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[導(dǎo)讀]摘要:本文以DSP為核心處理器,配合FPGA和外圍電路,設(shè)計(jì)了一套光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)紅外電視調(diào)焦控制器,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)目標(biāo)距離和環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)電視焦距進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。通過(guò)數(shù)據(jù)

摘要:本文以DSP為核心處理器,配合FPGA和外圍電路,設(shè)計(jì)了一套光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)紅外電視調(diào)焦控制器,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)目標(biāo)距離和環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)電視焦距進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。通過(guò)數(shù)據(jù)分析與實(shí)踐檢驗(yàn),該系統(tǒng)能夠滿足紅外電視的調(diào)焦控制要求。

1.引言

隨著紅外成像技術(shù)的快速發(fā)展,紅外測(cè)量電視成為光電跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分。紅外相機(jī)的自動(dòng)和連續(xù)調(diào)焦,是保證紅外電視成像質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)光電跟蹤系統(tǒng)高精度穩(wěn)定跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)。一般來(lái)說(shuō),影響紅外電視成像的因素有很多,而目標(biāo)的距離和環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)成像質(zhì)量影響較大,如何根據(jù)目標(biāo)距離和環(huán)境溫度等影響目標(biāo)成像質(zhì)量的信息,實(shí)時(shí)調(diào)整相機(jī)的位置,從而獲得清晰的目標(biāo)圖像,需要進(jìn)行廣泛深入的研究,對(duì)實(shí)現(xiàn)紅外跟蹤測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定高精度跟蹤測(cè)量功能具有重要意義。

2.調(diào)焦控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)及原理

光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)調(diào)焦控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括:接收綜合控制器的控制命令,實(shí)現(xiàn)紅外電視的變倍與調(diào)焦功能,兼具自檢功能和故障診斷能力,故障診斷到線路板。

系統(tǒng)采用基于DSP+FPGA的調(diào)光調(diào)焦控制器。該控制器的硬件原理框圖如圖1所示。

 


圖1 調(diào)光調(diào)焦控制器硬件框圖

其中DSP(TMS320F2812)作為調(diào)光調(diào)焦控制器核心。TMS320F2812是TI公司針對(duì)數(shù)字控制領(lǐng)域而推出的,它是目前控制領(lǐng)域最高性能的處理器,具有控制精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)以及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。

系統(tǒng)選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個(gè)調(diào)光調(diào)焦控制器的時(shí)序和邏輯控制核心,EP1C12Q240C8提供12060個(gè)邏輯單元(LE)和173個(gè)I/O口,可以內(nèi)嵌4K的RAM.

應(yīng)用TMS320F2812全部外設(shè)接口的一部分,如GPIO接口和EVA/EVB接口。

采用可編程邏輯器件(FPGA),可以非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)DSP的硬件電路。將DSP的數(shù)據(jù)總線、地址總線、讀寫控制線以及中斷信號(hào)線全部引入到FPGA 中,根據(jù)特定的要求,在FPGA內(nèi)完成時(shí)序和邏輯設(shè)計(jì)。其中為TL16C554,AD7864提供地址選通信號(hào),為光柵尺計(jì)算提供四倍頻鑒相和計(jì)數(shù)邏輯。

由于電機(jī)的信號(hào)線、限位開關(guān)線數(shù)量很多,需要本系統(tǒng)的I/O口的數(shù)量較多,可以在FPGA內(nèi)完成擴(kuò)展I/O口的功能。

2.2 FPGA的設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,對(duì)FPGA設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊分解。主要包括,實(shí)現(xiàn)FPGA擴(kuò)展I/O口的功能,為TL16C554和AD7864提供片選和讀寫信號(hào),提供四倍頻鑒相和計(jì)數(shù)邏輯計(jì)算光柵尺位置量。FPGA內(nèi)的功能模塊如圖2所示。

 


TL16C554地址譯碼模塊:在FPGA內(nèi)部,針對(duì)DSP的讀寫以及地址信號(hào)進(jìn)行譯碼,為TL16C554提供讀寫信號(hào)以及片選等信號(hào)。

AD7864地址譯碼模塊:對(duì)DSP的地址信號(hào)進(jìn)行譯碼,為AD7864提供讀寫、片選以及通道選擇等信號(hào)。

光柵尺邏輯計(jì)算模塊:光柵尺輸出兩路正交的方波信號(hào)A、B和零位信號(hào)Z輸入到FPGA中,在FPGA中實(shí)現(xiàn)對(duì)A、B信號(hào)的倍頻及鑒相功能,然后通過(guò)16位計(jì)數(shù)器和鎖存器與DSP相連,通過(guò)讀取計(jì)數(shù)器的數(shù)值可得到光柵尺的位置數(shù)值,系統(tǒng)框圖如圖3所示。

 


 

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與精度分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

調(diào)焦系統(tǒng)由安裝在望遠(yuǎn)物鏡筒上的光學(xué)機(jī)械部分和電控部分組成。光學(xué)機(jī)械部分包括調(diào)焦組件、變倍組件等。電控系統(tǒng)以DSP2833為核心處理器,利用 FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)序和邏輯控制,配以外圍電路、執(zhí)行電機(jī)及位置反饋部件。電控系統(tǒng)位置反饋采用精密線繞電位器和光柵尺,執(zhí)行電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)、超聲電機(jī)和永磁直流電機(jī)。變倍系統(tǒng)兩端靠電限位和機(jī)械限位來(lái)保證定位。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)踐,調(diào)焦電控系統(tǒng)采用兩塊電路板進(jìn)行工作,分別為控制電路板和功率驅(qū)動(dòng)板。圖4為控制電路板,圖5為功率驅(qū)動(dòng)板。通過(guò)試驗(yàn),較好的完成了紅外電視自動(dòng)調(diào)焦及變倍功能。

 


 


3.2 精度分析

3.2.1 紅外電視調(diào)焦控制

紅外電視調(diào)焦范圍為200m~∞,調(diào)焦執(zhí)行電機(jī)選用海頓直線電機(jī)型號(hào)為21000系列Size 8直線步進(jìn)電機(jī),步長(zhǎng)為0.0015mm,其工作電壓為5V,每相電流為0.24A,在每秒鐘1000步的速度下可產(chǎn)生60N的推力。滿足使用要求。位置反饋采用增量式光柵尺。

調(diào)焦電控系統(tǒng)誤差來(lái)源是直線步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)與光柵尺的精度。直線步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)0.0015mm.由以上條件計(jì)算得出如下結(jié)論:

a)直線步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)為0.0015mm,調(diào)焦機(jī)構(gòu)的分辨力為直線步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)為0.0015mm;b)采用光柵尺作為位置測(cè)量傳感器,其測(cè)量精度高,其測(cè)量精度可達(dá)5μm,滿足±0.01mm的分辨力精度要求;c)每秒鐘1000步的速度是電機(jī)的常用速度,也就是每秒鐘行程為1.5mm,因此該速度滿足調(diào)焦時(shí)間的要求。

3.2.2 紅外電視變倍控制紅外兩檔變倍電機(jī)選用江蘇春生公司的超聲電機(jī),型號(hào)為TRUM-60.紅外變倍系統(tǒng)為100mm/300mm兩檔變倍,采用半自動(dòng)控制方式,由電控系統(tǒng)控制超聲電機(jī)切換變倍鏡組,從而切換紅外電視的焦距。

超聲電機(jī)的斷電自鎖特性保證了旋轉(zhuǎn)變倍機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。超聲電機(jī)斷電自鎖力矩大于其驅(qū)動(dòng)力矩30%左右。超聲電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與變倍鏡組的外殼直接連接,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,并且占用空間小。[!--empirenews.page--]

由于超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到4~150r/min,對(duì)于這種只需要轉(zhuǎn)動(dòng)90度的變倍機(jī)構(gòu),如果要求切換時(shí)間小于2s,則只要轉(zhuǎn)速n滿足:

 


就可以滿足使用要求。因此采用的超聲電機(jī)完全滿足技術(shù)要求。

4.結(jié)論

光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)紅外電視的調(diào)焦控制是該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高精度跟蹤目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù),采用DSP為核心處理器、FPGA為時(shí)序和邏輯控制器設(shè)計(jì)的紅外電視調(diào)焦控制器,通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)和精度分析,滿足了光電跟蹤系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)距離、環(huán)境溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行焦距調(diào)整的技術(shù)指標(biāo)要求。

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