一种基于FPGA和激光三角测距的板坯宽度动态检测装置的制作方法

本发明涉及一种对运动板坯实现高速动态宽度检测的装置，属于光学计算设备领域，特别是一种基于fpga和激光三角测距的板坯宽度动态检测装置。

背景技术：

在冶金工业热轧厂，板坯宽度是影响热轧带钢产品质量的重要因素。如果板坯宽度小于预定值，会导致后续带钢产品质量缺陷；如果板坯过宽，会导致原材料损耗，甚至卡刚、设备损坏等严重故障，因此板坯宽度测量是现代化钢厂生产中的一个重要参数。

授权公告号为cn102847901b的文献中给出了“一种连铸生产中控制铁素体不锈钢板坯宽度的方法”，授权号cn102233415b给出了“连铸生产中铁素体不锈钢板坯宽度的设定方法”，研究不同炉次钢水中成分元素的变化给板坯宽度带来的影响，通过改变某些参数来控制板坯宽度。这些专利是从冶金生产工艺角度来调整、控制板坯宽度，并没有实现对板坯宽度的实时测量。

授权公告号为cn103909100b的文献中给出了“一种板坯宽度的自动测量装置及方法”，提出使用液压缸和磁尺来检测板坯宽度；授权号cn102581040b给出了“一种板坯宽度检测系统及检测方法”，通过使用定宽压力机入口导尺来检测板坯宽度。这些专利都是使用接触式测量方式，由于现场环境恶劣，检测器长期与温度高达几百摄氏度的板坯接触，容易磨损，产生较大误差，降低测量精度。

授权公告号为cn102553940b的文献中给出了“一种应用炉前测宽仪进行板坯宽度控制的方法”，授权号cn102716913b给出了“铁素体热轧不锈钢楔形板坯宽度控制方法”，这些专利从整体测宽流程角度阐述了如何实现板坯宽度控制，但未涉及测宽仪如何实现，并且测宽速度较慢(100ms)，说明其采用了接触式测量或时间反射式激光测量方案，难以完全满足现代化钢厂板坯高速测宽的要求。

在多篇文献中提出了热轧测宽的设计方案，论文名称如下：

陈铎.热轧粗轧板坯宽度控制系统研究[j].通信电源技术,2015,32(3):129-130.

张晓春.ccd测宽仪在热轧板带中的应用[j].宝钢技术,2015,33(4):73-77.

这些论文从理论上研究了板坯宽度控制模型，提出通过双目视觉、光学成像原理实现对钢板、带钢宽度的测量，测宽仪安装在辊道上方约2m处，设备安装复杂，在高温、水汽、粉尘工作条件下，测宽仪维护保养要求高，测量精度和稳定性难以保证。而且板坯的重量、热辐射是钢板的数十倍，因此在辊道上方安装ccd测宽仪的板坯测宽方案是无法长期稳定可靠运行的。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种测量精度高、系统响应速度快、抗干扰能力强、现场安装方便，很好地解决了使用磁尺等接触式测量方案造成的磨损问题以及在辊道上方安装ccd测宽仪的现场干扰问题，适用于冶金工业热轧厂板坯生产过程的基于fpga和激光三角测距的板坯宽度动态检测装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于fpga和激光三角测距的板坯宽度动态检测装置，包括辊道、两台激光三角测距仪和以fpga为核心的板坯测宽集中控制器，所述两台激光三角测距仪安装在辊道两侧，所述板坯测宽集中控制器包括时钟分频模块、距离数据解析模块、板坯宽度计算模块、液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块，所述时钟分频模块分别至距离数据解析模块、板坯宽度计算模块、液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块单向连接，所述距离数据解析模块至板坯宽度计算模块单向连接，所述板坯宽度计算模块分别至液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块单向连接。

进一步的，所述时钟分频模块用于将输入的50m时钟产生成5分频时钟10mhz和10分频时钟5mhz，所述时钟分频模块的输出端clka连到两个距离数据解析模块和板坯宽度计算模块的时钟输入端，所述时钟分频模块的另一个时钟输出端clkb连接液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块的工作时钟输入端。

进一步的，所述距离数据解析模块用于根据来自时钟分频模块的10mhz时钟clka，产生两台激光三角测距仪的同步触发工作时钟ssistarta和ssistartb，使两台激光三角测距仪同步测量离板坯的距离，对接收到的高速串行数据ssidataa和ssidatab进行解析，输出激光三角测距仪和板坯之间的并行距离数据la[15..0]、lb[15..0]。

进一步的，所述板坯宽度计算模块以clka为同步工作时钟，每隔1ms接收一次距离数据la[15..0]、lb[15..0]，根据宽度公式w＝d-la-lb计算出板坯宽度，其中d为两台激光三角测距仪之间的固定距离，w为板坯宽度。

进一步的，所述激光三角测距仪包括激光器、汇聚透镜、接收透镜、线阵ccd驱动板、fpga控制板、一体化机械支架，所述激光器发出一束激光，经汇聚透镜照射到被测物体上，形成一个光斑，所述光斑在被测物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在线阵ccd驱动板上成像，所述线阵ccd驱动板产生的光包络信号送给fpga控制板。

进一步的，所述激光器为半导体激光器。

进一步的，所述半导体激光器为波长为405nm的紫光半导体激光器。

进一步的，所述半导体激光器上设有带pd的激光二极管。

进一步的，所述线阵ccd驱动板前设有波长405nm窄带滤光片。

相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明使用非接触测量方案，辊道两侧激光三角测距仪同步测量和板坯之间的距离；板坯测宽集中控制器以fpga为核心，通过测距数据计算板坯宽度，将宽度数据远程传输给钢厂plc系统，从而实现板坯生产闭环控制；人机界面使用7寸tft液晶显示和触摸屏，界面清晰，使用方便。

因此，本发明从硬件检测设备角度提出一种高速非接触式板坯宽度测量装置，具有非接触测量、精度高、响应速度快、抗干扰能力强、现场安装方便等特点，适用于冶金工业热轧厂板坯生产过程。

附图说明

图1是本发明整体工作示意图；

图2是板坯测宽集中控制器fpga的结构示意图；

图3是图2中距离数据解析模块的结构示意图；

图4是距离数据解析模块的波形仿真图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种基于fpga和激光三角测距的板坯宽度动态检测装置，包括辊道、两台激光三角测距仪和以fpga为核心的板坯测宽集中控制器，所述以fpga为核心的板坯测宽集中控制器控制辊道两侧的激光三角测距仪同步检测，实现大量数据的高速信号处理，系统响应时间1ms，可应用于冶金工业热轧厂等恶劣工业环境。所述两台激光三角测距仪安装在辊道两侧，测量到运动板坯之间的距离，将板坯和左右两侧激光三角测距仪之间的距离传送到安装在控制室的板坯测宽集中控制器，由其计算出板坯宽度，反馈控制前端板坯生产设备。板坯宽度的最终计算是由板坯测宽集中控制器实现，为能够实时响应接收激光三角测距仪输出的高速距离数据，集中控制器以fpga为核心，实现大量数据的高速信号处理。

如图2所示，所述板坯测宽集中控制器包括时钟分频模块、距离数据解析模块、板坯宽度计算模块、液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块，所述时钟分频模块分别至距离数据解析模块、板坯宽度计算模块、液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块单向连接，所述距离数据解析模块至板坯宽度计算模块单向连接，所述板坯宽度计算模块分别至液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块单向连接。

所述激光三角测距仪包括波长为405nm的带pd激光二极管紫光半导体激光器、汇聚透镜、接收透镜、线阵ccd驱动板、fpga控制板、一体化机械支架，所述激光器发出一束激光，经汇聚透镜照射到被测物体上，形成一个光斑，所述光斑在被测物体表面发生散射，其中一部分散射光经过接收透镜在线阵ccd驱动板上成像，所述线阵ccd驱动板产生的光包络信号送给fpga控制板。所述线阵ccd驱动板前设有波长405nm窄带滤光片。激光三角测距仪光源工作于恒温环境，四片高分辨率线阵ccd同时工作扩展测距范围，可对1000摄氏度以上的高温板坯测距，测距范围达到10m，测距精度为0.34mm，响应时间1ms。

当板坯开始在辊道上运行，进入激光三角测距仪检测范围后，测距仪实时检测与板坯之间的距离，两台测距仪将距离数据la、lb传送给集中控制器，通信频率为1khz。集中控制器基于fpga为设计核心，以硬件方式同时高速接收测距数据，高速计算板坯宽度。两台测距仪之间的距离d固定，因此板坯宽度w根据下面公式计算。

w＝d-la-lb

为保证测量精度，激光三角测距仪安装完成后，可采用固定宽度板坯进行参数标定，最终板坯测宽精度可达0.68mm。

板坯宽度的最终计算是由板坯测宽集中控制器实现，为能够实时响应接收激光三角测距仪输出的高速距离数据，集中控制器以fpga为核心，实现大量数据的高速信号处理。

本发明板坯测宽集中控制器的核心芯片fpga在quartus集成开发环境中使用vhdl描述，fpga的内部功能如图2所示，由时钟分频模块、距离数据解析模块、板坯宽度计算模块、液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块组成。其中：

时钟分频模块的主要功能是输入50m时钟，产生5分频时钟10mhz和10分频时钟5mhz。时钟分频模块的输入时钟clk50m来自50m的有源晶振，时钟输出端clka连到两个距离数据解析模块和板坯宽度计算模块的时钟输入端。时钟分频模块根据50m晶振上升沿工作，每出现一次上升沿，三位计数总线加一，加到4后计数总线清零，计数总线最高位就是所需要的时钟clka。

clka＝clk50m/5＝10mhz

时钟分频模块的另一个时钟输出端clkb是液晶显示驱动模块、d/a转换驱动模块、rs-485通信模块的工作时钟，产生方法与clka类似。

clkb＝clk50m/10＝5mhz

距离数据解析模块作用是根据来自时钟分频模块的10mhz时钟clka，产生两台激光三角测距仪的同步触发工作时钟ssistarta和ssistartb，使两台测距仪同步测量离板坯的距离，对接收到的高速串行数据ssidataa和ssidatab进行解析，输出测距仪和板坯之间的并行距离数据la[15..0]、lb[15..0]。

板坯宽度计算模块作用是根据来自时钟分频模块的10mhz时钟clka，以及来自两个距离数据解析模块的并行距离数据la[15..0]、lb[15..0]，进行高速运算，计算出板坯宽度wdata[15..0]。

wdata[15..0]＝d[15..0]-la[15..0]-lb[15..0]

上式中d[15..0]为两台激光三角测距仪之间的距离。

板坯宽度计算模块以clka为同步工作时钟，每隔1ms接收一次距离数据la[15..0]、lb[15..0]，根据公式计算出板坯宽度。

液晶显示驱动模块是根据来自时钟分频模块的输入时钟clkb，以及来自板坯宽度计算模块的宽度数据wdata[15..0]，输出tft液晶的控制信号db[15..0]、lcdcs、lcdrst、lcdwr、lcdrd，将板坯宽度在液晶上显示。

d/a转换驱动模块是根据来自时钟分频模块的输入时钟clkb，以及来自板坯宽度计算模块的宽度数据wdata[15..0]，输出可以驱动d/a转换芯片的时钟daclk、数据dadata和锁存信号dalatch，将板坯宽度通过4-20ma工业电流标准实现远距离传输，进入钢厂plc控制系统。

rs-485通信模块是将板坯宽度以数字形式远程传输，和钢厂plc控制系统通信。

本装置中，板坯测宽集中控制器fpga芯片中距离数据解析模块如图3所示，由串并转换模块、同步码判断模块、距离数据计数模块、条件译码模块、锁存信号生成模块、距离数据锁存模块组成。其中：

串并转换模块的主要功能是根据来自时钟分频模块的时钟clk10m，对来自三角测距仪高速串行数据ssidataa进行八位串并转换，输出八位并行总线serpardata[7..0]和测距仪触发启动时钟ssistarta。串并转换模块根据clk10m上升沿工作，每出现一次上升沿，将ssidataa送给并行总线serpardata[7..0]的最低位，同时使用for循环将serpardata[7..0]字节的八个比特左移一位，实现串并转换功能。

同步码判断模块的主要功能是判断激光三角测距仪输出高速数据的起始同步码，同步码判断模块的输入时钟clk10m来自时钟分频模块，并行数据输入端serpardata[7..0]来自串并转换模块，同步码判断模块的输出信号startflaga在同步码0x53结束处输出瞬时高电平。

同步码判断模块的工作过程描述如下：在时钟clk10m下降沿处判断serpardata[7..0]是否等于同步码0x53，若不等，startflaga输出低电平，若相等，startflaga输出高电平，说明距离数据出现。

距离数据计数模块的主要功能是在确定同步码之后开始计数，从而确定测距仪输出的高速串行数据ssidataa中有效数据的位置。距离数据计数模块的输入信号是来自时钟分频模块的时钟clk10m，以及来自同步码判断模块的窄脉冲startflaga，距离数据计数模块输出信号是五位计数总线ssiclkcount[4..0]。

距离数据计数模块的工作过程描述如下：以clk10m为时钟，startflaga为复位信号，设计停止型模25计数器，产生计数总线ssiclkcount[4..0]，计数值从0开始累加，加到24后计数停止。

条件译码模块的主要功能是在确定测距仪输出的高速串行数据ssidataa中有效数据位置之后，提取表示测距仪和板坯之间距离的有效数据。条件译码模块的输入信号是来自时钟分频模块的时钟clk10m和来自测距仪的数据ssidataa，以及来自距离数据计数模块的计数总线ssiclkcount[4..0]，条件译码模块的输出信号是十六位的并行码ssipara[15..0]。

条件译码模块为保证运行稳定，采用同步电路，在时钟clk10m上升沿时判决数据ssidataa，工作过程描述如下：

当ssiclkcount[4..0]＝0时，ssipara(15)＝ssidataa(并行码最高位)；

当ssiclkcount[4..0]＝1时，ssipara(14)＝ssidataa；

当ssiclkcount[4..0]＝2时，ssipara(13)＝ssidataa；

以此类推，

当ssiclkcount[4..0]＝15时，ssipara(0)＝ssidataa(并行码最低位)；

产生的十六位并行码ssipara[15..0]就表示测距仪和板坯之间的距离。但从图4时序仿真可以看出，由于根据计数总线值提取数据存在转换过程，并行码ssipara[15..0]也在不断变化，因此要在合适的时刻将其锁存，主要由后续的锁存模块实现。

锁存信号生成模块的主要功能是在距离数据结束时刻产生锁存信号。锁存信号生成模块的输入信号是来自时钟分频模块的时钟clk10m，以及来自距离数据计数模块的计数总线ssiclkcount[4..0]，锁存信号生成模块的输出信号是ssilatch。

锁存信号生成模块的工作过程描述如下：在时钟clk10m上升沿时判断计数总线ssiclkcount[4..0]数值，当其为15时，ssilatch输出瞬时高电平。

距离数据锁存模块的主要功能是将不断变化并行码ssipara[15..0]在合适的时刻锁存，产生正确的测距仪和板坯之间的距离数据。距离数据锁存模块的输入信号是来自条件译码模块的十六位并行码ssipara[15..0]，以及来自锁存信号生成模块的锁存信号ssilatch，距离数据锁存模块的输出信号是测距仪和板坯之间十六位并行距离数据la[15..0]。

距离数据锁存模块的工作过程描述如下：在时钟ssilatch上升沿时，十六位锁存器开始运行。

la[15..0]＝ssipara[15..0]

la[15..0]就是一台测距仪和板坯之间的距离，lb[15..0]为另一侧距离，产生方式类似。

图4是距离数据解析模块的波形仿真图，图3中所涉及到各个信号，在图4中均用波形清楚表示。图4中，测距仪输出的数据ssidataa按二十五位循环，数据为“0101001100001010000000011”，前八位是同步码“01010011”，转换为十六进制0x53，接下来一位冗余码0，最后十六位“0001010000000011”就是当前测距仪与板坯之间的距离，转换成十进制数为5123，波形图中la[15..0]最后有效数据也为5123，可以看出距离数据解析模块分析处理激光三角测距仪输出的高速串行数据完全正确。

板坯宽度动态检测装置主要由两台激光三角测距仪和以fpga为核心的测宽集中控制器组成，在冶金工业热轧厂等恶劣工业环境应用效果良好。

本具体实施方式使用非接触测量方案，辊道两侧激光三角测距仪同步测量和板坯之间的距离；板坯测宽集中控制器以fpga为核心，通过测距数据计算板坯宽度，将宽度数据远程传输给钢厂plc系统，从而实现板坯生产闭环控制；人机界面使用7寸tft液晶显示和触摸屏，界面清晰，使用方便。

因此，本发明从硬件检测设备角度提出一种高速非接触式板坯宽度测量装置，具有非接触测量、精度高、响应速度快、抗干扰能力强、现场安装方便等特点，很好地解决了使用磁尺等接触式测量方案造成的磨损问题以及在辊道上方安装ccd测宽仪的现场干扰问题，适用于冶金工业热轧厂板坯生产过程。