如何基于DSP處理器的紅外電視調(diào)焦控制器設(shè)計(jì)？

摘要：本文以DSP為核心處理器，配合FPGA和外圍電路，設(shè)計(jì)了一套光電跟蹤測量系統(tǒng)紅外電視調(diào)焦控制器，實(shí)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(jìn)行自動調(diào)整。通過數(shù)據(jù)分析與實(shí)踐檢驗(yàn)，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(jī)的自動和連續(xù)調(diào)焦，是保證紅外電視成像質(zhì)量，實(shí)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(shí)時(shí)調(diào)整相機(jī)的位置，從而獲得清晰的目標(biāo)圖像，需要進(jìn)行廣泛深入的研究，對實(shí)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(jì)

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(shí)現(xiàn)的功能主要包括：接收綜合控制器的控制命令，實(shí)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(diǎn)，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(gè)調(diào)光調(diào)焦控制器的時(shí)序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個(gè)邏輯單元(LE)和173個(gè)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(jì)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(shí)序和邏輯設(shè)計(jì)。其中為TL16C554，AD7864提供地址選通信號，為光柵尺計(jì)算提供四倍頻鑒相和計(jì)數(shù)邏輯。

由于電機(jī)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(kuò)展I/O口的功能。

2.2 FPGA的設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，對FPGA設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊分解。主要包括，實(shí)現(xiàn)FPGA擴(kuò)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(jì)數(shù)邏輯計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)對A、B信號的倍頻及鑒相功能，然后通過16位計(jì)數(shù)器和鎖存器與DSP相連，通過讀取計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與精度分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

調(diào)焦系統(tǒng)由安裝在望遠(yuǎn)物鏡筒上的光學(xué)機(jī)械部分和電控部分組成。光學(xué)機(jī)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(shí)現(xiàn)時(shí)序和邏輯控制，配以外圍電路、執(zhí)行電機(jī)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(jī)采用步進(jìn)電機(jī)、超聲電機(jī)和永磁直流電機(jī)。變倍系統(tǒng)兩端靠電限位和機(jī)械限位來保證定位。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)踐，調(diào)焦電控系統(tǒng)采用兩塊電路板進(jìn)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(yàn)，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(jī)選用海頓直線電機(jī)型號為21000系列Size 8直線步進(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)的步長與光柵尺的精度。直線步進(jìn)電機(jī)步長0.0015mm.由以上條件計(jì)算得出如下結(jié)論：

a)直線步進(jìn)電機(jī)步長為0.0015mm，調(diào)焦機(jī)構(gòu)的分辨力為直線步進(jìn)電機(jī)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(dá)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(jī)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(shí)間的要求。

3.2.2 紅外電視變倍控制紅外兩檔變倍電機(jī)選用江蘇春生公司的超聲電機(jī)，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(jī)切換變倍鏡組，從而切換紅外電視的焦距。

超聲電機(jī)的斷電自鎖特性保證了旋轉(zhuǎn)變倍機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。超聲電機(jī)斷電自鎖力矩大于其驅(qū)動力矩30%左右。超聲電機(jī)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。