一種無需同步的閃光測光系統的設計與實現

王建，丁亞茹，陳英革

（常熟理工學院a.計算機科學與工程學院；b.電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

一種無需同步的閃光測光系統的設計與實現

王建a，丁亞茹a，陳英革b

（常熟理工學院a.計算機科學與工程學院；b.電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

運用增強型51系列單片機STC12C5A60S2內部集成的A/D轉換器的高速采集功能，結合ICL7650自穩零斬波集成運放，設計了一種硬件結構簡單、性能較好的無需同步即可進行閃光測光的測光系統.給出了系統的軟、硬件框架及部分關鍵代碼，并對系統進行了實際評估測試，取得了較好的測光效果.

閃光測光；無需同步；單片機

測光系統是專業攝影人員及攝影愛好者們必備的輔助設備，而閃光測光功能是高端測光表不可缺少的重要功能之一.但目前幾乎所有的高端測光系統在進行閃光測光時都需要一個不可缺少的程序——同步，即使用一根同步線（或使用無線設備來代替）連接閃光燈與測光系統.由測光系統給出觸發信號來觸發閃光燈閃光，并同時啟動測光工作.這主要是由于閃光燈的閃光持續時間很短暫（約1毫秒），從而導致在不進行同步的情況下幾乎不可能使用傳統的方法來準確地測出閃光時的瞬間亮度信息.因此，同步工作便成了一項繁瑣但又不能省略的事情，這無疑給使用者帶來了許多不便.

本文以增強型51系列單片機STC12C5A60S2內部集成的高速A/D為基礎［1-3］，結合ICL7650自穩零斬波集成運放，以硅光電池BPW34為光電傳感器，對外部光亮信息進行高速采集，并實時分析采集到的數據信息，用適當的算法檢測出整個閃光過程，從而在無需同步的情況下完成閃光測光工作.

1 理論基礎及實現方法

1.1 理論基礎

由于閃光過程中，光強會有從正常水平突增至最大然后緩慢回歸至正常水平這一過程，如圖1所示.本系統利用STC12C5A60S2集成的高速A/D，采用高速多次采集的辦法，通過光亮度的突變檢測到閃光的開始與結束.

圖1中，t為時間軸，L軸表示相對光亮度，Lmax表示峰值光亮度，Laver表示有效光亮度，str表示閃光開始時刻點，stp表示閃光結束時刻點.

1.2 具體實現方法

由于實際閃光燈的閃光時間是很短的，整個閃光過程約持續1毫秒到2毫秒左右.所以需要極高的采集速率來抓取整個閃光過程.本系統中，單片機采用中斷方式對光源每15 us左右采集一次數據，并將采集到的數據保存到內存中的長度為200的循環隊列中.在這一過程中實時掃描隊列中的數據，根據數據的波動特征，找到適當的跳變閾值，當相鄰兩個采集點數值的跳變值大于閾值時便可確定閃光過程的起始點（圖1中的str）；當采集點的數據恢復到接近正常值時，便可確定閃光過程的結束點（圖1中的stp）.由于各采集點為等時間間距點，所以可計算出開始點和結束點中間的所有采集點的算術平均值及這一過程的等效值（圖1中的Laver）.由此便可得出閃光過程的等效光亮度.由這一等效光亮度做參考，經計算后給出合適的曝光組合.另外，分析整個閃光過程的數據，還可以得到如閃光持續時間、峰值等其它信息.

圖1 閃光光強—時間圖

2 系統設計

2.1 硬件框架

圖2中BPW34為常用硅光電池，在其線性區內，其短路電流與外部光照度成線性關系.ICL7650為自穩零斬集成運放，是一種高精度，低漂移，高輸入阻抗的集成運放.它利用動態校零原理，清除COMS器件固有的失調和漂移，對微弱信號來講是個較理想的放大器. STC12C5A60S2為宏晶科技生產的增強型高速51系列單片機，內部集成10位高速A/D，最高轉換速度可達250kHZ.人機界面為常用液晶顯示器+按鍵.電源模塊為普通5 V電源.

2.2 系統關鍵部分硬件原理圖

如圖3所示，集成運放ICL7650與硅光電池BPW34組成電流—電壓轉換器，將BPW34輸出的微安級電流信號轉換成單片機可直接測量的0-5V電壓信號.通過改變R1阻值可改變放大倍數.由于閃光過程中光強很大，經實際測試，R1采用2K左右為宜.在其他測光情況下，應適當增大R1阻值.

2.3 系統軟件框架

圖2 系統硬件框架圖

圖3 光強采集及放大部分原理圖

由于篇幅有限，本文的重點在于自動檢測式閃光測光實現的核心技術，即只注重如何抓取到一次完整的閃光過程中的數據信息.諸如如何將采集到的數據具體量化到標準化單位，以及如何把抓取到的數據作進一步處理，給出具有實際用處的信息等問題，這里暫不作探討.所以，本篇給出的數據只是直接采集到的原始數據，僅是相對數據（10位ADC產生的數據，范圍0-1024），并不是標準化單位的數據.如需得到標準化單位的數據，如以勒克斯為單位的光強數值，只需對照標準化照度計按比例量化即可.

2.4 系統核心代碼

圖4 系統軟件關鍵部分流程圖

3 系統測試評估

為方便測試，本系統將采集到的閃光過程中的數據信息通過串口發送到上位機，然后導入Excel中，使用Excel來輔助分析測試.下面主要進行兩種常用的閃光測光測試，即入射式閃光測光和反射式閃光測光.測試時使用的閃光燈為攝影常用閃光燈銀燕CY-20型號閃光燈，測試環境為白天室內.

3.1 入射式閃光測光測試

測試方法：首先開啟本測光系統，使其在檢測閃光狀態.然后將閃光燈在距離本系統感光傳感器約1米的地方正對感光傳感器，按下閃光燈的測試鍵觸發閃光，本系統便可檢測并記錄下完整的閃光過程，并將采集到的數據通過串口發送到上位機.圖5為本系統抓取到的入射式閃光測光時的數據圖.

3.2 反射式閃光測光測試

測試方法：首先開啟本測光系統，使其在檢測閃光狀態，并將其感光傳感器正對天花板，距離天花板約3米，然后將閃光燈正對天花板，距離天花板約3米，按下閃光燈的測試鍵觸發其閃光，本系統便可檢測并記錄下完整的閃光過程，并將采集到的數據通過串口發送到上位機.圖6為本系統抓取到的反射式閃光測光時的數據圖.

3.3 測試小結

圖5和圖6兩幅圖是間隔15 us左右采集一次數據得到的圖.從圖中可以看出，無論是入射式還是反射式閃光測光，當閃光開始時的瞬間，數據的突變都是很大的.所以本系統以此作為檢測閃光開始的關鍵不但是可行的，而且是十分簡單的.另外，由于每兩次采集點的時間間隔很小，只有約15 us，在這樣小的時間段內，只有像閃光燈這類靠高壓放電產生的光亮才可能突變這樣大.所以，這種檢測方式的抗干擾能力也是很強的.經過實際測試，像用不透明物遮住系統感光傳感器后突然移開，或是系統在很暗處突然開燈這些情況，由于光亮突變都不夠快，都不會使本系統產生誤判.

圖5 入射式閃光測光

圖6 反射式閃光測光

4 總結

為解決傳統閃光測光系統在進行閃光測光時都必需同步的問題，本文利用增強型51單片機集成的高速A/D，通過實時分析光強動態數據信息，根據數據突變檢測出閃光過程，完成了無需同步的閃光測光系統的關鍵技術工作，并通過實際測試驗證了其可行性.

[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[EB/OL].http://www.STCMCU.com.

[2]趙建領.51系列單片機開發寶典[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]鄭步生，吳渭.Multisim2001電路設計及仿真入門應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

Design and Implementation of a Kind of Flash Metering System without Synchronous

WANG Jiana,DING Ya-rua,CHEN Ying-geb
(a.School of Computer Science and Engineering, b.School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

With enhanced 51 series integrated SCM STC12C5A60S2 internal A/D converter high-speed acquisition function and ICL7650 self-stabilized zero chopper integrated amplifier circuit,this paper designs a kind of flash metering system without synchronous.System hardware and software framework and key code examples are offered and the actual test is evaluated,which attains better test effects.

flash metering;without synchronous;MCU

TH741

A

1008-2794（2012）04-0095-05

2012-03-31

江蘇省產學研聯合前瞻性項目“海洋浮標廣域通訊網絡關鍵技術研究”（BY2010126）；江蘇省自然科學基金“隨機有限集在白細胞運動分析中的應用研究”（BK2010261）

王建（1990—），男，江蘇徐州人，常熟理工學院計算機科學與工程學院2009級網絡班學生.

陳英革（1968—），男，浙江蒼南人，副教授，研究方向：工業自動化應用、計算機體系結構，E-mail:yingge_chen@cslg. edu.cn.