，解決了快速掃描時精度下降的問題。

本實用新型采用FPGA作為控制主板的主芯片，憑借其輸入輸出引腳豐富、具有倍頻功能、程序并行運行等特點，真正實現(xiàn)了快速掃描，在提高太赫茲成像速度的同時，保證了成像質(zhì)量；

本實用新型采用光柵傳感器作為位置反饋裝置，對快速掃描造成的定位精度下降進行實時硬件補償，避免了后端算法補償帶來的額外延時。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型的FPGA控制主板原理圖示意圖；

圖3為本實用新型的電機驅(qū)動時序圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。

本實用新型采用光柵傳感器作為位置反饋裝置，對快速掃描造成的定位精度下降進行實時硬件補償，避免了后端算法補償帶來的額外延時。采用FPGA作為掃描裝置的控制器，憑借其輸入輸出引腳豐富、具有倍頻功能、程序并行運行等特點，真正實現(xiàn)了快速掃描，在提高太赫茲成像速度的同時，保證了成像質(zhì)量。

本實用新型由X軸電機、Y軸電機、X軸傳動機構(gòu)、Y軸傳動機構(gòu)、X軸光柵尺、Y軸光柵尺、X軸光柵傳感器、Y軸光柵傳感器、X軸電機驅(qū)動器、Y軸電機驅(qū)動器、夾具、支架、FPGA控制主板和開關(guān)電源模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

X軸電機與X軸傳動機構(gòu)固定在一起并安裝在支架上作為水平軸。X軸光柵尺緊貼X軸傳動機構(gòu)并安裝在支架上。X軸光柵傳感器緊貼X軸光柵尺并與X軸傳動機構(gòu)固定在一起，隨X軸電機運動而作水平移動。

Y軸電機與Y軸傳動機構(gòu)固定在一起并安裝在支架上作為垂直軸。Y軸光柵尺緊貼Y軸傳動機構(gòu)并安裝在支架上。Y軸光柵傳感器緊貼Y軸光柵尺并與Y軸傳動機構(gòu)固定在一起，隨Y軸電機運動而作垂直移動。

夾具同時固定在X軸傳動機構(gòu)和Y軸傳動機構(gòu)上，隨X軸電機和Y軸電機的運動做二維移動。

FPGA控制主板輸出3路信號線與X軸電機驅(qū)動器連接，包括脈沖信號線、方向信號線和使能信號線；FPGA控制主板輸出3路信號線與Y軸電機驅(qū)動器連接，包括脈沖信號線、方向信號線和使能信號線。

X軸電機驅(qū)動器輸出三相交流信號線與X軸電機連接；Y軸電機驅(qū)動器輸出三相交流信號線與Y軸電機連接。

X軸光柵傳感器輸出3路信號線，包括2路正交計數(shù)脈沖信號線和1路中心點脈沖信號線，與FPGA控制主板連接；Y軸光柵傳感器輸出3路信號線，包括2路正交計數(shù)脈沖信號線和1路中心點脈沖信號線，與FPGA控制主板連接。

開關(guān)電源模塊使用220V交流市電作為輸入，輸出2路220V交流電源分別給X軸電機和Y軸電機供電，輸出2路12V直流電源分別給X軸電機驅(qū)動器和Y軸驅(qū)動器供電，輸出1路5V直流電源和1路3.3V直流電源給FPGA控制主板供電。

FPGA控制主板電路結(jié)構(gòu)

FPGA控制主板主要包括FPGA主芯片、隔離器、光柵傳感器解碼器，原理圖如圖2所示。

FPGA主芯片型號是EP4CE30F23C7，它的輸入輸出口與隔離器連接。其中，P21、P20、R21引腳配置為輸出口，通過隔離器與X軸電機驅(qū)動器接口的脈沖信號線、方向信號線和使能信號線連接；P15、R19、R17引腳配置為輸出口，通過隔離器與Y軸電機驅(qū)動器接口的脈沖信號線、方向信號線和使能信號線連接；P22、U20、V22、Y22、M4、M3、M2、P16引腳配置為輸入口，通過隔離器與光柵傳感器解碼器8位數(shù)字量信號D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7連接；N17、N20引腳配置為輸出口，通過隔離器與光柵傳感器解碼器通道選擇控制信號EN1、EN2連接；P17、W22引腳配置為輸出口，通過隔離器與光柵傳感器解碼器數(shù)字量模式選擇控制信號SEL1、SEL2連接；R18、R20引腳配置為輸出口，通過隔離器與光柵傳感器解碼器的復位控制信號RSTX、RSTY連接；M1、L7引腳配置為輸入口，通過隔離器與X軸光柵傳感器接口和Y軸光柵傳感器接口的中心點脈沖信號CHIX、CHIY連接。

隔離器由6個型號為TXB0104PWR的數(shù)字電平轉(zhuǎn)換芯片組成，左側(cè)使用3.3V直流電源供電，與FPGA主芯片的輸入輸出口連接；右側(cè)使用5V直流電源供電，與X軸電機驅(qū)動器接口、Y軸電機驅(qū)動器接口、光柵傳感器解碼器、X軸光柵傳感器接口和Y軸光柵傳感器接口連接。實現(xiàn)FPGA主芯片輸入輸出口與外部設(shè)備信號線的隔離與電平轉(zhuǎn)換。

X軸電機驅(qū)動器接口又與X軸電機驅(qū)動器連接。其中，引腳1連接脈沖信號線，引腳2連接方向信號線，引腳3連接使能信號線。

Y軸電機驅(qū)動器接口又與Y軸電機驅(qū)動器連接。其中，引腳1連接脈沖信號線，引腳2連接方向信號線，引腳3連接使能信號線。

光柵傳感器解碼器型號是HCTL-2032-SC，又與33MHz晶振、X軸光柵傳感器接口、Y軸光柵傳感器接口連接。其中，引腳5連接33MHz晶振的輸出引腳3；引腳14、引腳15分別連接X軸光柵傳感器接口的引腳6、引腳8；引腳13、引腳16分別連接Y軸光柵傳感器接口的引腳6、引腳8。

X軸光柵傳感器接口又與X軸光柵傳感器連接。其中，引腳6、引腳8連接2路正交計數(shù)脈沖信號線，引腳9連接中心點脈沖信號線。

Y軸光柵傳感器接口又與Y軸光柵傳感器連接。其中，引腳6、引腳8連接2路正交計數(shù)脈沖信號線，引腳9連接中心點脈沖信號線。

電機工作方式

如上所述，F(xiàn)PGA主芯片P21引腳、P20引腳、R21引腳通過隔離器、X軸電機驅(qū)動器接口，與X軸電機驅(qū)動器連接，分別作為脈沖信號、方向信號和使能信號；FPGA主芯片P15引腳、R19引腳、R17引腳通過隔離器、Y軸電機驅(qū)動器接口，與Y軸電機驅(qū)動器連接。信號時序圖如圖3所示。

使能信號為高電平，方向信號為低電平并且脈沖信號正常時，X軸電機驅(qū)動器和Y軸電機驅(qū)動器分別向X軸電機和Y軸電機輸出正向相位差120度的三相交流信號，X軸電機通過X軸傳動機構(gòu)使夾具水平向右運動，Y軸電機通過Y軸傳動機構(gòu)使夾具垂直向上運動。

使能信號為高電平，方向信號為高電平并且脈沖信號正常時，X軸電機驅(qū)動器和Y軸電機驅(qū)動器分別向X軸電機和Y軸電機輸出反向相位差120度的三相交流信號，X軸電機通過X軸傳動機構(gòu)使夾具水平向左運動，Y軸電機通過Y軸傳動機構(gòu)使夾具垂直向下運動。

光柵傳感器工作方式

如上所述，光柵尺緊貼傳動機構(gòu)并固定在支架上，光柵傳感器緊貼光柵尺并固定在傳動機構(gòu)上。當電機運行時，光柵傳感器發(fā)生位移，光柵傳感器上的線紋與光柵尺上的線紋產(chǎn)生相對運動。相對運動每達到一個固定的距離，光柵傳感器的2路正交計數(shù)脈沖信號線各輸出一個脈沖，且這2個脈沖為正交關(guān)系。光柵傳感器解碼器通過光柵傳感器接口與光柵傳感器連接，接收光柵傳感器的2路正交脈沖信號，進行計數(shù)，并可以通過8位數(shù)字量信號傳送給FPGA主芯片。由此，F(xiàn)PGA主芯片可以通過8位數(shù)字量計算出目前光柵傳感器所在位置。同時，夾具也固定在傳動機構(gòu)上，與X軸光柵傳感器和Y軸光柵傳感器的相對距離恒定，所以，F(xiàn)PGA主芯片可以計算得到夾具所在位置。

光柵尺的中心點具有光柵傳感器可識別標志。當光柵傳感器運行到光柵尺中點時，其中心點脈沖信號線輸出一個單脈沖，此單脈沖可以通過光柵傳感器接口、隔離器傳送給FPGA主芯片。由此，F(xiàn)PGA主芯片可以判斷光柵傳感器是否運行到光柵尺中點。

光柵傳感器運行到光柵尺中點時，F(xiàn)PGA主芯片通過復位控制信號RSTX、RSTY對光柵傳感器的數(shù)字量進行清零。

光柵傳感器沿光柵尺運行，光柵傳感器解碼器對正交脈沖信號進行計數(shù)。FPGA主芯片通過通道選擇控制信號EN1、EN2來決定讀取X軸還是Y軸的光柵傳感器正交脈沖計數(shù)數(shù)值。

光柵傳感器解碼器的正交脈沖計數(shù)器位數(shù)是32位，記為C[0:31]，而其數(shù)字量信號的位數(shù)是8位，記為D0～D7。所以，需要分4次，才能將一次正交脈沖計數(shù)數(shù)值全部傳送給FPGA主芯片。FPGA主芯片通過數(shù)字量模式選擇控制信號SEL1、SEL2來決定讀取正交脈沖計數(shù)器的哪組8位數(shù)字量。

通道選擇控制信號EN1、EN2，數(shù)字量模式選擇控制信號SEL1、SEL2和8位數(shù)字量信號D0～D7關(guān)系如表1所示。

表1光柵傳感器解碼器的控制信號與數(shù)字量信號的邏輯關(guān)系

表中，“0”表示低電平，“1”表示高電平。

使用本實用新型裝置，對夾具上的樣品進行100mm×100mm范圍的快速掃描，寬度100mm，記為W，高度100mm，記為H。對樣品Y軸掃描的步進需求為2mm，記為L_s。夾具與X軸光柵傳感器和Y軸光柵傳感器的相對距離均為50mm，記為L_j。光柵尺線紋分辨率1um，即每當光柵傳感器相對于光柵尺運動1um的距離，光柵傳感器輸出一對正交脈沖，光柵傳感器解碼器的正交脈沖計數(shù)器加1。假設(shè)夾具初始位置在X軸光柵尺中心點的左方和Y軸光柵尺中心點的下方。

本實用新型裝置實現(xiàn)對夾具上的樣品快速掃描的步驟為：

步驟一：FPGA控制主板通過X軸電機驅(qū)動器控制X軸電機，使X軸傳動機構(gòu)帶動夾具向右運動。當X軸光柵傳感器運行到X軸光柵尺中心點時，X軸電機停止運動，并且FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號。然后FPGA控制主板通過X軸電機驅(qū)動器控制X軸電機，使X軸傳動機構(gòu)帶動夾具向左運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的X軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為50000，即1000×L_j時，X軸電機停止運動，此時夾具位于X軸光柵尺的中心點。

步驟二：FPGA控制主板通過Y軸電機驅(qū)動器控制Y軸電機，使Y軸傳動機構(gòu)帶動夾具向上運動。當Y軸光柵傳感器運行到Y(jié)軸光柵尺中心點時，Y軸電機停止運動，并且FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號。然后FPGA控制主板通過Y軸電機驅(qū)動器控制Y軸電機，使Y軸傳動機構(gòu)帶動夾具向下運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的Y軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為50000，即1000×L_j時，Y軸電機停止運動，此時夾具同時位于X軸和Y軸光柵尺的中心點。

步驟三：FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號，然后FPGA控制主板通過X軸電機驅(qū)動器控制X軸電機，使X軸傳動機構(gòu)帶動夾具向右運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的X軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為50000，即時，X軸電機停止運動，此時夾具位于待掃描區(qū)域的X軸原點。

步驟四：FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號，然后FPGA控制主板通過Y軸電機驅(qū)動器控制Y軸電機，使Y軸傳動機構(gòu)帶動夾具向上運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的Y軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為50000，即時，Y軸電機停止運動，此時夾具同時位于待掃描區(qū)域的X軸原點和Y軸原點。

步驟五：FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號，然后FPGA控制主板通過X軸電機驅(qū)動器控制X軸電機，使X軸傳動機構(gòu)帶動夾具向左運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的X軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為100000，即1000×W時，X軸電機停止運動，此時夾具位于待掃描區(qū)域的X軸終點。

步驟六：FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號，然后FPGA控制主板通過Y軸電機驅(qū)動器控制Y軸電機，使Y軸傳動機構(gòu)帶動夾具向下運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的Y軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為2000，即1000×L_s時，Y軸電機停止運動，此時夾具沿Y軸向下運動一個步進距離。

步驟七：FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號，然后FPGA控制主板通過X軸電機驅(qū)動器控制X軸電機，使X軸傳動機構(gòu)帶動夾具向右運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的X軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為100000，即1000×W時，X軸電機停止運動，此時夾具回到待掃描區(qū)域的X軸原點。

步驟八：FPGA主芯片復位光柵傳感器的數(shù)字量信號，然后FPGA控制主板通過Y軸電機驅(qū)動器控制Y軸電機，使Y軸傳動機構(gòu)帶動夾具向下運動，當FPGA主芯片讀取到光柵傳感器解碼器的Y軸正交脈沖計數(shù)器數(shù)值為2000，即1000×L_s時，Y軸電機停止運動，此時夾具繼續(xù)沿Y軸向下運動一個步進距離。

步驟九：重復步驟五～步驟八，使夾具做逐行掃描。直到夾具沿Y軸的運動距離累計超過高度，即∑L_s＞H時，X軸電機和Y軸電機均停止運動，快速掃描完成。

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。