[发明专利]一种基于FPGA和FPAA的高速高精度光幕检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种对微小、高速运动物体实现到位检测、尺寸测量的光幕系统，属于光学计算设备领域。

背景技术

光幕是一种特殊的对射式光电传感器，包含发射器、接收器两部分。发射器沿长度方向，每隔一定间距驱动一个红外管发出一束红外线，产生了一个载波红外线阵列，接收器按照相同间距安排相同数量的光电池。工作时首先一个发射器发出光脉冲而对应的接收器同时来寻找该脉冲，当找到后即完成一个通道的扫描，接着转向下一个通道，直到所有的扫描都完成。当一个周期扫描完成后，系统记录哪些通道通光，哪些通道被遮挡，从而实现监测和测量物体外形尺寸的功能。传统光幕广泛应用于高速公路收费站车辆分类检测计重、电梯门开关控制、在线零件尺寸检测、包装控制等多种场合。例如在需要不断送取料的冲压设备上，如果安装接触式安全防护门，则需要操作人员频繁地开关防护门，导致增加操作人员工作量，降低生产效率。安装光幕后，在操作人员送取料时，只要有身体的任何一部分遮断光线，就会导致机器进入安全状态而不会给操作人员带来伤害。

在冶金工业棒材厂,对光幕检测器提出了新的、更高的要求。在精轧区域生产线，方坯经过轧机后，变成单根长200米的螺纹钢，运动速度15m/s，需要将其切割成四段长度为50米规格的螺纹钢，如果等待其停止后再切割，生产效率会非常低，因此要对高速运行、上下跳动的螺纹钢进行位置检测，并实时切割成标准规格。现有普通单光束光电开关无法满足跳动及速度要求，传统光幕也由于光轴间距过大、检测速度过慢，无法检测高速运动、直径10mm的螺纹钢。

专利申请号为201210548649.8的文献中给出了“可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置”，其通过多组光幕传感器相配合，精确检测车辆行车方向及轴数、车高、底盘高度、侧面几何轮廓等车辆特征。此方法使用光幕发射器和接收器的光轴间距为10mm～100mm，检测精度不高，当检测物体小于15mm时就无法检测。

专利申请号为200810116377.8的文献中给出了“基于光幕式激光器的高精度位姿检测方法与装置”，以光幕式激光器为检测器件，通过位移平台、旋转平台的运动来实现高精度检测。此方法使用工控机、步进电机控制工作台，结构复杂，加工困难。

专利申请号为201210346209.4的文献中给出了“电梯门外红外光幕保护装置”，该光幕装置以Tiny26L单片机为核心，控制红外发射管、接收管，具备红外发射管休眠功能。此方法使用单片机为控制核心，检测速度较慢，响应时间需要100ms以上。

发明内容

针对现有技术中光幕装置存在的上述不足，本发明提供一种基于FPGA和FPAA的高速高精度光幕检测装置。

本发明的技术方案是：

一种基于FPGA和FPAA的高速高精度光幕检测装置，包括光幕发射器和光幕接收器，光幕发射器上设置有红外发射管，光幕接收器上设置有接收光电池。所述红外发射管和接收光电池为双列交错平面分布；所述光幕发射器和光幕接收器的系统核心基于FPGA/FPAA两种超大规模数字/模拟集成电路：所述光幕发射器由FPGA功能模块驱动红外发射管实现高速光脉冲发射；所述光幕接收器用于将光电池收到光信号转换为微弱的电信号，通过运放信号放大，再经过比较器后输出数字信号至FPGA功能模块，信号调理电路采用FPAA实现模拟电路的现场可重构，光幕接收器由FPGA功能模块控制扫描式多束红外光的实时接收，实现高速运动物体的到位检测和边沿检测。

进一步，所述光幕发射器中的FPGA功能模块包括时钟分频模块、串并转换模块、时钟丢失判决模块、光脉冲初始生成模块、可靠光脉冲输出模块，其中：

时钟分频模块的输入时钟CLK50M来自50M的有源晶振，其时钟输出端JudgeCLK连到串并转换模块的时钟输入端；

串并转换模块用于对SerCLK信号进行串并转换，其时钟输入端JudgeCLK来自时钟分频模块，其数据输入端连到FPGA的输入引脚SerCLK，输出8位并行总线InCLKPara[7..0]；

时钟丢失判决模块的总线输入来自串并转换模块的并行数据输出InCLKPara[7..0]，其输出控制信号SignCt；

光脉冲初始生成模块用于产生16路红外发射管的导通控制信号，光脉冲初始生成模块的输入时钟为SerCLK，输入同步脉冲为SerData，光脉冲初始生成模块的输出信号是16路红外发射管的导通控制信号LightTA[15..0]；