本文提出了一種基于FPGA和USB接口的驗光儀控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案中的全自動電腦驗光的接口設(shè)計是在原先驗光儀的基礎(chǔ)進行了改進，設(shè)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(shù)連接設(shè)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(jīng)嚴重影響了人們的健康。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(shè)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：

　?、俣ㄎ凰俣嚷?；②定位精度差；③自動化水平低。

　　為了解決以上問題，本設(shè)計對原有的電腦驗光儀進行了改進，采用運行速率快，穩(wěn)定性高的FPGA控制步進電機驅(qū)動芯片，實現(xiàn)了驗光儀的三軸聯(lián)動；運用行程開關(guān)實現(xiàn)了極點間的自動往返。為了保護電路安全，設(shè)計了板間的光電隔離電路；并且采用先進的USB技術(shù)使電腦和設(shè)備進行通信，增加了數(shù)據(jù)的傳輸率，提高了設(shè)備的可控性。

　　2.系統(tǒng)硬件整體設(shè)計

　　控制系統(tǒng)是驗光儀的控制核心，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(shè)計由EP3C16Q240C8最小系統(tǒng)擴展而成，根據(jù)FPGA功能實現(xiàn)及相關(guān)外設(shè)擴展對插針接口進行適當更改，并添加了USB通信接口、步進電機驅(qū)動模塊和行程開關(guān)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(shè)計框圖如圖1所示。

　　主控制板中FPGA使用的是Altera公司生產(chǎn)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(nèi)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(qū)動芯片選擇使用Allergo公司生產(chǎn)兩相步進電機專用驅(qū)動芯片SLA7042M，它能夠?qū)崿F(xiàn)超平滑低速驅(qū)動。為了實現(xiàn)主芯片和外部設(shè)備通信，控制板需要將3.3V和5V的電平相互轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)使用TI公司生產(chǎn)的16位3.3V-5V電平轉(zhuǎn)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(diào)整期，適用于許多的外部設(shè)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(guān)級的多種抽象設(shè)計層次的數(shù)字系統(tǒng)建模.FPGA芯片是驗光儀主控制板的核心部件，本設(shè)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(nèi)部功能模塊如圖2所示。

　　1）USB接口控制模塊：FPGA內(nèi)部USB固件程序，實現(xiàn)FPGA與上位機USB接口通信。

　　2）時鐘模塊：對外部的16MHz時鐘進行分頻、倍頻處理，產(chǎn)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(chǎn)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，對各軸的電機進行細分、變速控制，最終通過給步進電機專用驅(qū)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(qū)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，在預處理的基礎(chǔ)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(shè)備不是一個類設(shè)備，說以要使設(shè)備正常工作，還需要編寫專門的驅(qū)動程序和軟件。

　　4.1 驅(qū)動程序的編寫

　　驅(qū)動程序的編寫使用一些驅(qū)動開發(fā)的專用工具，例如Driver Studio、WinDriver等。

　　Driver Studio3.2進行開發(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(shè)備描述一致的信息。由于選用的是Philips的PDIUSBD12芯片，所以設(shè)備的Vendor ID固定為0×0471.

　　使用Driver Studio的Driver Wizard生成驅(qū)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)進行修改，還有就是對自定義的IO控制接口函數(shù)進行處理和廠商請求的編寫。完成這些后，就可以對驅(qū)動程序進行編譯了，成功編譯驅(qū)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(qū)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(shè)備使用USB接口進行上位機與設(shè)備進行通信，所以上位機應用程序要通過USB驅(qū)動實現(xiàn)對設(shè)備的訪問，編寫上位機的應用程序必須符合USB驅(qū)動定義的接口規(guī)范。一般來說，使用Driver Wizard生成一個驅(qū)動工程后，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(qū)動之間的橋梁，它定義了驅(qū)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)反饋數(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(shè)計完成，可以直觀顯示跟蹤對焦過程，并進行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總線進行連接通信，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(shè)備進行控制。上位機軟件實現(xiàn)了對電腦驗光儀機頭內(nèi)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進行完整的系統(tǒng)測試，結(jié)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(jié)果分析，本控制系統(tǒng)可以很好的完成跟蹤任務(wù)，識別準確、跟蹤迅速、對焦精確，充分驗證了本系統(tǒng)的可行性，基本達到了設(shè)計預期。

　　6.結(jié)束語

　　本方案利用PC和FPGA配合設(shè)計出了一套完整的控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PC機在圖像處理、人機交互方面的特長以及FPGA硬件資源多、可重構(gòu)性強的特點，極大的提高了系統(tǒng)的實時處理能力，縮短了跟蹤時間，提高了跟蹤效率。經(jīng)系統(tǒng)的測試表明本方案設(shè)計的電腦驗光儀控制系統(tǒng)將會是整個驗光儀系統(tǒng)中不可缺少的一部分。