尹宏建 高慧斌 喬冠宇

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

光電經(jīng)緯儀是對(duì)觀察目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測量的光學(xué)設(shè)備。由于觀察目標(biāo)處于不斷運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，使得兩者之間的距離不斷變化，造成目標(biāo)在經(jīng)緯儀上像點(diǎn)離焦，直接導(dǎo)致了成像質(zhì)量的下降，這對(duì)觀察和記錄目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、飛行參數(shù)等信息存在影響和干擾。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，需要在經(jīng)緯儀中引入自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的作用就是根據(jù)相關(guān)信息，調(diào)整成像面的位置，達(dá)到目標(biāo)成像始終清晰的目的[1]。

目前，自動(dòng)調(diào)焦的方法主要有：光電自準(zhǔn)直法、圖像處理法和傳統(tǒng)程序控制法。由于傳統(tǒng)程序控制法相比其他兩種方法有操作簡單、對(duì)硬件要求較低及實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)程序控制法主要用數(shù)據(jù)擬合的方法，利用光學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出調(diào)焦公式，并以此為依據(jù)，編制相應(yīng)控制程序[2]。在此，筆者采用傳統(tǒng)程序控制法實(shí)現(xiàn)光電經(jīng)緯儀的自動(dòng)調(diào)焦。

1 系統(tǒng)硬件①

自動(dòng)調(diào)焦控制系統(tǒng)如圖1所示，管理計(jì)算機(jī)把目標(biāo)距離信息通過串口發(fā)送到TMS320LF2407，TMS320LF2407采用數(shù)據(jù)擬合方法計(jì)算出理論調(diào)焦量，從I/O口發(fā)出PWM脈沖，脈沖通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)準(zhǔn)直鏡沿光路傳播方向移動(dòng)，準(zhǔn)直鏡的位置信息經(jīng)過電位器反饋回TMS320LF2407，形成一個(gè)閉環(huán)，反饋回的位置信息和理論值的誤差驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)直鏡向著像點(diǎn)與焦面重合的方向移動(dòng)，直到誤差為零，此時(shí)圖像成像最為清晰[3]。但是由于TMS320LF2407自身ADC精度的限制，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差等因素，使得微小誤差始終存在。

圖1 自動(dòng)調(diào)焦控制系統(tǒng)框圖

1.1 主控芯片及外圍電路

筆者設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)采用的主控芯片為16位DSP芯片TMS320LF2407，能達(dá)到40MIPS的執(zhí)行速度，指令周期25ns，其內(nèi)部集成外設(shè)有：32KByte的FLASH程序存儲(chǔ)器；2.5KByte的數(shù)據(jù)/程序RAM；192KByte的可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器(程序、數(shù)據(jù)、I/O空間各64KByte)；定時(shí)器；看門狗；EV管理器；串行通信接口SCI，串行外設(shè)接口SPI，控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)CAN；8或16通道可選的10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC[4]。電源電路采用5.0V直流電源，由于DSP的工作電壓為3.3V，所以需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用TPS7333實(shí)現(xiàn)，其工作原理如圖2所示。串行通信接口的驅(qū)動(dòng)芯片采用MAX232，實(shí)現(xiàn)與管理計(jì)算機(jī)的距離信息發(fā)送和接收(圖3)。

圖2 電源模塊工作原理

圖3 串行通信接口模塊工作原理

1.2 液晶顯示電路

液晶采用T6963，用于顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。T6963是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器和128×64全點(diǎn)陣顯示器組成。能夠完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字，共有13種指令，與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出。TMS320LF2407的數(shù)據(jù)總線D0～D7分別與T6963的D0～D7相連，TMS320LF2407的/WE、/RD分別連接T6963的/WR、/RD，IOPE5控制T6963的數(shù)據(jù)和命令寫入。

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)調(diào)焦的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為35BYG007，歩距角1.8°。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇型號(hào)UP-4HB03M，UP-4HB03M是專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適用于四相混合式和兩相六出頭混合式步進(jìn)電機(jī)，PWM恒流控制方式；可選擇16細(xì)分或四相八拍兩種方式；輸出的驅(qū)動(dòng)電流為0.3A。

驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，TMS320LF2407的I/O口輸出脈沖信號(hào)，控制UP-4HB03M，UP-4HB03M的CP為步進(jìn)脈沖輸入端，上升沿有效；FREE端為驅(qū)動(dòng)器脫機(jī)端，當(dāng)FREE=1時(shí)，電機(jī)處于釋放狀態(tài)；U/D為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向控制端，當(dāng)U/D為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，否則電機(jī)反轉(zhuǎn)[5]。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作原理

2 系統(tǒng)軟件

TMS320LF2407的軟件設(shè)計(jì)工作是在CCSStudio_v3.3版本開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯、調(diào)試和仿真的。編程語言主要由C語言完成，但對(duì)DSP特殊寄存器的位操作采用匯編語言完成，例如，使能所有屏蔽中斷，就需要將狀態(tài)寄存器ST0的INTM位清零，用匯編語言asm(“CLRC INTM”)即可完成，與C語言相比，簡便得多。

主程序主要完成一些初始化工作，包括系統(tǒng)初始化、串行通信接口初始化、定時(shí)器初始化和看門狗初始化，這些初始化程序主要進(jìn)行對(duì)中斷、系統(tǒng)工作頻率、串行通信的波特率和接收驗(yàn)證方式、定時(shí)周期及屏蔽看門狗等的設(shè)置[6]。

2.1 定時(shí)器和串行通信中斷程序

程序中存在兩種中斷，一種是定時(shí)器中斷，負(fù)責(zé)對(duì)模擬量定時(shí)采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其軟件流程如圖5所示；另一種是串行通信接口中斷，負(fù)責(zé)接收管理計(jì)算機(jī)發(fā)送的距離信息和控制命令，其軟件流程如圖6所示。

圖5 定時(shí)器中斷流程

圖6 串口通信中斷流程

2.2 系統(tǒng)主程序

軟件主程序流程(圖7)為：TMS320LF2407接收到管理計(jì)算機(jī)發(fā)送的目標(biāo)距離信息，經(jīng)過調(diào)焦程序計(jì)算得到理論的調(diào)焦位置與ADC模塊檢測到的實(shí)際調(diào)焦位置進(jìn)行比較，由差值驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)焦控制。

圖7 主程序流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于TMS320LF2407自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以光學(xué)鏡頭焦點(diǎn)為原點(diǎn)，鏡頭到像面方向?yàn)檎较颉?/p>

系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因主要有：

a. 步進(jìn)電機(jī)精度誤差，本系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)歩距角1.8°，電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺距2.00mm，產(chǎn)生的最大誤差可達(dá)到0.01mm；

b. AD轉(zhuǎn)換誤差，TMS320LF2407自身ADC為10位精度，電位器長度25mm，供電電壓5V，ADC的分辨率為4.88mV，ADC轉(zhuǎn)換誤差為0.024 4mm；

c. 電位器誤差，本系統(tǒng)電位選擇型號(hào)為KTM30mm，重復(fù)性小于0.000 1mm。

表1 控制系統(tǒng)測試對(duì)比

由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的最大理論誤差為0.034 5mm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示的最大誤差為0.032 0mm，處于理論誤差范圍中。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以TMS320LF2407為核心芯片的經(jīng)緯儀自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功耗低、控制精度和速度都能達(dá)到較高要求等特點(diǎn)。并且設(shè)有串行通信接口可以和管理計(jì)算機(jī)通信和液晶顯示電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，誤差較小，滿足經(jīng)緯儀調(diào)焦精度的要求。