基于TMS320F2812的調(diào)光器系統(tǒng)的設(shè)計

李立凱　楊帆　楊寧

摘 要： 為解決因仿真設(shè)備的屏幕凹凸不平而使其反射特性存在劇烈閃爍，從而影響其仿真試驗的置信度，提出在入射光處加調(diào)光器。設(shè)計基于TMS320F2812芯片的調(diào)光器系統(tǒng)，給出系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)在PID控制基礎(chǔ)上，添加前向反饋控制環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的跟蹤特性。依據(jù)理論推算和大量測試結(jié)果，確定系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足實際要求。

關(guān)鍵詞： 運(yùn)動控制； TMS320F2812； 調(diào)光器； 絕對位置； PID

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0110?03

Abstract： A design scheme putting a dimmer before the incident light is proposed to solve the intense flash existing in display reflection due to the uneven display of the simulation device. The dimmer system based on TMS320F2812 chip was designed. The system hardware and software design process is given in this paper. The innovation is that adds a forward feedback control link based on the PID control， and increases the tracking characteristics of the system. According to theoretical calculation and results of extensive testing， the system parameters has been confirmed. The results show that the system meets the actual requirements.

Keywords： motion control； TMS320F2812； dimmer system； absolute position； PID

為滿足面陣CCD航空相機(jī)獲得清晰圖像的需要，設(shè)計了一種以數(shù)字處理芯片TMS320F2812為核心的調(diào)光控制器。仿真設(shè)備因屏幕出現(xiàn)凹凸不平，反射特性存在劇烈閃爍，影響其仿真試驗的置信度[1?4]，特進(jìn)行改造。需在其入射光處加調(diào)光器。為了保證面陣CCD器件的曝光時間與地面景物照度相匹配，做到既不過曝光也不欠曝光，正確反映景物細(xì)節(jié)，并獲得較高的判讀效果，必須進(jìn)行自動調(diào)光控制[1，3，5]。本文詳細(xì)闡述了基于TMS320F2812芯片的調(diào)光器系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計電路簡單， 處理速度快， 容易用軟件編程實現(xiàn)調(diào)光算法和控制信號的產(chǎn)生， 工作穩(wěn)定，可靠性和精度較高。

1 調(diào)光器系統(tǒng)工作原理

調(diào)光器是在目標(biāo)模擬器出口處增設(shè)調(diào)光器即光能調(diào)節(jié)裝置，工作時調(diào)光器與周視鏡聯(lián)動。當(dāng)目標(biāo)景像經(jīng)大屏幕上某位置反射后，調(diào)光器要據(jù)位置信息查表獲得目標(biāo)景像光能，若目標(biāo)景像光能低于平均值，轉(zhuǎn)動調(diào)光器，增大目標(biāo)模擬器出射光能，進(jìn)行補(bǔ)償。反之，當(dāng)目標(biāo)景像經(jīng)大屏幕上某位置反射后，目標(biāo)景像光能高于平均值時，轉(zhuǎn)動調(diào)光器，減小目標(biāo)模擬器出射光能，進(jìn)行修正，最終達(dá)到仿真試驗時，武器接收到目標(biāo)景像的光能不受大屏幕反射特性影響[6?7]。

調(diào)光器控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。事先將屏幕上與位置對應(yīng)的反射特性二維數(shù)表測量好并存儲在控制計算機(jī)內(nèi)；仿真設(shè)備將試驗時的二維位置信息以兩路模擬量的形式實時傳送給控制計算機(jī)，控制計算機(jī)根據(jù)屏幕的位置信息查找二位數(shù)表，并進(jìn)行二元插值處理，獲得屏幕上該點(diǎn)位置的反射特性，計算出調(diào)光器動盤的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度；控制計算機(jī)通過編碼器讀出當(dāng)前的絕對位置，比較后將速度信號以PWM的形式傳送給驅(qū)動器，由驅(qū)動器驅(qū)動調(diào)光器動盤動作，即由驅(qū)動器完成電流環(huán)、速度環(huán)的控制，由控制計算機(jī)完成位置環(huán)的控制。

調(diào)光器不但要求較快的動態(tài)特性，而且要求有很高的位置精度。

2 硬件設(shè)計

調(diào)光器控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：驅(qū)動器，直流力矩電機(jī)，光電編碼器，信號調(diào)理板和TMS320F2812開發(fā)板組成。

經(jīng)過計算，調(diào)光器總轉(zhuǎn)動慣量為18 345 g·cm2，再由調(diào)光器的加速度指標(biāo)，可以算出其最大力矩為1.15 Nm選用成都精密電機(jī)廠生產(chǎn)的J75LYX02D1型分裝式直流力矩電機(jī)，其峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為2 N·m，連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為1 N·m，最大空載轉(zhuǎn)速為600 r/m。

驅(qū)動直流力矩電機(jī)需要27 V電源，峰值堵轉(zhuǎn)電流5.0 A，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流2.5 A。經(jīng)反復(fù)比較，選用美國Copley公司的Accelent Micro Panel直流電機(jī)驅(qū)動器。其連續(xù)輸出電流達(dá)6 A，峰值輸出電流可達(dá)18 A，完全能夠滿足本系統(tǒng)的需要，并有足夠的裕度。其反饋信號可接收編碼器輸出的A，B信號和旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號。

在此選用以色列Netzer公司的RE2?052012?A?032B?S型高精度絕對型光電編碼器，其分辨率為每轉(zhuǎn)32 768個脈沖（15位），精度可達(dá)±0.05°。能夠滿足本系統(tǒng)的要求。該光電編碼器同時具有增量位置輸出和絕對位置輸出，其增量位置輸出接驅(qū)動器，絕對位置輸出接DSP芯片，完成調(diào)光器位置環(huán)的控制。

由于TMS320F2812芯片所有IO口只能接3.3 V電壓，而其他器件均為TTL電平，因此在TMS320F2812和其他器件通信時要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換由6N137和74LS07芯片完成；光電編碼器輸出的信號為差分信號，選擇SN75175和SN75174完成差分信號和單極性信號之間的轉(zhuǎn)換。控制芯片需要通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣仿真計算機(jī)發(fā)出的模擬信號和外部信號源提供的測試信號，為了測試系統(tǒng)的性能，需要將電機(jī)實際位置轉(zhuǎn)換后通過D/A輸出。選擇了AD767和AD7892芯片來完成模擬信號采樣和D/A輸出。

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要由以下模塊構(gòu)成：輸入/輸出模塊，主程序模塊，PID模塊，測試模塊，插值模塊。輸入/輸出模塊包括LED顯示模塊和讀取光電編碼器絕對位置模塊。

主程序模塊主要進(jìn)行CPU，PIE中斷向量表、I/O口、A/D、定時器及功能函數(shù)的初始化。設(shè)置中斷時間、指定中斷服務(wù)程序、讀取絕對位置和跟蹤絕對位置、調(diào)用PWM函數(shù)，主程序流程圖如圖2所示。

程序設(shè)置的中斷時間為200 μs，當(dāng)沒有中斷時一直顯示角度，當(dāng)中斷來到后執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)子程序主要是完成使能中斷組、清除定時器中斷標(biāo)志、定時器重裝、調(diào)用設(shè)置命令位置函數(shù)和PID函數(shù)。

調(diào)光器位置環(huán)控制主要采用PID控制，并且加入了前饋控制。在實驗過程中，只用PID控制無法滿足系統(tǒng)的帶寬要求，加入了前饋控制后，可以滿足系統(tǒng)的帶寬要求。為了保證其低速時的平穩(wěn)性，在誤差較小時調(diào)整了PID的參數(shù)。PID模塊的程序流程圖如圖3所示，

測試模塊主要是為了完成項目的驗收和校準(zhǔn)。

4 測試結(jié)果

5 結(jié) 語

前饋控制可以很好地改善系統(tǒng)的跟蹤性能，即減小相差，調(diào)光器位置環(huán)在PID控制的基礎(chǔ)上加入前饋控制后，可以顯著地提高系統(tǒng)的跟蹤性能，使調(diào)光器系統(tǒng)滿足要求。同時，在加入前饋控制后，系統(tǒng)的抗干擾能力會有所降低。因此，要適當(dāng)控制系統(tǒng)前饋系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 林青松，田付冬.AqBiss光電編碼器在調(diào)光器中的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2009，42（9）：38?40.

[2] 蔣利勇，李偉光.絕對式光電編碼器的接口裝置設(shè)計與應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2007（5）：62?64.

[3] 張寶泉，雷金利，趙創(chuàng)社.基于DSP的高速運(yùn)動控制器的設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2007（7）：94?96.

[4] 李娜，丁亞林.基于TMS320F2812控制器的自動調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計[J].中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2009，2（4）：340?345.

[5] 孫瑩，萬秋華，王樹潔，等.航天級光電編碼器的信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)與精密工程，2010，18（5）：1182?1187.

[6] 陶仁浩.基于增量式光電編碼器的高精度位置檢測技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[7] 黃磊.基于DSP的無刷直流電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2013.

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要由以下模塊構(gòu)成：輸入/輸出模塊，主程序模塊，PID模塊，測試模塊，插值模塊。輸入/輸出模塊包括LED顯示模塊和讀取光電編碼器絕對位置模塊。

主程序模塊主要進(jìn)行CPU，PIE中斷向量表、I/O口、A/D、定時器及功能函數(shù)的初始化。設(shè)置中斷時間、指定中斷服務(wù)程序、讀取絕對位置和跟蹤絕對位置、調(diào)用PWM函數(shù)，主程序流程圖如圖2所示。

程序設(shè)置的中斷時間為200 μs，當(dāng)沒有中斷時一直顯示角度，當(dāng)中斷來到后執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)子程序主要是完成使能中斷組、清除定時器中斷標(biāo)志、定時器重裝、調(diào)用設(shè)置命令位置函數(shù)和PID函數(shù)。

調(diào)光器位置環(huán)控制主要采用PID控制，并且加入了前饋控制。在實驗過程中，只用PID控制無法滿足系統(tǒng)的帶寬要求，加入了前饋控制后，可以滿足系統(tǒng)的帶寬要求。為了保證其低速時的平穩(wěn)性，在誤差較小時調(diào)整了PID的參數(shù)。PID模塊的程序流程圖如圖3所示，

測試模塊主要是為了完成項目的驗收和校準(zhǔn)。

4 測試結(jié)果

5 結(jié) 語

前饋控制可以很好地改善系統(tǒng)的跟蹤性能，即減小相差，調(diào)光器位置環(huán)在PID控制的基礎(chǔ)上加入前饋控制后，可以顯著地提高系統(tǒng)的跟蹤性能，使調(diào)光器系統(tǒng)滿足要求。同時，在加入前饋控制后，系統(tǒng)的抗干擾能力會有所降低。因此，要適當(dāng)控制系統(tǒng)前饋系數(shù)。

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[4] 李娜，丁亞林.基于TMS320F2812控制器的自動調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計[J].中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2009，2（4）：340?345.

[5] 孫瑩，萬秋華，王樹潔，等.航天級光電編碼器的信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)與精密工程，2010，18（5）：1182?1187.

[6] 陶仁浩.基于增量式光電編碼器的高精度位置檢測技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[7] 黃磊.基于DSP的無刷直流電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2013.

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要由以下模塊構(gòu)成：輸入/輸出模塊，主程序模塊，PID模塊，測試模塊，插值模塊。輸入/輸出模塊包括LED顯示模塊和讀取光電編碼器絕對位置模塊。

主程序模塊主要進(jìn)行CPU，PIE中斷向量表、I/O口、A/D、定時器及功能函數(shù)的初始化。設(shè)置中斷時間、指定中斷服務(wù)程序、讀取絕對位置和跟蹤絕對位置、調(diào)用PWM函數(shù)，主程序流程圖如圖2所示。

程序設(shè)置的中斷時間為200 μs，當(dāng)沒有中斷時一直顯示角度，當(dāng)中斷來到后執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)子程序主要是完成使能中斷組、清除定時器中斷標(biāo)志、定時器重裝、調(diào)用設(shè)置命令位置函數(shù)和PID函數(shù)。

調(diào)光器位置環(huán)控制主要采用PID控制，并且加入了前饋控制。在實驗過程中，只用PID控制無法滿足系統(tǒng)的帶寬要求，加入了前饋控制后，可以滿足系統(tǒng)的帶寬要求。為了保證其低速時的平穩(wěn)性，在誤差較小時調(diào)整了PID的參數(shù)。PID模塊的程序流程圖如圖3所示，

測試模塊主要是為了完成項目的驗收和校準(zhǔn)。

4 測試結(jié)果

5 結(jié) 語

前饋控制可以很好地改善系統(tǒng)的跟蹤性能，即減小相差，調(diào)光器位置環(huán)在PID控制的基礎(chǔ)上加入前饋控制后，可以顯著地提高系統(tǒng)的跟蹤性能，使調(diào)光器系統(tǒng)滿足要求。同時，在加入前饋控制后，系統(tǒng)的抗干擾能力會有所降低。因此，要適當(dāng)控制系統(tǒng)前饋系數(shù)。

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[4] 李娜，丁亞林.基于TMS320F2812控制器的自動調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計[J].中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2009，2（4）：340?345.

[5] 孫瑩，萬秋華，王樹潔，等.航天級光電編碼器的信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)與精密工程，2010，18（5）：1182?1187.

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[7] 黃磊.基于DSP的無刷直流電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2013.