一种激光标刻图像验证装置的研究与设计

梁文斌，谢跃雷，彭诚诚，王太兴，赵佳庆

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

一种激光标刻图像验证装置的研究与设计

梁文斌，谢跃雷，彭诚诚，王太兴，赵佳庆

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

为了解决激光打标控制卡在开发制作过程中标刻图像验证困难的问题，设计了一种激光标刻图像验证装置。该装置首先是通过主控模块FPGA来控制串口线进行激光打标卡的数据采集，然后经过数据检测、判别和存储后筛选出振镜坐标数据和激光器开关光数据，通过USB总线将数据传输至PC上位机，最终由上位机还原数据实现图像的模拟标刻，该装置的数据采集遵循XY2-100协议，FPGA主控模块选用Cyclone III芯片，USB传输模块选用FT2232H芯片。该装置能够快速、完整地获取激光打标控制卡在进行图像标刻过程中的实时数据，并能在上位机模拟绘制出实际标刻的图案。实验结果表明，该硬件装置运行稳定、精度较高、图案验证性强。

激光打标；图像验证；FPGA；USB

激光标刻指的是利用高能量密度的激光束在工件表面实现永久性标刻[1]。激光标刻[2]主要是用于金属、非金属等各类材料表面[3]打标字符及图形[4]，在众多行业中有着非常广泛的应用，例如在产品上标刻二维码、生产日期、产品商标、序列号等。与传统标刻机相比，激光标刻属于非接触式的打标[5]，具有工件无变形、无压力、无污染、无腐蚀等优点，具有广阔的市场前景。

标刻质量是衡量激光打标卡优劣的重要指标[6]，而在激光打标卡开发的过程中，检验标刻质量往往只能进入工厂，然后将打标卡与振镜、激光器等连接，进行实体的图形标刻，然后使用放大镜和卡尺等进行测量，然后比对标刻图案，其操作步骤非常繁琐，数据的正确性也难以预测，极大地阻碍了打标卡的开发进度。

为了解决上述问题，本文提出了一种激光标刻图像验证装置，该硬件装置结合了USB[7]传输速度快和FPGA[8]资源丰富、处理能力较强、易扩展等优势，能够快速、稳定地采集激光打标控制卡传输的标刻数据并存储至SDRAM模块，接着由USB通信口实现数据传输至PC上位机，最终由上位机绘制出模拟标刻的图案。

该验证装置摆脱了长期以来激光打标卡在开发测试时对振镜、激光器的依赖，实现了激光标刻图像验证的多样化、精细化和智能化。

1 硬件设计

1.1 硬件总体设计

激光标刻的图像验证装置结构如图1所示，虚线框图部分为激光标刻图像验证装置结构，主要包括FPGA主控模块、数据采集模块、USB通信模块、SDRAM存储模块和PC上位机等部分。在激光标刻图像验证过程中，首先接收激光打标控制卡传输的振镜坐标数据和激光器开关光数据，然后将它们传输并存储至SDRAM模块中，待振镜坐标数据和激光器开关光数据接收完毕后再将其传送至PC上位机，最终进行实时的模拟标刻。

图1 激光标刻图像验证装置结构框图

在激光打标控制卡运行标刻后，数据将依次传输。数据中包括了振镜管脚数据和激光管脚数据，其按照一定的顺序输出。通过定时信号，FPGA主控模块同步接收数据并判断数据类型，分别存放振镜管脚数据和激光管脚数据。SDRAM_1存储芯片存储振镜管脚数据；SDRAM_2存储芯片存储激光管脚数据。USB通信模块则选用FT2232H芯片，采用FIFO传输模式，该芯片一次传输的最大量为64 kbyte，本文采用的设置是一次传输量为60 kbyte，其传输量完全满足数据传输至上位机。上位机由MATLAB编程，数据由FT2232H传输至上位机后，由上位机识别数据类型，并模拟实际情况进行标刻，其控制流程框图如图2所示。

1.2 FPGA主控模块

FPGA主控模块作为整个设计的核心部分，须协调各个模块间的通信，本设计采用Verilog HDL语言的编程以控制各个模块。该模块应实现的功能为：控制前端的数据采集模块采集激光打标控制卡传输的标刻数据，其数据包括了激光器开关光数据和振镜坐标数据，在数据采集的过程中FPGA主控模块将数据存储至SDRAM模块内，待数据接收完整后，再控制USB通信模块传送数据参数至PC上位机，最终通过上位机模拟绘制出标刻图案。

本设计选用Altera公司的Cyclone III系列器件EP3C16Q240C8，它是240脚TQFP封装，内部有15 408个逻辑单元，516 096 bit的存储器，4个锁相环，148个可用I/O管脚，56个嵌入式单元，使用3.3 V电压供电，支持AS，JTAG，PS配置方式。本设计采用JTAG和AS两种配置方式，配置电路如图3所示，其配置芯片采用EPCS16。JTAG配置方式主要用于系统的在线调试，在该配置下系统掉电后，配置内容自动丢失，方便擦除；AS配置方式是在整个系统完成调试后使用，该配置可以在系统上电后由FPGA主动输出同步和控制信号给专用的芯片，使其自动加载相应的配置内容。

图2 激光标刻图像验证装置的控制流程框图

1.3 数据采集模块

数据采集模块应实现对激光打标控制卡的数据采集，数据采集模块为激光标刻图像验证装置的前端部分，通过串口线使得数据采集模块与激光打标控制卡的输出口相连接。数据采集模块包括了激光数据采集模块、振镜数据采集模块和数据检测模块三个部分，数据检测模块是用于判断数据传输的类型以及有效性。当检测到无效数据时，不进行数据存储；当检测到振镜数据时，由振镜数据采集模块采集并存储至SDRAM_1；当检测到激光数据时，由激光数据采集模块采集并存储至SDRAM_2。

激光打标控制卡与激光器、振镜的数据传输遵循XY2-100协议，因此数据采集模块也应遵循XY2-100协议。如图4所示为XY2-100通用协议，其每次可发送20 bit的数据，并能以100 kword/s或2 Mbit/s的速率串行传输；数据每次传输的时间必须为10 μs的整数倍；每个数据包中的前3位(C2～C0)为控制字，必须设定为001；接下来16位(D15～D00)为数据信息；最后1位(P)为奇偶校验位；数据的传送是通过同步信号定位，当SYNC上升沿触发时数据同步发送，当SYNC下降沿触发时奇偶校验位发送。

图3 FPGA配置电路

图4 XY2-100通用振镜协议

1.4 USB通信模块

USB通信模块应实现接通PC上位机和激光标刻图像验证装置的功能，当握手信号通信后，将存储至SDRAM模块的数据传输至PC上位机，并能在上位机模拟绘制标刻图像结束后接收上位机反馈的结束指令。USB模块必须保证数据传输的高效性和完整性。本文采用的是FTDI公司推出的第五代USB-to-UART/FIFO器件FT2232H，该器件支持480 Mbit/s的USB 2.0高速规范，并可在各类测试中的串行或并行接口(例如UART或FIFO)下配置。FT2232H芯片在FPGA主控模块的控制下实现数据的高效传输，并要在模拟绘制标刻图像结束后能上传反馈指令至激光标刻图像验证装置。

FT2232H管脚时序见图5，在读写数据编程时应循序以下的时序。FT2232H功能强大，提供了2个支持USB 2.0高速规范的I/O通道，只需要添加简单的配置电路，就可以实现单电路到双通道串/并口的转换；芯片内部集成有USB处理协议，因此使用时不需要再进行编写USB固件程序；当配置为UART接口时，FT2232H支持数据传输率达12 Mbit/s；当配置为并行FIFO接口时，数据传输率达25 Mbit/s。为了保证数据的高效性，本设计将FT2232H配置成FT245的同步FIFO模式，当配置成这种模式时，所有资源被切换到通道A，通道B不能使用。

图5 FT2232H管脚时序图

1.5 SDRAM存储模块

1.5.1 SDRAM的刷新

SDRAM作为存储模块主要用于存储激光打标控制卡传送过来的数据，由于打标卡数据量比较大，而FPGA片内存储器的容量很有限，当主控芯片不能及时处理时，就需要一片存储芯片来暂存激光打标控制卡传送来的数据。所以电路设计应该是在主控模块上外接SDRAM存储模块用来存放运行的振镜数据和激光数据。选择SDRAM的原因在于它对比SRAM价格更低而容量更高。

SDRAM是电容储电的原理，SDRAM在上电不进行其他操作时，数据保存时间的最长为64 ms，为了避免数据丢失，程序设计时必须定时刷新。本设计中采用MT48LC16M16A2型号的SDRAM芯片，每个Bank总共有8 192行的逻辑单元，由式(1)可知，每行自动刷新的周期最大值为7 812.5 ns。

(1)

SDRAM系统的读写时钟为100MHz，时钟周期是10ns，因此自动刷新计时器的计时时间取7 500ns，该时间小于最大刷新周期，符合设计要求。

1.5.2SDRAM的初始化模块

MT48LC16M16A2芯片在进行读写操作之前，都要进行初始化操作。参照MT48LC16M16A2芯片的数据手册规定，其初始化流程操作如图6所示。该图为SDRAM在开机时的初始化过程，上电等待要有100μs的输入稳定期，在这个时间内不可对SDRAM做任何操作；100μs以后就是要对所有Bank预充电，接着给SDRAM执行8次刷新命令；最后对SDRAM的设置模式寄存器MR进行设置。上述步骤就是SDRAM在上电后的全部初始化过程，在进行完了初始化过程以后就可以正常地对SDRAM进行读写。

图6 SDRAM初始化

2 实验验证

图7 PC_1中的上位机进行图像编辑(截图)

将激光标刻图像验证装置放在实验台上，把PC_1、激光打标控制卡、激光标刻图像验证装置、PC_2依次连接好，再打开PC、激光打标控制卡、激光标刻图像验证装置的电源，然后在PC_1编辑要标刻的图像后，点击确定，即可在PC_2中进行激光标刻图像的数据验证，为了方便测试，可以将PC_1和PC_2选用同一台PC，如图7所示为PC_1中的上位机进行图像编辑。

图8所示为PC_2中的上位机对接收数据进行处理，其中实线部分为激光开光时的走笔情况，虚线部分为激光关光时的走笔情况。图9a所示为PC_2中上位机数据进行局部放大；如图9b所示为PC_2中上位机进一步放大图，图中可以清晰地看出激光开关光的打标轨迹，其图像坐标轨迹都是根据振镜数据一一对应的，激光器开光时和关光时的振镜轨迹是根据激光数据判定的，该仿真中实点为激光器开光时的振镜坐标轨迹，虚线为激光器关光时的振镜坐标轨迹。

图8 PC_2中的上位机对接收数据进行处理

图9 PC_2中上位机的数据进行局部放大

3 结语

本文提出了一种基于FPGA和USB的激光标刻图像验证装置，在Verilog语言编程下，该设计相对稳定、可靠、便于移植和修改。实验验证，该图像验证装置能够精准、快速地模拟绘制出实际情况中激光标刻的过程。经过工厂实测和多方调研比对后，证明该设计能够简化激光打标卡在工厂开发过程中对大型硬件激光器、振镜的依赖，使得激光打标卡在验证图像的精确性和稳定性时更为便捷和多样，从而缩短了激光打标卡的开发周期并降低了激光打标卡的开发成本。

[1]官邦贵，刘颂豪，章毛连，等.激光精密加工技术应用现状及发展趋势[J].激光与红外，2010，40(3)：229-232.

[2] 徐盛.一种基于改进脊波变换的激光图像滤波算法[J].电视技术，2013，37(15)：15-17.

[3]周永飞，赵海峰，黄子强.激光打标系统及工艺研究[J].电子设计工程，2011，19(2)：126-129.

[4]汪再兴，朱永谦，王紫婷.基于FPGA的激光振镜打标控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2012(6)：61-62.

[5]唐海缤.激光打标机的标刻质量及评判标准的研究[D].成都：电子科技大学， 2012.

[6]殷庆纵，刘吉.高速激光点阵光刻机的设计[J].电子技术应用，2012，38(5)： 26-29.

[7]赵永礼，杨寅华.具有嵌入式USB 主机功能的激光打标控制系统[J].微计算机信息，2010(8)：49-51.

[8]李华.基于 FPGA 的图像目标提取系统设计[J].电视技术，2014，38(7)：58-61.

梁文斌(1990— )，硕士生，主研通信信号处理；

谢跃雷(1975— )，硕士生导师，主研无线宽带通信与信号处理、车地宽带无线传输技术等；

彭诚诚(1989— )，硕士生，主研通信信号处理；

王太兴(1989— )，硕士生，主研通信信号处理；

赵佳庆(1989— )，硕士生，主研光通信技术。

责任编辑：闫雯雯

Research and Design of Laser Marking and Image Verification Device

LIANG Wenbin, XIE Yuelei, PENG Chengcheng, WANG Taixing, ZHAO Jiaqing

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuangxiGuilin541004,China)

In order to solve the image verification during the laser marking card development process, a laser marking image verification device is designed.Firstly, the main control module of FPGA controls the serial port line to complete data acquisition. After data detection, discrimination and storage, the galvanometer coordinate data and laser switch data are transmited to the PC from USB bus, and reducted by the upper computer to realize image engraving simulation.The data acquisition follows XY2-100 protocol, the main control module of FPGA is Cyclone III, USB transfer module is chip FT2232H.The real-time data during the image engraving process can be acquierd quickly and completely by the device, and can be used to simulate the actual engraving pattern on the upper computer.The experimental results show that the device has running stability, high precision, strong image authentication.

laser marking; graphical verification; FPGA; USB

广西自然科学基金项目(2013GXNSFFA019004)

TN247

A

10.16280/j.videoe.2015.05.013

2014-08-06

【本文献信息】梁文斌，谢跃雷，彭诚诚,等.一种激光标刻图像验证装置的研究与设计[J].电视技术,2015，39(5).