基于FPGA+單片機(jī)的調(diào)焦變倍系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在光電探測(cè)領(lǐng)域中以往對(duì)相機(jī)調(diào)焦變倍多采用單片機(jī)(MCU)控制完成，其優(yōu)點(diǎn)在于易于編程實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐髮?shí)時(shí)控制相機(jī)的變倍、調(diào)焦，其程序的編寫(xiě)多采用查詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)，這就使單片機(jī)始終處于十分繁忙的狀態(tài)，利用率降低，此外當(dāng)調(diào)焦、變倍電機(jī)到達(dá)限位位置時(shí)，由于單片機(jī)是采用查詢(xún)方式工作，這就導(dǎo)致電機(jī)到達(dá)限位與實(shí)際停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之間存在時(shí)間差，這種時(shí)間差導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，容易把電機(jī)或調(diào)焦變倍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)燒毀。文章采用單片機(jī)+FPGA方式進(jìn)行調(diào)焦變倍控制，單片機(jī)負(fù)責(zé)通信，FPGA根據(jù)命令實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍控制。FPGA實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度更快、此外能夠真正實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到限位位置能夠及時(shí)停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，有效避免堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；調(diào)焦變倍；限位點(diǎn)

0 引言
在光電測(cè)量領(lǐng)域中，常常需要使用長(zhǎng)焦距、大口徑的光學(xué)相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。這種相機(jī)由于變倍比比較大，為了使不同距離的目標(biāo)均能在像面成清晰的像，除了需要控制倍率的變化外，還需要對(duì)聚焦位置進(jìn)行微調(diào)。以往對(duì)這種光學(xué)相機(jī)變倍調(diào)焦的控制比較常用的方法是采用單片機(jī)來(lái)完成。采用單片機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)在于編程方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)在于由于需要控制監(jiān)測(cè)的信號(hào)有變倍電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、調(diào)焦電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、變倍電機(jī)分別走到兩頭的兩個(gè)限位信號(hào)、調(diào)焦電機(jī)分別走到兩頭的兩個(gè)限位信號(hào)，這些信號(hào)均要實(shí)時(shí)控制監(jiān)測(cè)，因此通常需要采用查詢(xún)的方法進(jìn)行編程處理，這種方法的好處在于能夠及時(shí)地控制相機(jī)的變倍調(diào)焦，缺點(diǎn)在于由于頻繁的查詢(xún)硬件狀態(tài)，使得單片機(jī)始終處于繁忙的工作狀態(tài)，工作效率低。此外由于單片機(jī)是以固定周期進(jìn)行查詢(xún)，這常常導(dǎo)致檢測(cè)到電機(jī)運(yùn)行到限位狀態(tài)與停止電機(jī)運(yùn)動(dòng)存在時(shí)間差，該時(shí)間差可導(dǎo)致電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，易于損壞電路板及電機(jī)。
本文設(shè)計(jì)了一種光學(xué)相機(jī)調(diào)焦變倍控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)以FPGA+單片機(jī)(MCU)為核心芯片，其中控制電機(jī)運(yùn)行的命令通過(guò)中斷的方式發(fā)出，保證電機(jī)實(shí)時(shí)接到命令即運(yùn)動(dòng)起來(lái)，當(dāng)電機(jī)到達(dá)限位位置FPGA得到限位狀態(tài)，馬上發(fā)出停止信號(hào)，斷掉電機(jī)管腳上的電，使電機(jī)馬上停止下來(lái)。此方法同以往方法相比的好處在于控制電機(jī)的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，能夠有效地控制相機(jī)變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、停止，同時(shí)避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)，以致燒毀電機(jī)或電路板。

1 硬件組成
基于FPGA+單片機(jī)的調(diào)焦變倍系統(tǒng)主要包括MCU、通信模塊、FPGA(可編程邏輯器件)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光耦模塊、電機(jī)組成，其組成框圖如圖1所示。其中MCU采用AD公司的ADU812，該款芯片除具有單片機(jī)的通用功能外，還具有AD轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)光學(xué)鏡頭需要實(shí)時(shí)回傳當(dāng)前位置信息時(shí)，可通過(guò)把電位計(jì)同電機(jī)連接到一起，把電位計(jì)的輸出端接到該MCU的AD輸入口，通過(guò)程序可讀到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)到的位置；通信模塊采用16C650，該通信模塊可把MCU的并行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇行盘?hào)傳遞出去；FPGA采用EP1K100-208I，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298，該芯片具有兩路電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)；光耦模塊采用歐姆龍的EP470，該光耦模塊接法簡(jiǎn)單，并且模塊上具有燈光指示，通過(guò)燈光可知道當(dāng)前狀態(tài)；電機(jī)采用瑞士電機(jī)。