王艳维，杨朋利，付晓庆，马爱秋，王 浩，李四维，杨旸，任江涛，任 猛（.西安应用光学研究所，西安，70065；.陕西化工集团有限公司，榆林，799；.中铁二十局集团第一工程公司，苏州，55）

基于FPGA+ARM的激光器图像自动测量系统设计

王艳维1，杨朋利1，付晓庆1，马爱秋1，王 浩1，李四维1，杨旸1，任江涛2，任 猛3
（1.西安应用光学研究所，西安，710065；2.陕西化工集团有限公司，榆林，719319；3.中铁二十局集团第一工程公司，苏州，215151）

目前的激光器测量需要测试人员肉眼判断激光器输出的光斑的亮度、形状、间距等信息。测试人员判断具有主观性、易受环境影响等特点。本文设计了一个激光器自动化测量系统，该系统可以实现对激光器系统的自动化测试，具有测量效率高，测试结果一致性好等优点。

FPGA；ARM；自动测量

0 引言

在我所某激光器测量系统中，需要由测试人员根据激光器输出的光斑的形状、间距、亮度等信息判断激光器工作是否正常。由于人的判断标准具有主观性、无法定量分析等劣势，因此有必要开发一套图像采集与分析的自动化系统完成整个测量。因此我们设计一套图像采集、分析与显示系统。完成对激光器输出图像的采集，将采集图像在LCD屏上显示，并自动分析图像特征，根据采集图像判断激光器是否正常。

1 激光器图像分析

图1 激光器图像示例

图1为一个激光器示例图像。激光器标准输出为5个白色亮斑。判断激光器好坏一般从以下几个方面入手：

图像处理流程图如图2所示。

2 系统整体方案

本系统设计的核心在于激光器图像的读取和分析。激光器图像由CCD摄像头采集，图像速率为25帧/秒。由于图像数据量大，速率高，采取FPGA控制AD进行图像的采集工作。由于对图像处理的实时性要求不高，我们使用ARM实现第二节的图像处理算法。

为了方便测试人员操作，我们设计一个矩阵式键盘做命令输入，实现测试人员对系统的控制；同时为了保证测试数据的可追溯性，我们使用SD卡做数据存储，存储图像格式为标准bmp格式，测试数据为txt文档格式存储，这样就做到了测试数据可以在计算机上进行回读和分析，有利于归纳和总结激光器的同类型或批次性问题。

图2　 图像处理流程图

图4　 FPGA系统框图

系统工作流程为：上电后ARM（STM32F103RE）首先对FPGA （EP1C12Q240C8）和AD（ADV7180）进行配置。配置完毕后AD接收来自CCD摄像头采集的激光器图像，经过AD转换后送往FPGA。由于图像为电视图像格式，图像分为奇场图像和偶场图像，FPGA对图像进行拼接，将图像拼接为像素值为720*576的帧图像。拼接完毕的图像存入SDRAM。

键盘使用5*5矩阵式键盘。键盘包括10个数字键及上移、下移键及5个操作指令键。操作指令包括图像显示、图像采集、图像分析、结果存储，结果回读。由ARM解析键盘命令，触发相应操作。

1）图像显示。ARM指示FPGA将采集的图像在LCD上实时显示。这个时候测试人员可以调整激光器位置、光强、摄像头的位置，调整测试环境；

2）图像采集。ARM指示FPGA停止图像采集，将采集的最后一幅图像显示在LCD上，测试人员可以用于辅助判断采集的图像质量；

3）图像分析。ARM通过并行总线接口从FPGA外接的SDRAM存储器中取出图像，放入到外接SRAM中。使用图像处理算法从图像中搜索光斑，分析光斑图像的亮度、形状、间距信息。并将分析结果在LCD上显示，如果激光器不合格，在LCD上显示告警信息，并给出不合格的条目信息。

4）结果存储。ARM将采集的图像和分析结果存到SD卡中，存储文件名默认从0001开始命名，支持测试人员使用数字键盘命名。存储图像格式为bmp格式，测试数据格式为txt文档格式，为了使测试数据和测试图像关联，默认二者命名相同。

5）结果回读。结果回读有两种形式：计算机回读和使用LCD显示。计算机回读时使用USB接口直接访问SD卡，由于数据存储形式为标准图形和文档格式。因此不需要再开发上位机软件。LCD显示时ARM将FLASH中储存的文件信息在LCD上显示。测试人员通过上下键选择以前存储的测试结果和图像信息，选择后ARM将储存的对应的图像和数据写入FPGA缓存中，由FPGA将数据和图像在LCD上显示。

3 FPGA方案

如第3节所述，FPGA完成AD数据采集、图像数据存储，LCD屏显示等功能。FPGA设计框图如图4所示。

如图4所示，FPGA由锁相环电路，AD接口电路、SDRAM控制电路，LCD控制电路，图像接口FIFO，ARM接口电路组成。

1）锁相环（PLL）电路。AD接口速率为27MHz，FPGA通过内部锁相环将时钟倍频，将主时钟倍频到54MHz。作为SDRAM控制器及全片主控时钟。

2）AD接口电路。AD接口电路完成两个主要功能。一是根据电视图像时序接收图像，由于电视图像信息625（行）*1728（列），其中包含场消隐信号和行消隐信号，实际有效图像为576（行）*1440（列）。AD接口电路将行场消隐信号去除，保留有效图像。但是电视图像信息包含亮度（Y）、蓝色差（Cb）、红色差（Cr），比例为4：2：2。我们做图像分析时只需要亮度信息，因此AD接口的第二个功能就是保留亮度信息，去除其他信息。

3）SDRAM接口电路。SDRAM接口电路将奇偶场图像信息拼接成一帧图像存入到SDRAM中。由于SDRAM依靠电容保持信息，因此除了正常的读写操作外，还需要对SDRAM定时进行刷新以保持数据。实际上，SDRAM控制器分为上电初始化、刷新、读操作和写操作几个功能。其中SDRAM写操作由AD接口电路触发，SDRAM读操作由LCD控制电路触发。需要注意的是，在不需要实时显示时，SDRAM控制器不对SDRAM进行读写操作。

4）LCD控制电路。实际上系统选择的液晶屏为800（列）*600（行），比电视图像稍大一些。我们在边缘部分插入黑色边缘，中间部分放入正常图像。并根据ARM的指令，在图像上叠加图像分析的结果。在不进行图像实时显示时，LCD从图像接口FIFO中取出要显示的图像，在LCD上显示。

5）图像接口FIFO。图像接口FIFO有两个功能。一是在图像分析时，SDRAM接口电路取出图像放入图像接口FIFO中。ARM从图像接口FIFO中取出图像进行分析。二是在显示各种控制界面时，ARM将要显示的图像信息放入到图像接口FIFO中。由于图像背景简单，为了节约存储空间，实际放入FIFO中的为二值化图像。

6）ARM接口电路。FPGA和ARM之间为并行接口，数据线为8根、地址线为12根，共4k的寻址空间。ARM通过类似SRAM接口时序对FPGA寄存器进行读写。以控制FPGA功能选择，获取工作状态。

4 结论

本自动化测量系统综合了图像采集、显示、分析、存储等多项功能。可以方便实现激光器的自动测试与分析，并且测试结果可记录，可回读，可验证。试验证明，本系统能很大程度提高激光器测试的效率和准确性，并可以简单串口扩展实现计算机控制测试， 实现测试全程自动化。

［1］ Analog Devices.ADV7180 datasheet.January 2006

［2］ STMicroelectronics. STM32 Reference Manual （RM0008），June 2009

［3］ 徐志军，徐光辉.CPLD/FPGA 的开发与应用［M］.北京：电子工业出版社，2002

Automatic laser measurement system design based on FPGA + ARM image

Wang Yanwei1，Yang Pengli1，Fu Xiaoqing1，Ma Aiqiu1，Wang Hao1，Li Siwei1，Yang Yang1，Ren Jiangtao2，Ren Meng3
（1.Xi'an Institute of Applied Optics，Xi'an，710065，China；2.Shaanxi Chemical Industry Group Limited，yulin，719319，China；3.China Railway 20th Bureau Group first engineering company，suzhou 215151，China）

Current lasers require testers judged visually measuring the brightness of a spot of the laser output，shape，spacing，and other information.Testers subjective judgment，environmentally sensitive features. This design of the automated measurement of a laser system that can realize the laser test automation system，the measurement with high efficiency，and good consistency of the test results.

FPGA；ARM；Automatic Measurement