超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)的電路控制，提出了以ATMega16L單片機(jī)及CPLD邏輯電路XC95288為核心的電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0.1微秒精度的時(shí)間控制和1MHz的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量，并在某系統(tǒng)高速攝影機(jī)中得到應(yīng)用，效果良好。

　　引言

　　超高速攝影與一般攝影最根本的區(qū)別，在于它能以極快的速度進(jìn)行拍攝，有很高的時(shí)間分辨率，能夠?qū)⒖焖僮兓倪^程記錄下來，可以廣泛應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)過程研究、瞬態(tài)光譜物理、高能物理、炸藥爆轟參數(shù)測(cè)量等領(lǐng)域。

　　超高速攝影有超高速光電相機(jī)、轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影等。轉(zhuǎn)鏡式高速攝影有較高的分辯力，轉(zhuǎn)鏡式高速攝影掃描系統(tǒng)的掃描速度可達(dá)0.375km/s~15km/s，系統(tǒng)分辯力可達(dá)80lp/mm，高速攝影分幅系統(tǒng)的攝影頻率可達(dá)104fps~107fps，系統(tǒng)分辨力可達(dá)35lp/mm，可滿足速度最高可達(dá)幾十千米每秒的高速運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)試需求。

　　轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)是一個(gè)涉及光學(xué)、機(jī)械、電子等技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜精密系統(tǒng)，主要由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，這里主要對(duì)某項(xiàng)目中用到的轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)的電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

　　超高速攝影電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影電路控制系統(tǒng)使高速攝影機(jī)各部分按程序工作，保證高速攝影機(jī)以500萬幀/秒的速度準(zhǔn)確可靠地高速拍攝。超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)是保證攝影機(jī)準(zhǔn)確可靠工作、提供分析所需數(shù)據(jù)的指揮機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)性能的好壞是衡量高速攝影機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)志。

　　超高速攝影電路控制系統(tǒng)主要由控制箱、電源、計(jì)算機(jī)等組成。電控系統(tǒng)主要功能為：(1)快門開啟和關(guān)閉的控制;(2)調(diào)整和控制轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)速度;(3)轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量和指示;(4)引發(fā)脈沖光源;(5)安全保護(hù)功能，包括電機(jī)的過流保護(hù)、傳感器斷電保護(hù)等。超高速攝影電控系統(tǒng)工作流程示意如圖1所示。

　　這里所設(shè)計(jì)的超高速攝影電控系統(tǒng)的單幅畫面有效曝光時(shí)間為0.1微秒，為了充分利用這短暫的記錄時(shí)間盡可能多地記錄高速過程，以提供精確的分析數(shù)據(jù)，確保每次高速攝影均能取得需要的結(jié)果，控制系統(tǒng)必須精心設(shè)計(jì)。超高速攝影電控系統(tǒng)由上位控制計(jì)算機(jī)和下位控制電路組成，如圖2所示。

　　上位控制計(jì)算機(jī)提供操作人員和控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，操作人員可通過計(jì)算機(jī)軟件界面方便地完成對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)置、操作，在上位控制計(jì)算機(jī)軟件界面上設(shè)定攝影頻率等參數(shù)，隨后將此參數(shù)通過RS-485接口發(fā)送給下位控制電路。下位控制電路主要由ATMega16L單片機(jī)及CPLD邏輯電路XC95288等電路組成，用于開啟主控電源、電機(jī)電源、氙燈電源，開始攝影機(jī)的光路對(duì)接與調(diào)焦，而后啟動(dòng)拍攝。此后控制系統(tǒng)開始自動(dòng)工作。電機(jī)開始帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn);控制系統(tǒng)通過速度傳感器實(shí)時(shí)取得轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)鏡速度上升到設(shè)定拍攝速度一半時(shí)，開啟機(jī)械保護(hù)快門;轉(zhuǎn)鏡速度上升到預(yù)定的拍攝轉(zhuǎn)速后，將保持轉(zhuǎn)速并等待拍攝，同時(shí)給出一個(gè)觸發(fā)脈沖去觸發(fā)目標(biāo);目標(biāo)發(fā)射后，將由外部測(cè)量系統(tǒng)給出準(zhǔn)確的到達(dá)拍攝區(qū)域的時(shí)間(外來同步信號(hào))，把這個(gè)外來的同步信號(hào)到來的時(shí)刻定為時(shí)間的零點(diǎn)，則外來同步信號(hào)也稱為零時(shí)信號(hào)。根據(jù)此信號(hào)開啟脈沖氙燈進(jìn)行拍照。零時(shí)信號(hào)經(jīng)過延時(shí)單元延遲相應(yīng)時(shí)間后取得拍照時(shí)轉(zhuǎn)鏡的速度。拍攝完畢后延時(shí)單元輸出的信號(hào)再經(jīng)關(guān)門延遲單元延遲適當(dāng)時(shí)間后去關(guān)閉機(jī)械快門，并控制電機(jī)停止。

　　單片機(jī)ATMega16L通過RS485通信接受計(jì)算機(jī)的指令并完成對(duì)其它各個(gè)分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。電機(jī)脈沖信號(hào)放大板將轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速測(cè)量板的信號(hào)放大并送給CPLD邏輯電路XC95288進(jìn)行測(cè)速，并與轉(zhuǎn)鏡速度控制單元的測(cè)速值進(jìn)行比較，用于判斷是否達(dá)到設(shè)定的速度;脈沖氙燈控制器用于開啟脈沖氙燈和引發(fā)目標(biāo)信號(hào)，機(jī)械快門控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)攝影機(jī)的保護(hù)，外部觸發(fā)及同步信號(hào)單元用來獲取外部的同步信號(hào)，并根據(jù)到達(dá)拍攝區(qū)域的時(shí)間確定零時(shí)信號(hào)。系統(tǒng)各控制模塊(除電機(jī)控制器外)和電源等都裝配在控制機(jī)柜中，并通過電纜與對(duì)應(yīng)的快門、電機(jī)、氙燈、傳感器和液晶顯示模塊等連接起來。