基于CCD傳感器的點光源動態跟蹤系統

王青強，敦煌俊秋，陸留平，王 偉

（南京醫科大學 江蘇 南京 210029）

基于CCD傳感器的點光源動態跟蹤系統

王青強，敦煌俊秋，陸留平，王 偉

（南京醫科大學 江蘇 南京 210029）

系統是以TI公司的低功耗微控制器MSP430F149為核心，基于CCD傳感器OV7670對點光源所在平面進行采樣，利用微控制器將圖像信息存儲并進行簡單的圖像處理，顯示在液晶上，再通過無線傳輸系統將信息反饋到追蹤臺上，步進電機在細分器的驅動下自動控制追蹤臺進行X/Y方向移動，以達到動態追蹤點光源的目的。經過實際的測試和分析，CCD傳感器采集信息準確，伺服控制系統運動精準，最終證實了系統的有效性和可行性。

MSP430；CCD傳感器；自動跟蹤；步進電機

隨著人們對能源的需求，以及軍事發展的需要，使點光源追蹤成為一種發展迅速，較為成熟的技術。目前點光源追蹤技術多種多樣，使用較為廣泛的有基于光敏三極管的點光源追蹤系統，基于光敏電阻，光電池的點光源追蹤系統，跟基于攝像頭的點光源追蹤系統。該技術應用前景非常廣泛，例如太陽追蹤發電系統，目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發電效率低下。據實驗，在太陽能光發電中，相同條件下，采用自動跟蹤發電設備要比固定發電設備的發電量提高35%[1]。其次在軍事演練中，要求對目標實施精確打擊，在導彈上裝有實時動態點光源追蹤系統，在該系統的作用下，對點光源目標進行精確地跟蹤打擊，能大大提高命中率。而CCD傳感器具有性價比高，線性范圍好，敏感度高，可檢測較遠距離，受外界其他因素影響較小的優點。在奧運打靶，道路監控，醫療行業中已廣泛應用。針對該系統有如此廣泛的應用，以及優良的性能，因此下面給出一種基于CCD傳感器的點光源追蹤系統。

1 系統的組成與結構

基于CCD傳感器的點光源自動跟蹤裝置由高亮度LED模擬點光源，CCD傳感器由OV7670的攝像頭模塊組成，圖像處理單元由一片TI公司的低功耗單片機MSP430F149組成，無線通信模塊由兩片NRF905組成，主控器以及人機接口由一片MSP430F149單片機與12864液晶組成，用步進電機控制平臺模擬追蹤臺。

整個系統的工作流程是在有點光源的情況下，CCD傳感器探測到點光源并獲取原始圖像數據，再由單片機進行灰度化，濾波，二值化等圖像處理后，轉換坐標，通過NRF905傳輸坐標信息到主控制模塊，一方面通過人機接口進行顯示，另一方面控制追蹤臺進行實時跟蹤。如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統硬件設計

2.1 主控制器及人機接口模塊

主控制器由TI的超低功耗單片機MSP430F149組成，該單片機采用16位的總線，外設和內存統一編址，尋址范圍最大可以達到64K，并且可以外擴展存儲器；片內有精密硬件乘法器、2個16位定時器、1個12路的12位模數轉換器，并且擁有較多端口，可以直接驅動負載[2]。同時，其為FLASH型，可以在線對單片機進行調試和下載，方便實用并且速度高，功耗低，可以在超低功耗模式下工作[3]。在本設計中利用其強大的運算能力，直接向步進電機驅動器以及液晶輸出控制信號，可以很好地完成任務。

人機接口模塊是由一塊12864液晶組成，FYD12864_0402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，利用該模塊靈活的接口方式和簡單的、方便地操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。該模塊用于顯示當前點光源的位置坐標信息。

2.2 追蹤模塊控制電路

點光源所在平面距離控制平臺的距離為3 m，采用64分的細分器驅動的步進電機控制追蹤臺的方向，單一可調節最細的角度為0.028度，由于最大角度基本小于五度，那么正弦函數和正切函數近似相等。在有效移動區域內的最精細控制，可以達到0.147 Cm。并且細分驅動器輸出電流穩定，驅動能力強[4]。

步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精細調速控制步進脈沖的個數，可以對電機精確定位。細分是通過驅動器精確控制步進電動機的相電流實現的，與電機本身無關。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產生的磁場合力，會使轉子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。SM-202A細分驅動器可以實現從1至64細分，系統選用64細分[4]。如圖2所示。

圖2 步進電機與細分器的連接圖Fig.2 Connection diagram of the stepper motor and subdivision

2.3 無線傳輸電路

無線傳輸采用NRF905，nRF905突出的優點就是收發模塊電路設計簡單。nRF905是挪威Nordic公司推出的一款單片射頻發射器芯片，采用32引腳5 mm×5 mmQFN封裝，工作于 433、868、915 MHz 3 個 ISM（工業、科學和醫學）頻道，其中國內433頻段可以免費使用。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能組成不需要外加聲表濾波器也可以有良好的通信效果。nRF905使用SPI接口可以和任何MCU進行通信，其中地址、輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，所以可以用于多機通信。nRF905融合了ShockBurstTM技術，可以自動處理數據包字頭，且內置CRC校驗功能，確保數據可靠傳輸。nRF905功耗很低在以-10dBm的功率發射時，工作電流也只有11 mA而對應接收機的工作電流只有12.5 mA，芯片可以軟件設置空閑模式、關機模式，易于節能設計。適合工業數據采集、無線報警及安全系統等諸多領用。

利用NRF905實現對采集的圖像信息進行傳送，在CCD傳感器處與追蹤臺處各安置一個NRF905。

2.4 CCD傳感器驅動電路

CCD傳感器驅動采用芯片AL422B，AL422B是Averlogic公司的專用視頻的FIFO，最大存儲為384K X 8 bits，同時支持VGA，CCIR，NTSC，PAL等視頻制式，兩端獨立的讀寫操作，支持不同速率的讀寫.根據CCIR.601協議，一場圖像數字化后最大的數據量是220K X 16 bit，因此，采用的AL422B足夠可以容納完整的一場視頻圖像的數據量.采用這種大的FIFO的設計可以降低DSP對視頻FIFO讀寫控制時序的復雜度，使整個視頻圖像處理流程簡捷，同時減少控制信號[5]。其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內部的控制系統完成。特別適合高速攝像頭與單片機的對接，使得低速的單片機能夠讀取到圖像信號。如圖3所示。

2.5 圖像處理模塊

由一片TI公司的C2000系列的DSP進行簡單的圖像處理，在CCD傳感器采集到圖像信息之后，DSP與傳感器進行通信，獲取原始圖像信息，將圖像進行灰度化，濾波，以及二值化處理后，提取出坐標信息，最后將坐標通過NRF905無線傳輸至主控制器。

3 軟件系統設計

3.1 圖像采集及處理單元

點光源檢測由CCD傳感器模塊對點光源所在平面進行識別，在沒有點光源的情況下，CCD傳感器先采集一幀原始圖像，進行自動校準，即提取一定的像素點，并將其灰度化后，取出平均值最為此后圖像處理的閾值，達到減小誤差的目的。當出現點光源時，CCD傳感器再次采集圖像，采集的圖像在從站的控制下存入閃存卡內，通過NRF950無線傳輸將圖像數據發送至單片機進行處理。

單片機先將圖像進行灰度化處理，灰度化的方法有分量法，最大值法，平均法，以及加權平均法，在這里選用加權平均法進行處理，根據重要性及其它指標，將3個分量以不同的權值進行加權平均。由于人眼對綠色的敏感最高，對藍色敏感最低，因此，按公式 f（i，j）=0.30R（i，j）+0.59G（i，j）+0.11B（i，j）對RGB三分量進行加權平均能得到較合理的灰度圖像。其次因為圖像主要是以椒鹽噪聲為主，所以對灰度化之后的圖像進行中值濾波，通過從圖像中的某個采樣窗口取出奇數個數據進行排序，用排序后的中值取代要處理的數據。最后進行二值化處理，即設定一個全局的閾值，將圖像的數據分成兩部分，將大于閾值的像素群的像素值設定為黑色，小于閾值的像素群的像素值設定為白色。經過圖像處理后獲得點光源坐標，隨后液晶顯示當前點光源的位置，并控制追蹤進行有效地跟蹤。圖4是圖像采集處理流程圖。

圖3 CCD傳感器驅動電路Fig.3 CCD sensor driving circuit

圖4 圖像采集處理流程圖Fig.4 Flow diagram of image acquisition and processing

3.2 追蹤臺控制單元

在主控制器獲取點光源位置坐標后，通過軟件控制液晶以并行方式顯示當前點光源位置坐標[5]，并輸出一定脈沖，控制步進電機進行X/Y方向移動，粗調至點光源附近，然后在進行細調，使追蹤臺精確指向點光源。圖5是追蹤臺控制單元流程圖。

4 實驗結果和誤差分析

圖5 追蹤臺控制單元流程圖Fig.5 Tracking control unit flow chart

由自制的10環靶紙，且由圓心出發分成8等分扇形區域模擬點光源所在平面以便更好地描述位置信息，追蹤臺此此時所指方位由液晶顯示。測試點光源所在位置與追蹤臺指向位置，計算誤差。如表1所示。

表1 點光源位置與追蹤臺實際指向位置Tab.1 Test result of the dynamic tracking system

經過實際測測，該系統在追蹤時相對誤差為0.25環，絕對誤差為0.3%，平均刷新時間為2.3 s。誤差主要產生在步進電機的自身特性，以及點光源平面的平整度，其次追蹤臺的物理結構，步進電機X方向移動為弧形，如果其運動為直線，則會產生誤差[6]。

5 結 論

系統總體性能較好，追蹤迅速，準確，由于采用了自動校準[7]，所以環境對系統的影響很小，能適應各種外界的復雜條件。由于時間和知識的欠缺，系統在某些方面還是有待改進。在追蹤臺控制方面會有較小的誤差，此誤差可以通過軟件設計解決，其次步進電機自身的物理特性，可以通過使用高精度的伺服系統[8]進行代替，則會有跟好的表現。

點光源追蹤系統在未來的發展中會起到不可替代的作用，在能源利用，軍事打擊，醫療行業中均有涉及，而基于CCD傳感器的點光源追蹤系統將會以高性價比，高響應速度，超高精度的特點在諸多領域中占有絕對優勢。

[1]侯長來.一種太陽自動跟蹤裝置的設計[J].現代機械，2006（1）:66-68.

HOU Chang-lai.Design of an automatic sun-tracking device[J].Modern Machinery，2006（1）:66-68.

[2]李廣弟.單片機基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社，2010.

[3]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京:清華大學出版社，2008.

[4]謝自美.電子線路設計實驗測試[M].2版.武漢:華中科技大學出版社，2001.

[5]謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

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[7]孫茵茵.自適應復精度太陽跟蹤平臺[D].武漢:華中科技大學，2005.

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WANG Feng.Design of Sun automatic tracking system[J].Experimental Technology and Management，2010，27 （8）:108-111.

Dynamic tracking system of a point light source based on CCD sensor

WANG Qing-qiang， DUNHUANG Jun-qiu， LU Liu-ping， WANG Wei
（Nanjing Medical University， Nanjing 210029， China）

System is based on the low power MCU MSP430F149 of TI，Sampling point light by a CCD sensor OV7670.Then store the image in the flash memory card with the MSP430F149 and make simple processing to the graph，then display on the screen，after that through a wireless transmission system，the information fed back to the stepper motor control platform.With the subdivision drive，stepper motor automatically controlled the moment along the X/Y direction of tracking station so that the system achieve the purpose of dynamic tracking of the point light source.After the actual testing and analysis，information that the CCD sensor collected is accurate， movement of servo control system is precise， all these proved the effectiveness and feasibility of the system ultimately.

MSP430； CCD sensor； tracking； step motor

TP27

A

1674－6236（2013）04-0071-04

2012-10-16稿件編號201210105

王青強（1991—），男，江蘇南京人。研究方向：電子醫療儀器。