基于Xilinx FPGA的图像采集模块设计与实现

摘要

21世纪自动化技术、工业化4.0高速发展，工业化机器视觉在各领域得到普遍应用。将可视化、智能化引入工业制造有助于减少操作人员操作失误，缓解操作人员的体力压力。因而工业生产中需要更加数字化和智能的图像传感器来提供高分辨率、甚至超高分辨率的图像分析以便优化工艺和生产过程，为工业自动化提供不可或缺的条件。传统模拟图像传感器不仅使用不方便，同时极易受到外界干扰，其传输距离偏短。数字化传输方式极大的弥补这一问题，但是国内数字传感器仅能进行单一的检测、测量其体积大，价格大，安装不便。针对半导体设备wafer检测这一领域的应用，为了保证可靠良好的产品率，系统要求需要对传送带上的wafer进行检测，对有可能位置偏移的wafer进行调整，以此避免进入后级流水线造成对wafer损坏。由于机器运动系统的控制精度可以达到1mm，从而要求检测系统的检测结果精度和重复性方面都需要满足在1mm以内，并且检测要在0.83s时间內完成。 本文结合了传统CMOS图像处理结构的研究经验与参考方案，设计了一种基于Xilinx FPGA，即现场可编程逻辑阵列器件FPGA 的硬件可编程图像采集控制模块，以图像采集的应用为主要研究以及设计对象，在深入分析当今图像采集模块的发展和相关技术原理的基础上，对基于FPGA的图像采集模块进行了详尽的讨论和研究，包括整个图像采集系统和wafer检测应用背景介绍、系统需要达到的技术指标、系统硬件和软件部分的设计方案规划以及实施，最后给出了对该系统针对工业级wafer检测的应用测试和验证。 本论文实现的图像采集模块体积小、安装方便、成本低，适用于工业机器各种图像检测。采集模块包括前端的图像传感器摄像头、FPGA并行传输控制电路板以及上位机图像显示软件，针对不同应用的图像检测，只需要修改模块底层固件以及上层软件，如果有需要更换满足应用的摄像头，保持系统其他硬件部分不变，即可完成特定应用的配置，从而达到以很短的开发时间快速应用的目的。wafer姿态检测应用测试表明，该图像采集模块在精度方面，达到角度精度小于0.5度，位置精度小于0.5mm；在重复性方面，达到角度小于0.15度，位置小于0.08mm，并且能在50毫秒內完成检测，满足系统应用要求。

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