基于MSP430單片機的CCD相機調光電控系統(tǒng)設計

　　1.引言

　　自我國研制出第一臺大型經(jīng)緯儀以來，攝影一直是電影經(jīng)緯儀用于對飛行器（導彈，火箭，宇宙飛船）的主要測量記錄手段。攝影膠片記錄的內容在判讀時能否被發(fā)現(xiàn)，與目標相對背景的對比度有極重要的關系。調光的目的在于使膠片的曝光量保持在膠片感光特性曲線的直線段所規(guī)定的范圍之內：

　?。╮為底片反差系數(shù)），而不受外界背景亮度變化的影響。以前經(jīng)緯儀傳統(tǒng)的攝影調光是采用變換平衡電橋參數(shù)的方法來控制像面照度，檢測元件為光敏電阻。為了適應膠片感光度、攝影頻率和天空背景亮度等各種攝影條件。就要由操作人員來裝定數(shù)種不同，并按一定關系排列的背景照度值。每次攝影時，預先用照度計測出天空背景照度值，還要查曝光列表，選擇合適的電阻裝定在檢測電橋的一個臂上，用來設定背景照度值。模擬信號經(jīng)過伺服放大驅動直流電機帶動密度盤轉動，實現(xiàn)自動調光。這樣的系統(tǒng)，調光精度差，不穩(wěn)定環(huán)節(jié)多，調整方法復雜，很難滿足現(xiàn)代高速寬范圍攝影系絨調光要求。

　　八十年代中期，針對1~200幀/秒，高速寬范圍攝影系統(tǒng)的要求，研制一種新型調光系統(tǒng)。仍然采用變密度盤調節(jié)像面照度，同時可連續(xù)地75.~120.調節(jié)旋轉式快門的開口角，精確控制曝光時間，系統(tǒng)中應用了單片微型計算機，實現(xiàn)智能型自動控制，只要將攝影頻率、膠片感光度給定，單片機就代替操作人員自動選擇背景照度，同時根據(jù)計算和邏輯斷準確控制照度值和曝光時間，從而達到攝影全自動調光目的。

　　靶場經(jīng)緯儀在經(jīng)過CCD改裝后，其調光方法一般是根據(jù)天氣與航路光線情況設置相機積分時間，然后手動調整5檔可變密度盤，在進行攝影時，由于相機曝光量也不能連續(xù)調整，使得CCD攝影達不到理想的效果。

　　根據(jù)此種情況與現(xiàn)代電子技術的發(fā)展趨勢，設計了一種基于MSP430單片機的CCD攝影自動調光電控系統(tǒng)，在CCD攝影過程中能根據(jù)監(jiān)視器的效果進行連續(xù)的自動或半自動像面光強調整，使目標與背景的對比度高，從而達到理想的攝影成像效果。

　　2.調光系統(tǒng)的組成及工作原理

　　調光系統(tǒng)主要由可變密度盤，光敏元件，處理電路，步近機及其功率機組成，其組成關系如圖1所示。

　　在攝影過程中，CCD靶面上的曝光量為：

　　其中：

　　E為像面照度；T為CCD攝影積分時間。

　　像面照度的表達式為：

　　由（3）可見：當0 B , 1 K , 2 K 和τ 的結構參數(shù)確定后，則CCD靶面照度隨天空背景亮度而改變。

　　曝光時間T即為CCD相機的攝影積分時間，可以根據(jù)攝影頻率和光路情況選擇一個合適的參數(shù)，其大小一般為1~100mS.

　　從系統(tǒng)原理框圖見，自動調光由單片機控制一對中性可變密度盤來控制像面照度。中性可變密度盤是裝在望遠物鏡攝影系統(tǒng)會聚光路中的一對中性濾光片，這對濾光片的透過率是隨其轉角按一定函數(shù)關系連續(xù)變化的。其總的變化量相當于六級光圈32倍。光圈的示值刻在調光手鈕上。調光手鈕裝在可折卸的自動調光調焦操面板上，中間通過聯(lián)軸節(jié)與中性可變密度盤步進電機相連。

　　像面照度的檢測元件為光敏三極管，它置于攝影CCD靶面面前視場的邊緣。接收主光路進來的背景光，經(jīng)像面照度值檢測電路進行光電轉換，得出像面照度。

　　當選擇自動調光方式時，根據(jù)控制面板上參數(shù)設置旋鈕的設置照度參數(shù)值，設定CCD靶面照度。然后像面照度值，照度設置參數(shù)由多路開關按地址分時經(jīng)過樣保持器由A/D模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字量讀入單片機內存。單片機根據(jù)光敏三極管檢測的照度值，照度設置參數(shù)，實時計算出檢測照度與輸入?yún)?shù)設定的曝光標準量比較，得出照度誤差。單片機根據(jù)此誤差量。選擇最佳照度值控制量，由步進機帶動中性可變密度盤，控制照度誤差逐漸減少，直至誤差趨近于零，步進機停止運轉。如背景光不斷變化，此調整也不斷進行。

　　當選擇半自動工作方式，操作人員根據(jù)監(jiān)視器效果來控制步進機使變密度盤前進或后退，從而使透光量比較連續(xù)增加或減少，得到理想的成像效果。若是變化的光路，操作人員可以根據(jù)監(jiān)視器成像不斷調整。

　　3.控制電路

　　主要控制電路由像面照度檢測電路，照度設置電路，多路開關與采樣保持器，A/D轉換電路，單片機及功率機模塊等組成。

　　像面照度檢測電路由光敏三板管接收主光路射入的天空背景光，并轉換成與天空的背景亮度成正比的電壓值，輸出0~10V直流電壓。