基于FPGA的激光無線通信精跟蹤系統(tǒng)
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MV-D1024E是高速高動態(tài)的CMOS相機系列，采用CMOS主動像元技術，具有12位的采樣分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下幀頻能達到150幀／s，曝光時間由10μs～0．41 s，25 ns步進可調(diào)，采用Camera Link接口，用串行口對相機進行配置。相機時序由幀頻FVAL、行頻LVAL和數(shù)據(jù)幀DVAL控制，當它們同時為高電平時，在相機時鐘PCLK上升沿時數(shù)據(jù)總路線上才有數(shù)據(jù)。在光斑中心提取算法中，采用較為實用的質(zhì)心法，該算法計算簡單，便于FPGA實現(xiàn)，因其抗噪聲干擾能力較弱，當噪聲增大時，光斑中心提取精度降低，則系統(tǒng)選取了灰度加權(quán)質(zhì)心法來計算光斑中心。若目標區(qū)域為N×N，則質(zhì)心的位置為：本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/191899.htm
式中：i，j為目標區(qū)中像元的橫縱坐標；f(i，j)為像元的灰度值。質(zhì)心法反映了目標的能量分布狀況。該算法適用于類似于精跟蹤系統(tǒng)接收視場小而光班范圍相對較大的情況。
2．2 數(shù)據(jù)傳輸及通信接口部分
Camera Link用于相機和FPGA板間的數(shù)據(jù)交換，其傳輸率高達1 Gb／s，且抗噪較好，可以提供高分辨率和各種幀頻的數(shù)字化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出采用了LVDS格式，根據(jù)應用要求，其支持基本(Base)、中檔(Medium)、全部(Full)等數(shù)字格式，該接口具有開放式的接口協(xié)議，兼容性好。它適用于CCD或CMOS等數(shù)字式相機與圖像采集系統(tǒng)間的通信接口。
USB接口用于FPGA與PC機間的數(shù)據(jù)和指令的交換，其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用維護方便等優(yōu)點，采用IEEE1394總路線協(xié)議，最高帶寬可達到480 Mb／s。采用Cypress公司的EZ-US-BFX2系列芯片中的CY7C68013。
2．3 光路偏轉(zhuǎn)控制部分
光路偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)以高速轉(zhuǎn)換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡構(gòu)成，采用的16位雙通道高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P，電壓輸出時間小于10μs，其輸出電壓直接用于雙通道PZT控制器的輸入。PZT控制器選用德國PI公司的E-503 PZT控制功率放大器，輸入電壓范圍為0～10 V，輸出電壓范圍為0～100V，其電壓頻率響應曲線如圖2所示。PZT振鏡選用了德國PI公司的S-330，該PZT振鏡采用壓電陶瓷驅(qū)動，頻率響應度高且具有極高的定位精度。
跟蹤控制算法采用PID控制算法，該算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，而在實時控制系統(tǒng)中常用增量式PID控制算法，其公式為：
式中：△u(k)為輸出的控制量。q0=KP，q1=KP?(TS／TI)，q2=KP?(TD／TS)分別為比較項、積分項和差分項的系數(shù)，TS為采樣時間，對于不同的控制系統(tǒng)，TS各不相同，要根據(jù)實際調(diào)試經(jīng)驗來確定。
3 軟件部分設計
此部分包含了上位機和下位機軟件設計，下位機FPGA采用由Altera公司的集成開發(fā)環(huán)境QuartusⅡ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE進行開發(fā)，采用Verilog HDL語言進行編寫，上位機使用Microsoft公司的VC++6．0軟件工具進行開發(fā)。QuartusⅡ通過JTAG對FPGA進行調(diào)試、配置下載，VC應用程序通過USB接口與CMOS相機控制電路板、圖像處理電路板進行連接通信。整個系統(tǒng)流程圖如圖3所示。
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