基于電感式位移傳感器的調焦機構設計

殷娣娣, 王亞輝, 郭　港

(1.中國科學院 光束控制重點實驗室,四川 成都 610209；2.中國科學院 光電技術研究所,四川 成都 610209；3.中國科學院大學,北京 100049)

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基于電感式位移傳感器的調焦機構設計

殷娣娣1,2,3, 王亞輝1,2, 郭港1,2,3

(1.中國科學院 光束控制重點實驗室,四川 成都 610209；2.中國科學院 光電技術研究所,四川 成都 610209；3.中國科學院大學,北京 100049)

摘要:調焦機構是大型光電跟蹤設備和變焦距鏡頭的重要組成部分，調焦精度直接影響整個跟蹤控制系統的性能。目前調焦機構大多采用光柵尺作為位移的采集和反饋單元來實現系統的閉環控制，其主要缺陷是體積大、溫度適應性差，不能滿足對溫度要求高的工作環境。設計了一種由電感式直線位移傳感器、DSP & FPGA調焦控制板卡、步進電機以及電動平移臺組成的寬溫調焦機構。詳細介紹了系統整體架構、各個單元的硬件實現以及軟件操作流程，系統性能參數分析和調焦實驗結果表明設計能夠滿足要求。

關鍵詞:調焦機構； 電感式位移傳感器； 現場可編程門陣列； 數字信號處理

0引言

光電跟蹤系統在天文觀測、靶場測量、航空航天等眾多領域有著廣泛應用。系統在對運動的目標進行跟蹤測量時，目標與設備距離的變化會引起像面位置變化造成目標像點離焦，影響成像的質量。為了獲取清晰的跟蹤圖像，應對鏡組進行實時調焦，使得跟蹤設備光學系統的焦距、視場能夠根據探測目標位置的改變而改變，確保目標圖像始終位于焦面之上。顯然，光電跟蹤設備中調焦機構的實時光學聚焦是實現對目標跟蹤的關鍵[1]。

位移傳感器作為調焦機構的關鍵部件，不僅測量精度要求高，其溫度適應性也是必須考慮的參考指標。目前,調焦機構一般采用光柵尺作為位移量的反饋單元，雖然精度達到要求，但其體積大、且易受環境溫度的影響，難以滿足苛刻的工作環境要求。為避免這些不利因素，本文設計采用LDR—CA—10型電感式位移傳感器采集位移量以實現閉環控制。與傳統的光柵尺位置反饋相比，LDR—CA—10型傳感器不僅精度高、體積小,而且溫度適應性好。

1系統總體設計

本文設計了一種以DSP & FPGA作為控制和處理器的實時調焦系統，以LDR—CA—10型電感式位移傳感器為位移采集和反饋單元，以步進電機驅動完成主次鏡間距調整，最終達到光學聚焦目的。系統總體設計原理框圖如圖1。

圖1　調焦總體系統設計Fig 1　Design of focusing overall system

LDR位移傳感器固定在次鏡上，次鏡移動時，傳感器輸出與位移量呈正比的模擬電壓量；模擬電壓經A/D轉換后傳入控制板卡進行濾波處理得到精確位移量；再由控制算法得出調整量控制電機完成系統閉環調焦；同時,控制卡將位移量和調焦結果用串行通信方式傳給PC。

2LDR型電感式位移傳感器

LDR—CA—10傳感器是Micro-Epsilon公司生產的MSC—7210系列電感式位移傳感器，常用于測量距離或目標的微小位移以及其它與位移有關的機械量，如振動、加速度、應變、張力等[2]。

該傳感器內部結構如圖2所示。其由兩個對稱的線圈和鐵芯構成，鐵芯在盤繞的線圈內部移動。鐵芯與線圈之間的非接觸相對移動造成線圈阻抗比變化，阻抗比的變化經過控制器處理與補償，最終傳感器輸出與位移呈線性變化的模擬電壓量。

圖2　LDR傳感器原理框圖Fig 2　Principle block diagram of LDR sensor

本設計所選用的LDR—CA—10傳感器能夠工作在溫度為-40～160 ℃、濕度為5 %～95 %RH的環境下，它的輸出信號范圍為2～10 V，量程為10 mm，線性度是0.3 %。由于LDR—CA—10傳感器可實現非接觸測量，具有無限長的機械壽命，這使得該傳感器適合在高可靠性的場合應用。另外，該傳感器重量輕、體積小，安裝方便，后期信號處理相對簡單。

3硬件平臺設計

3.1主控制器模塊

調焦系統以DSP & FPGA為主控制器，二者各具特點：FPGA接口靈活，可靈活配置內部邏輯功能，用于信號預處理和接口電路，主要負責外圍接口的數據采集、AD采集卡的數據配置以及與上位機的通信等工作；DSP有強大的數據處理運算功能，負責信號濾波和控制算法的實現[3]。

DSP & FPGA結構的一個主要問題就在于兩者之間的通信。本設計中DSP與FPGA采用高速率并行通信機制，利用DSP的XINTF外部擴展功能，將FPGA掛載到DSP的外部擴展存儲器，利用DSP中16位的數據總線和19位的地址總線實現兩者之間的通信。板卡接口信號如圖3所示。

圖3　設計接口信號示意圖Fig 3　Diagram of designed interface signal

XINTF是TMS320F2812與外設進行通信的重要接口，這些外部接口分別與CPU的某個存儲空間相對應。CPU 通過對存儲空間進行讀/寫操作，完成與外設通信。外部設備(這里即FPGA)不能控制接口信號線，只能讀取、判斷信號線的狀態來進行相應的操作。XINTF接口的每個存儲區域都各有一地址片選信號，當系統使能某個片選信號時，相應的外部存儲器就被選中，數據就可以存儲到相應的存儲空間，或從相應的存儲空間讀出來[4]。這種DSP&FPGA 的模式結構靈活，通用性強，易于移植和模塊化設計。

3.2信號采集模塊

模擬信號采集模塊采用具有高集成度、低功耗、高信噪比等優點的AD7656，包含6個 16位精度的ADC通道，單個通道采樣速度可達250 kbps。

3.3串口通信模塊

調焦機構中采集卡與控制卡、控制卡與上位機之間的通信均采用RS—422串行通信模式。RS—422數據信號采用差分傳輸方式，支持點對多雙向通信，傳輸距離長，抗干擾性強[6]。

串口發送模塊采用VHDL語言編寫有限狀態機 (finite state machine,FSM)，此模塊包括空閑狀態、開始狀態、等待狀態、發送狀態以及結束狀態[7]。由圖4可見，各狀態之間可根據觸發條件自動轉換。

圖4　串口發送模塊的有限狀態機Fig 4　FSM of serial port sending-module

串口接收模塊設計加入抗干擾功能，每接收一個數據，都要對它進行16次采樣，并對采樣結果(這里指0或1)進行投票，其中,票數大于8次才認為接收到的數據是0或1。這種模式提高了接收的準確率，抗干擾效果良好。

4軟件設計

4.1總體設計流程

軟件部分是整個系統正常工作的核心，其具體算法流程如圖5所示。系統上電后自動運行程序，先對各個模塊進行系統初始化、芯片自檢，然后等待中斷信號；DSP利用定時器定時產生200 Hz中斷，在200 Hz中斷信號的上升沿到來時通過RS—422獲得聚焦位置命令、讀取傳感器當前位置信息并進行數據濾波處理；再依據傳感器進行位置計算；最后控制電機帶動鏡組移動到目標位置完成自動聚焦過程。

圖5　調焦控制流程圖Fig 5　Flow chart of focusing control

4.2濾波算法

傳感器信號在采集和傳輸過程中不可避免地會引入噪聲。為了消除噪聲干擾，在硬件設計時采用了抗干擾措施，但這些硬件設計不能完全抑制來自系統本身和外界的干擾，選擇合適的軟件濾波方法至關重要。

實際采集到的LDR—CA—10型傳感器信號通常含有周期性的干擾信號和不規則的非周期性的隨機干擾，為消除這兩類不同性質的干擾信號，設計采用限幅平均濾波算法。限幅平均濾波法先要進行限幅濾波，即根據經驗確定兩次采樣允許的最大偏差值A，每次采樣到的新值均需判斷：如果本次采樣值與上次采樣值之差小于等于A，則本次采樣值有效；如果本次采樣值與上次采樣值之差大于A，則本次采樣值無效，放棄本次采樣值，選取上次采樣值作為本次采樣值。將經過限幅濾波法的數據再進行滑動平均濾波處理，即連續采集N個采樣值組成一個隊列，根據先進先出的原則，每次采樣得到一個新的數據放入隊尾并扔掉原來隊首的一個數據，把隊列中的N個數據進行算術平均運算即可獲得最終濾波結果。

選取采樣頻率為5 kHz、持續時間為1 s的傳感器靜態數據和持續時間為2 s的傳感器動態數據進行濾波，圖6是原始數據和濾波后的數據對比圖。限幅平均濾波前AD輸出值的波動范圍在70個量化值之內，濾波后量化值波動降低為6，精度提高了約12倍。數據表明:限幅平均濾波器濾波效果明顯，大大改善了LDR—CA—10型傳感器位置檢測的精度。

圖6　限幅滑動平均濾波前后對比圖Fig 6　Contrast figures before and after amplitude limit sliding average filtering

限幅平均濾波法將限幅濾波法和滑動平均濾波法相結合，兼具兩者的優點，既可以消除尖峰脈沖干擾引起的采樣值偏差又能抑制隨機噪聲。

5實驗仿真與結果分析

系統中,A/D轉換器AD7656屬于16 bit逐次逼近型，配置RANGE管腳后，設定滿量程電壓為±10 V，可計算其電壓分辨力為

亦即1 bit代表0.305 mV電壓，LDR—CA—10型位移傳感器輸出電壓為2～10 V，量程為10 mm，0.305 mV對應的傳感器位移為0.381 25 μm。4.2節中濾波后的AD輸出值波動對應0.381 25 μm×6=2.29 μm的位移，可以實現μm級測量精度。

實驗搭建了DSP & FPGA硬件平臺，選用42BYG250C型高精度步進電機作為執行機構和位移檢測基準裝置，步進電機步距離角是1.8°，可實現64細分。驗證實驗中選取3.5 mm位置作為聚焦位置，分別采用正反向調焦進行驗證，結果表明:正向調焦誤差4 μm，反向調焦誤差3.5 μm，滿足調焦精度要求，次鏡組運行軌跡如圖7所示。

圖7　調焦軌跡圖Fig 7　Focusing track diagram

6結論

本文設計了一種基于LDR型電感式位移傳感器的自動調焦機構。對各個單元進行了介紹和分析，重點描述了數據采集、板間通信和信號濾波處理等部分。軟件仿真和硬件平臺驗證結果表明：設計能實現自動調焦功能，并取得了μm級調焦精度，滿足系統要求。總之，基于電感式位移傳感器的調焦機構溫度適應性強、整機結構緊湊，可應用于光電跟蹤系統、精密控制臺等場合。

參考文獻:

[1]柳萬勝.基于金屬光柵的調焦系統研制[D].成都:電子科技大學,2008.

[2]昌學年,閆玲.位移傳感器的發展及研究[J].計量與測試技術,2009,36(9):42-44.

[3]韓西寧,許暉,焦留芳.基于FPGA的同步數據采集處理系統的設計與實現[J].電子技術應用,2009(1):89-91.

[4]劉鵬鵬,王晶,尹小杰.基于DSP和FPGA的通用控制器設計[J].電子設計工程,2011(21):170-172.

[5]李一芒,何昕,魏仲慧.光電經緯儀單桿數據采集系統設計與實現[J].儀表技術與傳感器,2011(6):14-16.

[6]童寧.基于FPGA的電子式互感器數據采集系統[D].武漢:華中科技大學,2013.

[7]夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2013.

Focusing mechanism design based on inductive displacement sensor

YIN Di-di1,2,3, WANG Ya-hui1,2, GUO Gang1,2,3

(1.Key Laboratory of Optical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,China;2.Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:Focusing mechanism is an essential part of large-scale photoelectric tracking device and zoom lens, performance of whole tracking control system is directly determined by focusing precision.At present,most focusing mechanisms adopt grating ruler as acquisition of displacement and feedback unit to realize closed-loop control of system,their major shortages are bulky size and poor temperature adaptability which can not meet requirement of high temperature working environment.Design a wide temperature focusing mechanism including an inductive linear displacement sensor,a DSP & FPGA focusing control card,a stepper motor,and an electric displacement platform.System architecture, hardware implementation and software flow are introduced in detail,systematic parameters analysis and experimental results indicate that this design can satisfy requirements.

Key words:focusing mechanism; inductive displacement sensor; field programmable gate array(FPGA);digital signal processing( DSP)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0116—04

收稿日期：2015—04—13

中圖分類號:TP 274

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0116—04

作者簡介:

殷娣娣(1987-)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向為信號與信息處理。