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FPGA-basierte Auswertung von Interferogrammen für die Verkippungs- und Verschiebungsmessung

Categories:
  • Metrology for Economy
01.12.2013


Ein hochauflösendes Interferometer mit gleichzeitiger Erfassung von Verschiebung und Verkippung von geführten Bewegungen wurde entwickelt und aufgebaut (siehe Bild 1). Das System basiert auf einer zeilenhaften Erfassung des Interferogrammes durch einen digitalen CMOS Bildsensor. Als Nutzsignal dient ein räumlich moduliertes Interferogramm, das aufgrund einer Kippung zwischen Mess- und Referenzspiegel entsteht. Die Ansteuerung, Signalverarbeitung und Datenweiterleitung wird durch ein leistungsstarkes, für die Signalverarbeitung optimiertes FPGA (hochintegrierter programmierbarer Logikbaustein) vorgenommen, um ein determiniertes Verhalten und geringstmögliche Latenzzeiten in geregelten Positionier- und Messsystemen zu ermöglichen.

Zur Auswertung wird durch die Signalverarbeitungskomponenten eine Frequenzanalyse des erfassten zeilenhaften Interferenzmusters durchgeführt. Die Berechnung erfolgt in Festkommaarithmetik mit 48 Bit Wortbreite (24.24 Notation). In der programmierbaren Logik ist ein komplettes eingebettetes System, bestehend aus einer CPU (32 Bit MIPS, unterstützt vom Gnu C-Compiler), Signalverarbeitungs- und Schnittstellenkomponenten, realisiert.

Zu Ausricht- und Diagnosezwecken können die vom Bildsensor erfassten Aufnahmen oder die durch die Signalverarbeitungseinheiten berechneten Ergebnisse über USB-Schnittstelle übertragen und direkt auf einem Computer ausgegeben oder gespeichert werden.

Die entwickelte Hardwareplattform eignet sich als Basis für eine Vielzahl weiterer Mess- und Analyseverfahren.

 
Bild 1: Interferometeraufbau für zweiachsige Erfassung von Verschiebung und Verkippung (links: Konzept, rechts: Realisierung)

 
Bild 2: Die entwickelte Schaltung. Links: Bildsensor (a). Rechts) Bildsensoransteuerung (b), RAM-Bank (c), USB2.0 Schnittstelle (d), serieller Datenaustauschbus (e), Expansionsport ADC (f), Expansionsport DAC (g), alternativer Bildsensor (h), RS-232 Schnittstelle (i), FPGA (j)


Bild 3: Eingebettetes System, formuliert in einer Hardwarebeschreibungssprache (VHDL)

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