FPGA和USB接口的驗光儀控制系統(tǒng)設計方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 FPGA和USB接口的驗光儀控制系統(tǒng)設計方案 本文提出了一種基于FPGA和USB接口的驗光儀控制系統(tǒng)設計方案，該方案中的全自動電腦驗光的接口設計是在原先驗光儀的根底開展了改良，設計了基于FPGA的全自動電腦控制系統(tǒng)，并采用了先進的USB技術連接設備與電腦，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，增加了定位精度，并且縮短了驗光過程的時間。 1.引言 近些年來，近視已經嚴重影響了人們的安康。為了準確的了解近視患者眼睛的近視程度，為近視者配出更加合適的眼鏡，驗光儀器成為了眼鏡零售行業(yè)必不可少的設備。目前市場上主流電腦驗光儀并不能完全實現(xiàn)驗光過程的自動化，問題主要表現(xiàn)在以下三個方面： 定位

2、速度慢；定位精度差；自動化水平低. 為了解決以上問題，本設計對原有的電腦驗光儀開展了改良，采用運行速率快，穩(wěn)定性高的FPGA控制步進電機驅動芯片，實現(xiàn)了驗光儀的三軸聯(lián)動；運用行程開關實現(xiàn)了極點間的自動往返。為了保護電路安全，設計了板間的光電隔離電路；并且采用先進的USB技術使電腦和設備開展通信，增加了數(shù)據(jù)的傳輸率，提高了設備的可控性. 2.系統(tǒng)硬件整體設計 控制系統(tǒng)是驗光儀的控制，它不但要實現(xiàn)對多軸步進電機的運動和光源控制，還要實現(xiàn)與上位機信息的交互和其他重要功能。驗光儀的主控制板的設計由EP3C16Q240C8系統(tǒng)擴展而成，根據(jù)FPGA功能實現(xiàn)及相關外設擴展對插針接口開展適當更改，并添加了U

3、SB通信接口、步進電機驅動模塊和行程開關信號輸入端的光電隔離電路。驗光儀控制系統(tǒng)的主控制板硬件電路設計框圖如圖1所示。 主控制板中FPGA使用的是Altera公司生產的Cylone III系列芯片EP3C16Q240C8N,該芯片擁有15,408個邏輯單元；可以提供516,096字節(jié)的RAM;另外芯片內部還自帶有4個鎖相環(huán)，可以保證系統(tǒng)時鐘信號在高速運行時的穩(wěn)定性。步進電機驅動芯片選擇使用Allergo公司生產兩相步進電機專用驅動芯片SLA7042M,它能夠實現(xiàn)超平滑低速驅動。為了實現(xiàn)主芯片和外部設備通信，控制板需要將3.3V和5V的電平相互轉換，系統(tǒng)使用TI公司生產的16位3.3V-5V電平

4、轉換芯片SN74ALVC164245.USB接口控制芯片采用PDIUSBD12,它集成了SIE FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整期，適用于許多的外部設備。 3.Verilog硬件功能實現(xiàn) Verilog HDL是一種硬件描述語言，主要用于從算法級、門級到開關級的多種抽象設計層次的數(shù)字系統(tǒng)建模.FPGA芯片是驗光儀主控制板的部件，本設計方案中使用Verilog HDL在FPGA上實現(xiàn)下位機與上位機的信息交互、多軸聯(lián)動步進電機運動平臺的控制、對光源的控制等功能，F(xiàn)PGA內部功能模塊如圖2所示。 1）USB接口控制模塊：FPGA內部USB固件程序，實現(xiàn)FPGA與上位機USB接口通信。 2）時鐘模塊

5、：對外部的16MHz時鐘開展分頻、倍頻處理，產生FPGA工作所需各種頻率的時鐘信號。 3）指令分析模塊：分析收到的上位機指令，根據(jù)規(guī)定的指令協(xié)議，產生執(zhí)行命令并將執(zhí)行指令發(fā)送到各個執(zhí)行模塊。 4）步進電機控制模塊：執(zhí)行FPGA送達的三軸步進電機控制指令，對各軸的電機開展細分、變速控制，終通過給步進電機專用驅動芯片發(fā)送不同的命令實現(xiàn)電機的三軸聯(lián)動。 5）光源控制模塊：控制光學系統(tǒng)的5個LED紅外光源和3個視覺輔助光源3個視覺輔助光源引導人眼注視方向，5個LED紅外光源輔助系統(tǒng)的對焦功能。 4.上位機應用程序及驅動程序的實現(xiàn) 本電腦驗光儀控制系統(tǒng)上位機軟件主要負責完成視頻圖像采集和處理的功能，在預

6、處理的根底上完成形態(tài)學的處理、目標識別和光斑參數(shù)計算輸出等一系列指令，并將指令通過USB接口傳輸給下位機。由于該設備不是一個類設備，說以要使設備正常工作，還需要編寫專門的驅動程序和軟件。 4.1 驅動程序的編寫 驅動程序的編寫使用一些驅動開發(fā)的專用工具，例如Driver Studio、WinDriver等。 Driver Studio3.2開展開發(fā)，開發(fā)步驟這里就不一一列舉，應該注意的是要在USB Vendor ID和USB Product ID中輸入和固件中設備描述一致的信息。由于選用的是Philips的PDIUSBD12芯片，所以設備的Vendor ID固定為00471. 使用Driver

7、 Studio的Driver Wizard生成驅動框架后，可以根據(jù)需要使用Visual C+6.0對Driver Wizard生成的工程文件中的函數(shù)開展修改，還有就是對自定義的IO控制接口函數(shù)開展處理和廠商請求的編寫。完成這些后，就可以對驅動程序開展編譯了，成功編譯驅動程序后，將它和Driver Studio自動生成的。inf文件放在同一目錄下，在查找驅動的時候指定這個目錄就可以了。 4.2 上位機應用程序的編寫 由于設備使用USB接口開展上位機與設備開展通信，所以上位機應用程序要通過USB驅動實現(xiàn)對設備的訪問，編寫上位機的應用程序必須符合USB驅動定義的接口規(guī)范。一般來說，使用Driver

8、Wizard生成一個驅開工程后，會同時生成一個ioctl.h的文件，這個文件就是建立應用程序和驅動之間的橋梁，它定義了驅動程序的接口，在編寫應用程序的時候需要將它引用進去。 上位機應用程序整體劃分6個區(qū)域，視頻顯示區(qū)域、（直接控制）操作區(qū)域、MOTOR控制區(qū)域、LED控制區(qū)域、實時處理（數(shù)據(jù)）顯示區(qū)域、狀態(tài)反應數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。 本系統(tǒng)人機交互功能在windows平臺上使用VC+6.0編譯環(huán)境設計完成，可以直觀顯示跟蹤對焦過程，并開展簡單控制的可視化人眼跟蹤控制程序，通過人機界面實現(xiàn)對人眼跟蹤系統(tǒng)的完全控制。完成的人機交互界面（上位機應用程序），具體實現(xiàn)代碼不再敖述。 5.系統(tǒng)的搭建及測試 全自動

9、電腦驗光儀控制系統(tǒng)整體分為上位機和下位機兩部分，通過USB總線開展連接通信，配合完成整個系統(tǒng)功能。通過VC6.0+開發(fā)環(huán)境編程實現(xiàn)windows平臺的上位機軟件，可通過其人機交互界面對設備開展控制。上位機軟件實現(xiàn)了對電腦驗光儀機頭內CCD攝像頭的控制、對視頻數(shù)據(jù)的實時采集處理、下發(fā)各種控制指令、顯示數(shù)據(jù)信息等功能。 在搭建好的工作平臺上開展完整的系統(tǒng)測試，結果如圖3所示，在人機交互界面可以清晰完整的觀察到已完成跟蹤后采集的圖像。 通過對測試結果分析，本控制系統(tǒng)可以很好的完成跟蹤任務，識別準確、跟蹤迅速、對焦，充分驗證了本系統(tǒng)的可行性，基本到達了設計預期。 6.結束語 本方案利用PC和FPGA配合