基于LPC1768的航空數碼相機控制系統設計

陳亞芝，李美滿，周 東，張金良

0 引言

信息時代，信息是非常重要的資源，怎樣獲取信息是至關重要的一步，航空相機拍攝是獲取地物信息的一種重要手段。航空相機以飛機包括無人機為平臺，對陸地、海洋上空進行拍照以直接獲取重要圖像信息，在民用資源開發及軍事情報領域具有重要的作用。它是一種工作要求穩定的機械、光學及電子信息技術結合度高的自動化設備[1-2]。隨著無人機及航空遙感技術的成熟，航空遙感及相關航空相機拍攝已逐漸成為一個熱點研究領域。

1 系統控制方式

航空數碼相機在進行拍攝時需要完成一系列的控制動作，包括：

（1）系統自檢，完成上電后LPC1768自身RAM、ROM，光闌及快門自檢；

（2）鏡頭自動調光，采集當前背景光度，計算所需光圈大小及曝光時間，完成鏡頭相應調光控制；

（3）以IIC通信模式，完成CCD模塊（SAA8103）參數配置。

整個系統中，光闌的位置控制由FL20STH30-0604A步進電機完成。快門幕簾的上限由MAXON微型直流電機控制。選用微型電磁鐵完成快門釋放動作。考慮到系統需要完成電機控制、IIC通信模式對CCD驅動模塊進行參數配置以及航空拍攝需滿足60%重疊率要求[3-4]，本文航拍數碼相機控制系統的主控芯片選用NXP的LPC1768單片機，該芯片是基于ARM Cortex-M3內核的微控制器，可用于高度集成及低功耗的嵌入式需求的應用場合。LPC1768集成了512 k的flash存儲器、64 k的數據存儲器、電機控制PWM接口、IIC接口、6輸出獨立PWM、8通道12位AD采樣接口、異步通信接口UART等豐富的外設資源，足以滿足系統對光源強度采樣；快門、光闌控制；異步通訊和CCD模塊參數配置的需求。

2 航空數碼相機控制系統硬件設計

2.1 系統硬件架構設計

本文所設計的航空數碼相機控制系統硬件架構框圖如圖1所示。CCD模塊參數配置通過IIC總線對與SAA8108模塊配置來完成[5]，光闌與幕布分別由步進電機及微型直流電機控制，其反饋的位置信號由單片機讀取，用以檢測角度初始位置。快門控制通過控制微型磁鐵來完成。由于LPC1768最好的工作電壓在3.3 V左右，因此，硬件系統中需設計由5 V到3.3 V的穩壓電源

圖1 航空數碼相機控制系統硬件架構

2.2 CCD驅動模塊電路設計

LPC1768有專用的IIC外設接口，電路設計時將CCD時序脈沖產生芯片SAA8103 SIS管腳置為低電平，使其通信模式配置為IIC模式，方便與LPC1768進行通訊。這種實現IIC總線方式不但可以占用較少的CPU資源，而且通訊更加穩定，不易受環境干擾。

硬件連接方式比較簡單，LPC1768專用IIC接口P0.27、P0.28配置為開漏輸出的SDA0與SCL0，+3.3V電源與總線之前需配置上拉電阻，具體硬件設計如圖2所示。

圖2 IIC總線通訊硬件連接

系統上電自檢完畢后，通過IIC總線將SAA8103預選設定的工作模式、波形時序等數據信息傳給其具體寄存器的各單元，由其解碼數據并分配相應模塊完成時序脈沖信號。

2.3 鏡頭機構控制實現電路

航空數碼相機鏡頭機構主要的部件就是快門機構及光闌機構[3，6]，由于航空數碼拍攝時的頻率與光闌張開角度大小有關，因此本系統選用FL20STH300604A型步進電機對光闌的位置角度進行有效控制，鏡頭機構控制電路如圖3所示。

圖3 鏡頭機構控制電路

圖3 中的“測光”是每次航拍前，都需要對相機窗口測光[7]，測取的光源模擬信號通過運放輸入到LPC1768專用AD采樣口P0.23進行數據采樣，依據采集到的光度信號查表控制步進電機的步數及旋轉方向，以此控制光闌。“零位置檢測”信號由光闌角度最小處時的位置反饋信號，由LPC1768的P0.19讀入。

本系統選用的快門機構為縱走式幕簾快門，其三連桿式的上弦機構的上弦與回位動作由直流電機完成，上弦到預設的位置會觸動該位置的微動開關從而產生已上弦的信號，該信號促使LPC1768停止對直流電機的驅動；快門機構中的釋放機構通過控制電磁鐵吸合鐵桿撥動釋放桿的方式完成快門釋放動作。LPC1768配置P0.10、P0.11、P0.12為輸出口，分別用于幕簾上弦、幕簾釋放及幕簾控制。

3 軟件實現

航空數碼相機控制系統軟件在LPC1768中需要實時處理，控制軟件的各功能，包括任務命令接受、拍攝數據模擬采集、拍攝狀態監控、拍攝動態控制等都需要滿足實時性的要求。軟件設計時盡可能合理安排各功能模塊，提高軟件的執行效率，降低MCU的負載率。本系統控制軟件按模塊化進行設計，能有效提高編程效率。

控制系統的軟件流程框圖如圖4所示，其中，初始化部分為LPC1768內部時鐘、寄存器、I/O口、程序變量參數、SAA8103模式初始化的配置。自檢部分是單片自身RAM、ROM、鏡頭機構、快門機構自檢，一旦檢測故障，系統停止工作。傳感器零漂檢測部分的設定是運放電路存在零點漂移現象，本系統上電后，對無光源狀態信號連續測量500次，再求平均值得出零位偏移量。控制系統在實際航拍中，對光源的采集量都要減去該零位偏移量以獲取實際值。控制程序中斷方式通過定時器溢出信號觸發芯片AD轉換器，完成AD轉換后觸發中斷的模式完成，定時器定時周期為100 ms，進而AD采樣周期也為100 ms。在中斷循環程序中，主要完成指令采集和拍照動作，而所拍攝圖像數據處理由另一套單片機控制系統配合完成。

圖4 控制系統程序流程圖

4 結語

本文基于LPC1768單片機設計了一套航空數碼相機控制系統，實現航空數碼相機通訊、CCD驅動模塊SAA8103配置、鏡頭控制、快門控制等功能。目前所在實驗室已成功完成對樣機的試制，通過室外航拍實驗效果證明，所設計的航空數碼相機控制系統運行可靠、工作穩定，能夠較好地完成研發任務的需求。

參考文獻：

［1］何欣年.航空數碼相機的發展與應用［J］.遙感技術與應用，2000（15）：124-129.

［2］陽范青，曹劍中，劉波，等.基于SAA8103的CCD驅動系統［J］.航空計算技術，2005（02）：108-111.

［3］杜云飛，劉波.基于P89C668單片機的航空數碼相機控制系統［J］.計算機工程與設計，2008（01）：129-130.

［4］劉光林，楊世洪，吳欽章，等.高分辨率全幀CCD相機電路系統的設計［J］.中國科學院研究生院學報，2007（03）：320-324.

［5］ SAA8103 Pulse Pattern Generator for Frame Transfer CCD Data Sheet［Z］.Philps Semiconductors，2001.

［6］徐景碩，高揚.航空相機環境控制系統的設計［J］.計算機自動測量與控制，2001（03）：28-29.

［7］王慶有，孫學珠.CCD應用技術［M］.天津：天津大學出版社，1993.