基于TMS320F240控制步進電機的調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計

摘要：　與傳統(tǒng)的攝影調(diào)焦系統(tǒng)相比較，針對焦距可以靈活調(diào)整的要求，提出了基于TMS320F240控制步進電機調(diào)焦的設(shè)計方案，利用F240控制電機驅(qū)動器UP-4HB03M按照計算所得的調(diào)焦軌跡進行調(diào)焦。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)調(diào)焦曲線與理想曲線擬合度較好，拍攝已知運動軌跡的目標，達到了滿意效果。

關(guān)鍵詞：TMS320F240；步進電機控制器；步進電機

引言

當攝影鏡頭拍攝運動的物體時，如果運動軌跡已知，攝影鏡頭必須對焦距進行調(diào)節(jié)，從而調(diào)整目標的像點的位置，使得目標始終位于焦點上，達到實時拍攝的目標，傳統(tǒng)變焦大多是利用機械裝置完成的，比如凸輪機構(gòu)，齒條機構(gòu)；但是由于機械加工工藝復(fù)雜，其精度、平穩(wěn)性和靈活性都難以滿足要求，為此本系統(tǒng)利用步進電機帶動攝像機完成變焦，由于步進點機精確地按照步進角轉(zhuǎn)動，并且由DSP進行控制，從而滿足了以上機械裝置無法完成地性能要求。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)調(diào)焦曲線與理想曲線擬合度較好，拍攝已知運動軌跡的目標，達到了滿意效果。

1 調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計思想

在光學(xué)系統(tǒng)中，采用一組物鏡，調(diào)節(jié)軸向位移，物鏡光學(xué)系統(tǒng)物象關(guān)系是：

X′=f2 / X

其中 X′——像距(目標像平面到主焦平面的距離)；

X ——物距(目標距離)；

f ——光學(xué)系統(tǒng)焦距 f＝常量，像距X′與物距X成反比關(guān)系。

利用已知的攝影調(diào)焦曲線確定步進電機轉(zhuǎn)動所需的步數(shù)和時間坐標關(guān)系，存入F240數(shù)據(jù)存儲器中，利用F240運算速度快、片載FLASH存儲器大(16K字)的特點，準確控制步進電機控制器驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，通過機械裝置實現(xiàn)攝影鏡頭焦距按照規(guī)定的曲線變化，從而實現(xiàn)實時拍攝運動物體的功能。

2 硬件設(shè)計部分

2.1 步進驅(qū)動器UP-4HB03M簡介

UP-4HB03M是北京聯(lián)太工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的專用步進電機驅(qū)動器,4HBO3M適用于兩相六出頭混合式及四相混合式步進電機，PWM恒流控制方式；可選擇半步(四相八拍)或者16細分兩種工作方式；驅(qū)動電流為0.3A連續(xù)可調(diào)，并且具有自動半流鎖定功能；脫機控制及其相位檢測功能；所有控制信號與功率驅(qū)動部分光電隔離；散熱外殼與驅(qū)動器內(nèi)部完全電絕緣。

2.2 TMS320F240簡介

TMS320F240(以下簡稱F240)由DSP內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)組成。由于DSP內(nèi)核具有較快的計算和響應(yīng)處理速度，可以應(yīng)付高速應(yīng)用的要求，同時也為控制軟件的設(shè)計提供了更加有力的支持，使控制系統(tǒng)能夠完成更加復(fù)雜的功能、實現(xiàn)更好的控制效果。同時TMS320F240具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括16路10位A／D轉(zhuǎn)換器、多個可編程的多路復(fù)用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線等。特別是TMS320F240片內(nèi)設(shè)置了一個事件管理器(EPA)，可以提供6路全比較PWM通道，能方便地實現(xiàn)各種PWM波形的發(fā)生。這里使用F240主要是考慮F240速度快以及有豐富的I/O引腳資源；程序燒寫方便，利于更新曲線坐標以及修改程序；性價比較高等因素。

2.3 硬件設(shè)計

74ls14為反相器，接到DSP的I/O口以提高其驅(qū)動能力，CH1是一個八腳的插頭，用于外接步進機的各項繞組。步進電機以及攝影鏡頭部分從略。工作過程如下：首先獲得攝影調(diào)焦曲線，利用MATLAB軟件，得出時間位移坐標，再換算成步進電機轉(zhuǎn)動所需的步數(shù)時間坐標，以數(shù)組的行式保存下來。在F240的數(shù)據(jù)存儲器中開辟空間存儲步數(shù)時間數(shù)組，利用F240定時器完成計時，I/O口輸出相應(yīng)寬度的脈沖信號，驅(qū)動步進電機驅(qū)動器UP-4HB03M，其中CP為步進脈沖輸入端；FREE為脫機端，高電平有效，F(xiàn)REE＝1時，電機處于釋放狀態(tài)；V/D為方向控制端，高低電平分別控制電機正反轉(zhuǎn)。

3 實驗結(jié)果及其注意事項

電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)和時間坐標都是由主機端通過MATLAB仿真取得的，因此實際調(diào)焦曲線的與理想曲線的擬合程度大大提高了；步進電機控制器采用四相八拍運行方式，并且由DSP進行控制，步進機精確地按照步進角(0.9度)轉(zhuǎn)動。實際應(yīng)用該調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)整攝影鏡頭，拍攝運動軌跡已知的目標，達到了滿意的效果。

定時器時間的準確計算對高精度地測量一些物理量是非常重要的。當需要定時器計算的時間比較長時，定時器計數(shù)還不夠，這時就需要利用定時器自身的中斷，即短時間定時一到就進入定時器中斷服務(wù)子程序，利用進入的次數(shù)來達到計時的目的。

4結(jié)束語

本文對基于DSPTMS320F240利用步進驅(qū)動器UP-4HB03M控制步進電機進行了研究，改進了傳統(tǒng)的工程中調(diào)焦方式，精度大大提高,經(jīng)測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，由于DSP操作方便，而且采用C語言方式編寫，易于日后的代碼修改和程序移植。