基于TMS320F2812的航空相機自動調(diào)焦系統(tǒng)

李保霖 方新 陳志超

(1.海軍駐長春地區(qū)航空軍事代表室,吉林長春 130000;2.空軍參謀部,北京 100843;3.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長春 130033)

航空相機是在空中對地面或海面目標進行偵察成像的光機電集成設(shè)備。由于空中的環(huán)境溫度、大氣壓力和相對目標的成像距離的變化,都會造成航空相機產(chǎn)生離焦,長焦距相機的離焦現(xiàn)象更加明顯,會嚴重影響圖像的清晰度和分辨率。為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生,需要在航空相機中采用自動調(diào)焦系統(tǒng),以保持焦面穩(wěn)定,獲得高清晰度的圖像。

自動調(diào)焦技術(shù)最早起源于20世紀70年代的民用照相機,主要包括超聲波(聲納)測距法、三角測距法、光電自準直法和地面標定程序控制法等。程序控制法采用數(shù)據(jù)擬合的方法,結(jié)合光學(xué)設(shè)計給出的分析數(shù)據(jù)及地面試驗得到的數(shù)據(jù),計算得到調(diào)焦量,據(jù)此數(shù)據(jù)設(shè)計調(diào)焦控制程序,控制相機焦面的位置在最佳狀態(tài)。程序控制法具有實時性好、光機結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,尤其適用于短焦距、體積尺寸限制多的航空相機中。本文提出了一種采用程序控制法的自動調(diào)焦系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

自動調(diào)焦系統(tǒng)如圖1所示,相機控制器通過異步串行接口RS422將控制指令及成像距離信息發(fā)送給TMS320F2812,TMS320F2812通過I2C接口采集溫度傳感器DS18B20U的溫度數(shù)據(jù),通過MCBSP接口采集氣壓傳感器MS5534CM的大氣壓力數(shù)據(jù),根據(jù)試驗室標定的標準大氣環(huán)境(1個大氣壓、20℃)下的焦面位置,通過計算、采用數(shù)據(jù)擬合的方法得到當(dāng)前環(huán)境下的焦面位置。TMS320F2812通過GPIO接口將調(diào)焦控制信號發(fā)送至功率驅(qū)動電路,控制調(diào)焦步進電機的運行,從而帶動調(diào)焦鏡運動到合適的焦面位置,并通過調(diào)焦編碼器得到焦面位置數(shù)據(jù)。

1.1 主控芯片及供電電路

自動調(diào)焦控制系統(tǒng)采用TI公司的32位DSP處理芯片TMS320F2812,它是一款32位的數(shù)字信號處理器,18k的16位 ROM 128k的16位FLASH,工作頻率高達150MHz,具有豐富的外部接口,完全滿足系統(tǒng)需求。TMS320F2812通過與相機控制器通訊,接收相機控制器發(fā)來的控制指令和飛行高度參數(shù),發(fā)送調(diào)焦分系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài),根據(jù)相機控制器的命令,執(zhí)行自檢或調(diào)焦程序。

自動調(diào)焦系統(tǒng)的外部電源為5V,由于TMS320F2812的外圍電路供電電壓為3.3V,核心芯片供電電壓為1.8V,因此采用專用雙路電源轉(zhuǎn)換芯片TPS767D301,以產(chǎn)生穩(wěn)定的供電電壓,保證TMS320F2812的可靠工作,電路原理圖如圖2所示。

1.2 溫度測量電路

溫度傳感器采用DS公司出品的DS18B20U。這是一款高精度的數(shù)字輸出溫度傳感器,連接方便,體積小巧,測量溫度范圍-55℃～+150℃,整個溫度范圍內(nèi)測溫精度±0.5℃,其采用單總線(1-WIRE)接口,1個主控芯片僅用2個普通I/O就可以連接多個溫度傳感器。TMS320F2812通過雙向IO芯片SLVC1T45與溫度傳感器DS18B20U進行通訊,獲得相機的溫度數(shù)據(jù),溫度測量電路如圖3所示。

1.3 氣壓測量電路

氣壓傳感器采用INTERSEMA公司出品的MS5534CM,這是一款數(shù)字輸出的絕對式大氣壓力傳感器,測量壓力范圍為1kPa—110kPa,精度為±0.15kPa,轉(zhuǎn)換時間僅為35ms。主控芯片TMS320F2812通過SPI接口與MS5534CM進行通訊,采集大氣壓力數(shù)據(jù),電路原理如圖4所示。

圖1 自動調(diào)焦系統(tǒng)原理框圖

1.4 調(diào)焦電機驅(qū)動電路

調(diào)焦電機功率驅(qū)動電路采用ST公司生產(chǎn)的L297-L298組合電路來驅(qū)動調(diào)焦步進電機。其中L297是步進電機控制器,適用于雙極性兩相步進電機或單極性四相步進電機的控制。它只需要時鐘、方向和模式輸入信號,相位由內(nèi)部產(chǎn)生,從而減輕了微處理器和程序設(shè)計的負擔(dān)。L297主要由譯碼器,兩個固定斬波頻率的PWM恒流斬波器以及輸出控制邏輯組成,采用固定斬波頻率的PWM恒流斬波方式工作。L298是用來驅(qū)動步進電機的集成電路,采用雙全橋接方式驅(qū)動,由于是雙極性驅(qū)動,步進電機的定子勵磁繞組線圈可以完全利用,使步進電機達到最佳的驅(qū)動。

用L297輸出信號可控制L298雙橋驅(qū)動集成電路,用來驅(qū)動電壓最高為46V,總電流為4A以下的步進電機。本文選用的步進電機為RORZE公司的RM24241S型2相步進電機,其供電電壓為28V,峰值電流1.5A,所以可以采用此功率級電路來驅(qū)動步進電機,驅(qū)動電路如圖5所示。

使用L297-L298的組合有以下四個優(yōu)點,首先是控制的邏輯簡單,僅需要三個IO端口和一個PWM端口就可以控制;其次是可以精確控制驅(qū)動電機的電流,從而控制輸出轉(zhuǎn)矩;而且可以精確的控制步進角,達到單個步距角0.9°的控制精度;最后是由于其采用固定斬波頻率的PWM恒流斬波方式工作,可以較好的控制電機的發(fā)熱現(xiàn)象和輸出電流,不會損壞電機。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖3 溫度測量電路原理圖

圖4 氣壓測量電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件

TMS320F2812的軟件開發(fā)環(huán)境為CCS集成編譯環(huán)境,采用C語言進行程序開發(fā)。自動調(diào)焦系統(tǒng)的軟件工作流程為:首先是上電初始化,進行開機自檢,默認進入到系統(tǒng)等待狀態(tài);然后等待相機控制器發(fā)來的指令,如果收到自檢指令,就進行自檢、檢測溫度及氣壓傳感器是否正常,調(diào)焦電機閉環(huán)控制是否正常,然后設(shè)置相應(yīng)的故障位,并自動回到等待狀態(tài);如果收到調(diào)焦指令,系統(tǒng)就采集當(dāng)前的溫度,壓力,以及相機控制器通過串口發(fā)來的成像距離信息,并結(jié)合試驗室標定的標準像面,采用數(shù)據(jù)擬合的方式,計算出當(dāng)前條件下的像面位置,并驅(qū)動調(diào)焦反射鏡移動到該位置。在相機拍照時,系統(tǒng)在不斷的調(diào)焦,以保證成像清晰。當(dāng)拍照結(jié)束后,相機控制器會發(fā)送等待指令,系統(tǒng)就退出準備狀態(tài),停止調(diào)焦,進入到等待狀態(tài)。軟件工作流程如圖6所示。

圖5 調(diào)焦電機功率驅(qū)動電路原理圖

圖6 軟件工作流圖

表1 自動調(diào)焦系統(tǒng)試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果與分析

基于以上的自動調(diào)焦系統(tǒng),我們搭建了試驗室測試平臺。主控芯片采用TMS320F2812芯片,采用焦距200mm,相對孔徑1:4的可見光鏡頭做為試驗對象,采用1個溫度傳感器DS18B20U,1個氣壓傳感器MS5534CM,通過功率芯片L297及L298驅(qū)動電路帶動鏡頭后的CCD探測器運動,CCD探測器對固定位置的典型黑白條紋的鑒別率板成像,通過CCD探測器的圖像來判斷自動調(diào)焦位置是否正確。試驗中,將上述整套試驗設(shè)備置于低溫及低壓試驗環(huán)境,對自動調(diào)焦系統(tǒng)進行了試驗驗證。各測試點的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

試驗中采用鏡頭的相對孔徑1:4,則F數(shù)為4,光譜范圍480nm～546.07nm～680nm,典型波長 λ為546.07nm,則半焦深 Δ 為:

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì),相機允許的離焦量是相機的半焦深,所以自動調(diào)焦系統(tǒng)的理論允許誤差為半焦深0.017mm:試驗數(shù)據(jù)的最大誤差為0.015mm,處于允許的誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于TMS320F2812的航空相機自動調(diào)焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高速處理芯片,結(jié)合數(shù)字式傳感器,能夠高可靠性的工作于復(fù)雜的航空環(huán)境中。經(jīng)過試驗驗證,該自動調(diào)焦系統(tǒng)能正常工作,控制精度也滿足系統(tǒng)要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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