測繪相機調焦控制檢測系統的設計與實現

侯丹，陳雷，何欣

（北京空間機電研究所 北京100094）

測繪相機調焦控制檢測系統的設計與實現

侯丹，陳雷，何欣

（北京空間機電研究所 北京100094）

隨著航天技術、信息技術的發展，使用高分辨率測繪相機對地觀測已成為獲取地理空間信息的一種重要手段。調焦控制電路對相機的調焦精度是影響測繪相機成像的重要因素。為保證調焦控制電路對調焦步進電機的控制精度，保證調焦機構控制的準確性。文中提出一種測新型的繪相機調焦控制檢測系統，利用新型中斷式信號采集方法從電機控制端檢測并監視調焦控制電路輸出控制波形。介紹了檢測系統的原理、信號采集方式；給出該系統的組成，硬件軟件的實現。實驗證明，該系統為調焦電路準確控制輸出提供可靠依據。

測繪相機；調焦控制；直線步進電機；檢測與監視

測繪相機是空間對地觀測的一種重要工具，為實現軍事情報現代化、預防自然災害起了極其重要的作用[1-4]。某型號由于焦面體積較大，調焦可利用空間較小，在拼接基座的兩端各安裝一個直線步進電機調焦的驅動。由于該型號采用兩路調焦電路、存在調焦時間長，輸出脈沖給的個數較多，容易產生兩路調焦電路輸出脈沖的個數不一致，運行時間不一致，導致步進電機輸出控制與預想產生偏差。目前國內調焦機構的精度探測檢測利用搭建機械機構及超精細部件進行檢測[5]或者利用“電源柜-電機-測功機”[6]的方式進行檢測。首先這些方法體積大，成本高，外場檢測不易攜帶；另外并不能實際反應調焦電路對電機的控制狀態監控。

文中提出了一種新型的測繪相機調焦電機控制檢測系統，搭建了檢測平臺，通過利用新型中斷式信號采集方法對兩路調焦電路輸出波形實時檢測和處理，分析輸出方向和步數，并對比兩路輸出波形。本檢測系統從電機控制端精確采集控制輸出波形，從電機根本控制角度為測繪相機調焦實現精確控制的提供依據，并且具有體積小，成本低，方便外場檢測的優點。

1　直線步進電機驅動原理

直線步進電機一種是能夠將電流脈沖信號轉變為微步直線運動的驅動設備。直線步進電機憑借其高效的高速定位、高可靠性以及高密度性的數字式直線運動隨動系統，廣泛應用在精確直線運動運行的領域[7-8]。

直線步進電機受脈沖信號控制，每接收到一個脈沖控制信號，就改變一次勵磁狀態，驅動器按設定方向驅動電機行駛一個固定步距。脈沖輸入越多，運行步距越多，即運行的距離越長；輸入脈沖頻率越高，速度越快；勵磁狀態改變的順序不同，電機運行的方向就不同。因此通過控制脈沖有無，可控制電機的啟動、停止；通過控制脈沖個數可控制電機位移量，達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率可控制直線步進電機的速度，達到調速的目的；通過控制勵磁狀態改變的順序，可控制電機的運行方向[9]。

調焦電路采用脈沖激勵控制方式。直線步進電機被驅動時，定子繞組中的周期變化的脈沖電流轉化為旋轉磁場與轉子磁場耦合，內聯螺桿的轉子旋轉出力，可驅動與螺桿配合的螺母實現直線方向的前后運動[10]。調焦控制電路設計電路，產生周期變化的脈沖，周期改變勵磁狀態以驅動電機。直線電機控制原理圖如圖1所示。勵磁狀態改變的方向控制直線步進電機的正反轉，直線步進電機控制輸出轉動如圖2所示。

圖1　直線電機控制原理示意圖

圖2　步進電機轉動輸出波形示意圖

2　系統總體設計

2.1總體設計方案

測繪相機調焦控制檢測系統的目的是準確采集兩路調焦電路輸出的控制驅動波形，并對采集到的兩路波形進行分析對比，給出電機輸出步數和方向并記錄波形，為調焦電機控制提供檢測和提供依據[11-13]。為實現該功能，系統包含兩個部分，信號采集部分和數據處理部分。信號采集部分來采集調焦電路輸出的控制波形；數據處理部分對采集的兩路波形對比分析。系統框圖如圖3所示。

圖3　測繪相機調焦控制檢測系統圖

2.2信號采集算法分析

調焦控制檢測系統的最重要部分就是如何準確的采集調焦機構輸出的控制信號。目前常規的波形檢測方法為采樣型信號檢測方法，但是由于采樣型信號檢測方法的缺點，本文根據調焦電路的固有的控制特點，提出了一種新型的調焦電路控制波形檢測方法--中斷式信號采集方法。

1）采樣型信號采集方法

根據香農采樣原理，為了不失真的恢復模擬信號，采樣頻率應該不小于模擬信號頻率中最高頻率的2倍。即

若要采用這種方法，中央控制單元利用大于調焦電路輸出的波形的頻率2倍，將采集到的信號傳送到上位機處理，采集方式如圖4，中央控制單元定時讀取調焦電路輸出的電壓電平，并在固定時間將采集到的電平傳輸到上位機進行處理，上位機用來恢復波形信號。

圖4　采樣信號采集示意圖

在本項目中，直線步進電機輸出控制頻率在50～100 Hz，根據公式（1），要保證信號采集的完整性，采樣頻率不低于200 Hz。實驗中，系統控制單元按照500 Hz采集信號，判斷信號的高低狀態，記錄后傳輸到上位機，這種采集方式通用性較強，但是這種方案占用較多的控制單元的定時器、內存等資源，并且當信號采集時剛與信號上下跳動時重合，會判斷不準確的現象，以致判斷丟步。

2）中斷式采集方式

根據直線步進電機驅動原理，直線步進電機的運動是靠信號給予的脈沖而產生的，即電機每走一步，都會有輸出信號的變動[14-15]。利用調焦電路控制波形的特點，該系統采集點為信號變化的點，延時1 ms后采集信號電平。由于控制波形的頻率最大為100 Hz，故可以準確采集信號的電平，采集示意圖如圖 5所示。這種控制方式并不需要頻繁的占用定時器中斷，當外部信號發生變化時，開啟計時功能，并采集電平，而且不會出現在信號電平與采樣時沖突的問題。該算法步進準確可靠，而且可以節省CPU資源。故采用該種方案來采集電機控制驅動信號。

圖5　中斷式信號采集示意圖

3　硬件電路設計

直線步進電機高電平信號幅度在5 V±5%之間；每相電流負載能力1.3 A。為了保護調焦電路，采用高速光電隔離器接收信號。信號收到后利用74LS14器件對信號波形進行整形，直接將信號送往中央控制單元。中央控制單元捕捉脈沖沿后延時采集信號電平。

硬件部分分為電源模塊、調試模塊、中央控制模塊、信號隔離與整形模塊、CAN總線通訊模塊。

電源模塊主要將5 V電源轉換為CPU使用的3.3 V電源。電源將信號模擬地和數字地隔開。供電電路如圖6所示。

調試模塊為JTAG調試。為控制系統的成本和集成度，本文中央控制模塊采用ARM-Cortex系列LPC1700為核心控制器，該芯片支持32路的外部IO中斷，滿足該信號的采集精度要求。

信號隔離與整形模塊是采集的核心模塊。保證信號采集的準確性并隔離保護調焦電路。在這里采用5 V高速光電隔離6N137器件，該芯片具有溫度、電流和電壓的補償功能，高速的輸入輸出隔離，5 mA的極小輸入電流。其中輸入的正端接調教信號的5 V電壓，負端接調焦驅動的控制端。采集到的信號通過反相器SN74HC14D進行整形后輸入到單片機的外部中斷口。電路設計如圖7所示。

圖6　系統電源模塊電路圖

圖7　信號隔離和整形模塊電路圖

CAN總線通訊模塊，是將采集到信號處理后將信號的信息傳輸到上位機。LPC1700單片機內部含有CAN控制器，所以只要將CAN收發器CTM1050T與CAN總線接口的TXD 和RXD相連，就可以實現CAN通訊。

4　系統軟件設計

系統軟件設計包括嵌入式軟件設計和上位機處理軟件。

嵌入式軟件主要是信號采集、信號處理和CAN總線通訊功能。具體框圖如圖8所示。

圖8　嵌入式軟件框圖

上位機軟件主要作用是處理信號功能，分析給出信號轉動的步數和正轉和反轉，給出信號波形，并對兩路調焦電路輸出波形進行對比，反應調焦電路的控制精度。上位機利用Visual C++軟件進行編程，屏幕包括開始測試，數據導出，轉速和方向和步數的顯示。

調焦裝置的步數即為驅動波形變化次數，波形每次變化，電機運行一步，也就是上位機軟件接收到一次CAN總線數據，步數N+1。當長時間（2 s）沒有收到數據時，及認為電機停止轉動。上位機停止計數并給計數器清零。

調焦裝置的直線步進電機每步1.8°，時間間隔為ΔT，步數為N及電機的轉速v如式（2）：

轉動方向的判斷方式：

根據圖2的對比，觀測AB兩項電壓，若AB兩項電壓差為高，前半部分CD兩項電壓差為低，后半部分CD兩項電壓差為高，可以判斷步進電機正轉；若前半部分CD兩項電壓差為高，后半部分CD兩項電壓差為低，可以判斷步進電機反轉。

當電機轉動停止后，上位機對比采集到的兩路調焦控制信號，對比兩路轉動方向以及轉動速度和步數，判斷電機運行是否一致。為調焦電路精確控制直線步進電機提供依據。

5　案例分析

在實踐應用中，連接調焦控制電路與調焦控制檢測裝置，采集調焦信號，調焦電路實際發送電機為64步，但是檢測系統對對其中一路調焦電路檢測到的信號為走了65步。對比兩路調焦電路信號輸出，并利用示波器對改路調焦電路輸出信號進行分析。發現該路調焦控制電路在初始化過程中，將本來應該低電平信號拉高，發生錯誤。

6　結　論

實踐證明測繪相機調焦控制檢測系統體積小，成本低。并能準確檢測到調焦控制電路對直線步進電機的控制信號，并能準確的對調焦控制信號進行分析。為調焦控制電路裝置準確控制電機，全面掌握步進電機性能提供了有力的依據。

[1]唐新明，謝俊峰，張過.測繪衛星技術總體發展和現狀[J].航天返回與遙感，2012，33（3）:17-24.

[2]胡長喜，賈碉.直線步進電機在航空航天領域中的應用[J].導彈與航天運載技術，2008，298（6）:45-48.

[3]何紅艷，王小勇，曾湧.BERS-02B衛星高分辨率相機的在軌調焦方法[J].航天返回與遙感，2008，29（6）:12-17.

[4]劉 威，航天相機快門裝置地面檢測系統研制[D].武漢：華中科技大學，2012.

[5]薛樂堂，陳濤，徐濤，等.一種高精度高可靠性調焦機構設計[J].長春理工大學學報，2012，35（2）：9-11.

[6]王麗.電機驅動集成監測系統關鍵技術研究與應用[D].北京：中國科學院電工研究所，2006.

[7]金華松，孫永江，劉軍，等.航天測量船伺服直流電機測試系統設計與實現[J].電機與控制應用，2013，40（3）:53-56.

[8]翁睛，陳鯉文.直流電機監控閉環轉速系統的實現[J].應用與設計，2007，6（6）:3-5.

[9]劉愛萍.基于C8051F005單片機的兩相混合式直線步進電機驅動系統的設計[D].內蒙古：內蒙古農業大學，2007.

[10]肖龍，湯恩生.電機控制系統PID參數的遺傳算法優化[J].航天返回與遙感，2006，27（2）:34-37.

[11]李治強.基于DSP的直線步進電機控制系統的研究[D].濟南：山東輕工業學院，2011.

[12]陳洪達，陳永和，史婷婷，等.空間相機調焦機構誤差分析[J].光學精密工程，2013，21（5）:1350-1355.

[13]范磊磊，庹先國，王洪輝，等.L297+L298芯片在步進電動機中的應用[J].微特電機，2012，40（10）:58-61.

[14]肖龍，楊佩君，湯恩生.基于軟件鎖相環的電機速度控制系統[J].航天返回與遙感，2006，27（3）:41-46.

[15]王智，張立平，李朝輝，等.傳輸型立體測繪相機的調焦機構設計[J].光學精密工程，2009，17（5）:1052-1055.

The design of focusing-circuits-controlling detecting system on mapping camera

HOU Dan，CHEN Lei，HE Xin
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

With the development of aerospace and information technology，high-resolution mapping camera has become important way to detect geography information.The resolution of focusing circuit affects the image quality of mapping camera. In order to control the resolution of focusing circuit，the paper brings out a system which can detect and monitor the wave of focusing circuit.And introduce the principle，the way of collecting signal.The paper also introduce constitutes of the system and how to design software and hardware.Experiments prove that this system gives reliable basis for exactly controlling the focusing circuit.

mapping camera；focusing-controlling；linear stepping motor；monitor and detection

V19

A

1674－6236（2016）22-0164-04

2015-11-20稿件編號：201511199

侯 丹（1985—），女，遼寧綏中人，碩士，工程師。研究方向：遙感器設計。