高速相機聲學觸發裝置設計

張榮文

91550部隊93分隊，遼寧大連 116023

高速相機聲學觸發裝置設計

張榮文

91550部隊93分隊，遼寧大連 116023

針對無人值守高速攝像的實際需求，設計了一種用于高速相機的聲學觸發裝置。該裝置利用聲壓傳感器獲取待觀測目標發出的聲波信號，通過單片機對輸入信號進行實時分析。當單片機判定有目標出現時，會向高速相機的相應控制端口發送特定的觸發信號，從而啟動相機開始拍攝。觸發裝置由聲壓傳感器、信號調理電路、單片機、脈沖輸出電路和電源電路組成，具有體積小、功耗低、穩定性好的特點。

高速攝像；觸發裝置；聲波信號；單片機

在一些特殊的應用中，利用高速相機對高速運動目標進行拍攝時，面臨著諸多難題，如：高速目標進入高速相機視場范圍的時間不確定；高速相機記錄時間有限；拍攝地點必須無人職守，且相機需自動觸發［1-2］。目前，高速相機的觸發方式主要有人工觸發、雷達觸發和紅外觸發等［3-4］。高速目標速度較快，在高速相機視場內停留時間較短，因此人工觸發可靠性很低；雷達觸發可靠性好，但造價太高；紅外觸發又很容易受外界環境干擾，造成誤觸發。為此，根據高速運動物體的聲學特征，本文設計了一種通過分析聲信號實現高速相機拍攝觸發的裝置。

1 觸發可行性分析

本文所采用的高速攝像機工作在中觸發觸模式，并循環記錄拍攝內容，最長記錄周期為13 s。聲學觸發裝置一旦偵測到要拍攝的目標，就向攝像機發送觸發脈沖，保證拍攝內容由觸發前6．5 s和觸發后6．5 s組成，完整記錄目標經過的全過程。

實際使用時高速運動目標速度馬赫不小于1，由于目標先于聲速到達，使用前觸發模式會導致先于聲速到達視場的目標圖像丟失。假設運動目標速度為500 m／s，攝像機最佳視場為100 m，則物體穿過視場時間為200 ms。設計采用的處理器為AT-mega16單片機［5-6］，其外接16 MHz的晶體振蕩器時，每秒至少可以執行8 000 000條指令。由于每完成一次聲壓數據的采集、計算和判決需要執行的指令不大于100條，因此1 ms內ATmega16單片機能夠完成40次以上是否發出觸發信號的判決，完全滿足高速攝像機對觸發速度的要求。

通過以上分析可知，高速攝像機工作在中觸發模式時，可完整記錄高速運動目標在攝像機視場內的圖像。

2 系統組成

觸發裝置由聲壓傳感器、信號調理電路、單片機、脈沖輸出電路和電源電路組成，如圖1所示。

圖1 聲壓觸發裝置原理

圖1中，聲壓傳感器將聲壓信號變換為電信號；信號調理電路起到阻抗匹配和放大濾波的作用；單片機負責模數轉換和目標到達時刻估計；脈沖輸出電路在單片機的控制下輸出給高速相機電平合適的觸發脈沖信號。

2．1 電源電路設計

電源模塊選擇LM2596系列降壓型開關穩壓器［7］。當輸入電壓在9～40 V時，LM2596固定輸出5 V電壓。基于聲壓傳感器的高速相機觸發裝置使用12 V蓄電池供電，滿足LM2596的輸入電壓要求。LM2596開關穩壓器最大驅動電流可達3 A，具有優異的線性和負載調整能力。LM2596內含一個獨立的頻率振蕩器和頻率補償電路，需要很少的外圍元件，如圖2所示。圖2中的J5是電源接入插座，DJ3為IN5406，起到極性保護作用。

圖2 電源電路

2．2 單片機外圍電路設計

基于聲壓傳感器的高速相機觸發裝置選用ATMEL公司的8位單片機ATmega16。該款單片機采用先進的RISC結構，常用指令均為單時鐘周期指令，且片上集成8路10位模數轉換器，具有極高的性價比。由ATmega16構成的最小系統如圖3所示。

圖3 ATmega16最小系統

將ATmega16單片機的PA0配置成模擬信號輸入，用于采集聲壓傳感器輸出的環境噪聲信號；C5、C6和L1構成模擬部分電源濾波電路；A／D變換的參考電壓使用電路板供電電壓VCC；R1和C4構成單片機的復位電路；時鐘使用16 MHz外部晶體振蕩器。將ATmega16單片機的PC0、PC1配置成輸出引腳，用于輸出脈沖觸發高速相機進行拍攝。根據所選用高速相機的觸發協議，在需要進行拍攝時，單片機控制PC0輸出連續5個200 ms的高電平脈沖，PC1輸出連續5個200 ms的低電平脈沖，作為高速相機的觸發信號。

2．3信號調理電路

實際待測目標的聲源級很高，在距聲壓傳感器10m處，聲壓級不小于140 dB。聲壓傳感器采用B＆K公司產品，靈敏度級為－60 dB（V／Pa），因此采用圖4所示電荷放大電路結構［8］，就可以保證模數轉換器的輸入信號幅度在0．5～2．5 V，滿足采樣要求。

圖4 信號調理電路

3 軟件設計

程序采用C語音編寫，編譯后可執行代碼存入ATmega16單片機內部的FLASH存儲器中［9］。程序執行流程如圖5所示。

裝置上電后，單片機連續采集聲壓數據，采集頻率為10 kHz。在單片機內部分配1 KB的數據空間作為聲功率數據的記錄區，對應的時長與目標出現時聲信號寬度相當。程序每0．1 ms采集一組數據，進行一次目標是否出現的判斷。判斷的步驟如下：

1）計算信號功率。信號功率數據記錄區存儲著采樣信號X的平方值P。如圖6所示，單片機每采樣到一個新數據X并作平方操作得到最新值，以循環尋址方式移除最老值，存入最新值。因此，只需用當前信號功率減去存儲的最老值，加上最新值就可計算出更新后的信號功率S。

圖5 主程序流程圖

2）計算背景噪聲功率。背景噪聲功率N的計算方法與上述計算信號功率的方法相似，但不是每個采樣點都更新最終的計算結果。如圖6所示，背景噪聲數據記錄區存儲著100 ms間隔的信號功率S。單片機每100 ms以循環尋址方式移除最老值，存入最新值。因此，也只需用當前背景噪聲功率減去存儲的最老值，加上最新值就可計算出更新后的背景噪聲功率值。為簡化運算，圖6中I通常取2的整數次冪，因此J＝lb I。

圖6 計算流程

3）信號功率右移4位的結果與前一個100 ms獲得的背景噪聲功率比較大小。當信號功率是背景噪聲功率的16倍時，認為待觀測的目標出現。這里利用右移操作代替除法運算，目的是節省指令周期數。

表1給出了完成1次判斷的指令周期數統計。本設計所采用的算法所需要的總指令周期數非常少，在一次數據采集間隔，即0．1 ms內，單片機完全可以執行完這些指令。

表1 完成1次判斷所需時鐘周期數統計

當判定目標出現時，單片機控制2個I／O接口輸出控制脈沖，2路脈沖的差分結果為周期200 ms的方波信號。該方波信號持續5個周期以上就可以啟動高速相機進行拍攝。

4 計算機仿真實驗

為了證明算法的正確性，進行了計算機仿真。設定信號功率數據記錄區存儲深度為1 000，背景噪聲數據記錄區存儲深度為32，即圖6中K＝1 000，I＝32；背景噪聲功率較目標信號功率低20 dB；信號出現在第2 s，持續時間100ms。

圖7 S和N隨時間的變化

圖8 S-N與16倍功率比門限的比較

圖7給出了當目標信號出現時，S和N對應歸一化功率級隨時間的變化情況。圖8給出S-N與16倍功率比門限的比較，注意這里的N取較當前S提前100 ms的值。從圖可以看出，當設此門限時，可以對目標進行正確檢測。

5 結束語

在記錄時間長度有限的情況下，拍攝運行時伴有聲波輻射的目標，可采用聲學觸發裝置輔助高速相機工作，以完整捕捉目標通過相機前后規定時間段內的全部影像。本文設計的聲學觸發裝置采用了以單片機為核心處理芯片的方案，具有尺寸小、功耗低、算法運算量小、目標出現時刻判斷準確度高等優點。據此方案研制的聲觸發裝置經過2年的實際使用，參與的高速拍攝任務超過140次，沒有發生誤觸發和漏觸發現象。因此，本方案可作為類似設計的參考。

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［7］潘傳勇，丁國臣，陳世夏．基于LM2596的不間斷直流電源設計［J］．現代電子技術，2013，36（17）：107-109．

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Design of the acoustic trigger device for a high-speed camera

ZHANG Rongwen
Unit No．93，Troop 91550，Dalian 116023，China

The design of an acoustic trigger device is proposed for a high-speed camera in this paper．The device u-ses sound pressure sensor to observe the acoustic signal from the targets and complete real-time analysis of the input signal by themicrocontroller．When themicrocontroller judges a targetappears，itwill send a specific trigger signal to the corresponding control port of high-speed camera to make the camera work．The trigger device consists of a-coustic pressure sensors，signal conditioning circuits，microcontrollers，pulse output circuit and power supply cir-cuit，with the characteristics of small size，low power consumption，and good stability．

high-speed camera；trigger device；acoustic wave signal；microcontroller

TN911．7

A

1009-671X（2015）03-026-04

10．3969／j．issn．1009-671X．201408008

2014-09-17．

日期：2015-04-22．作者簡介：張榮文（1979-），男，工程師．

張榮文，E-mail：．zhang00258＠tom．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150422．1546．002．html