如何基于DSP處理器的紅外電視調(diào)焦控制器設(shè)計？

摘要：本文以DSP為核心處理器，配合FPGA和外圍電路，設(shè)計了一套光電跟蹤測量系統(tǒng)紅外電視調(diào)焦控制器，實現(xiàn)了根據(jù)目標(biāo)距離和環(huán)境溫度等參數(shù)對電視焦距進行自動調(diào)整。通過數(shù)據(jù)分析與實踐檢驗，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，紅外測量電視成為光電跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分。紅外相機的自動和連續(xù)調(diào)焦，是保證紅外電視成像質(zhì)量，實現(xiàn)光電跟蹤系統(tǒng)高精度穩(wěn)定跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)。一般來說，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，實時調(diào)整相機的位置，從而獲得清晰的目標(biāo)圖像，需要進行廣泛深入的研究，對實現(xiàn)紅外跟蹤測量系統(tǒng)穩(wěn)定高精度跟蹤測量功能具有重要意義。

2.調(diào)焦控制器的硬件設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)及原理

光電跟蹤測量系統(tǒng)調(diào)焦控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能主要包括：接收綜合控制器的控制命令，實現(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，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)以及自動化控制等領(lǐng)域。

系統(tǒng)選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個調(diào)光調(diào)焦控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元(LE)和173個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)，可以非常簡單的設(shè)計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線全部引入到FPGA 中，根據(jù)特定的要求，在FPGA內(nèi)完成時序和邏輯設(shè)計。其中為TL16C554，AD7864提供地址選通信號，為光柵尺計算提供四倍頻鑒相和計數(shù)邏輯。

由于電機的信號線、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)完成擴展I/O口的功能。

2.2 FPGA的設(shè)計

FPGA內(nèi)部采用模塊化的設(shè)計思想，對FPGA設(shè)計進行模塊分解。主要包括，實現(xiàn)FPGA擴展I/O口的功能，為TL16C554和AD7864提供片選和讀寫信號，提供四倍頻鑒相和計數(shù)邏輯計算光柵尺位置量。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DSP的讀寫以及地址信號進行譯碼，為TL16C554提供讀寫信號以及片選等信號。

AD7864地址譯碼模塊：對DSP的地址信號進行譯碼，為AD7864提供讀寫、片選以及通道選擇等信號。

光柵尺邏輯計算模塊：光柵尺輸出兩路正交的方波信號A、B和零位信號Z輸入到FPGA中，在FPGA中實現(xiàn)對A、B信號的倍頻及鑒相功能，然后通過16位計數(shù)器和鎖存器與DSP相連，通過讀取計數(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.實驗驗證與精度分析

3.1 實驗驗證

調(diào)焦系統(tǒng)由安裝在望遠物鏡筒上的光學(xué)機械部分和電控部分組成。光學(xué)機械部分包括調(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實現(xiàn)時序和邏輯控制，配以外圍電路、執(zhí)行電機及位置反饋部件。電控系統(tǒng)位置反饋采用精密線繞電位器和光柵尺，執(zhí)行電機采用步進電機、超聲電機和永磁直流電機。變倍系統(tǒng)兩端靠電限位和機械限位來保證定位。

根據(jù)以上設(shè)計方案進行實踐，調(diào)焦電控系統(tǒng)采用兩塊電路板進行工作，分別為控制電路板和功率驅(qū)動板。圖4為控制電路板，圖5為功率驅(qū)動板。通過試驗，較好的完成了紅外電視自動調(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)行電機選用海頓直線電機型號為21000系列Size 8直線步進電機，步長為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)誤差來源是直線步進電機的步長與光柵尺的精度。直線步進電機步長0.0015mm.由以上條件計算得出如下結(jié)論：

a)直線步進電機步長為0.0015mm，調(diào)焦機構(gòu)的分辨力為直線步進電機的步長為0.0015mm;b)采用光柵尺作為位置測量傳感器，其測量精度高，其測量精度可達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)焦時間的要求。

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

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

由于超聲電機的轉(zhuǎn)速可以達到4~150r/min，對于這種只需要轉(zhuǎn)動90度的變倍機構(gòu)，如果要求切換時間小于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完全滿足技術(shù)要求。

4.結(jié)論

光電跟蹤測量系統(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為時序和邏輯控制器設(shè)計的紅外電視調(diào)焦控制器，通過實踐檢驗和精度分析，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)實時進行焦距調(diào)整的技術(shù)指標(biāo)要求。