基于LPC1768的航空數(shù)碼相機控制系統(tǒng)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(fā)及軍事情報領域具有重要的作用。它是一種工作要求穩(wěn)定的機械、光學及電子信息技術結(jié)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(tǒng)控制方式

航空數(shù)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(tǒng)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(diào)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(diào)光控制；

（3）以IIC通信模式，完成CCD模塊（SAA8103）參數(shù)配置。

整個系統(tǒng)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(tǒng)需要完成電機控制、IIC通信模式對CCD驅(qū)動模塊進行參數(shù)配置以及航空拍攝需滿足60%重疊率要求[3-4]，本文航拍數(shù)碼相機控制系統(tǒng)的主控芯片選用NXP的LPC1768單片機，該芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)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(shù)據(jù)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(tǒng)對光源強度采樣；快門、光闌控制；異步通訊和CCD模塊參數(shù)配置的需求。

2 航空數(shù)碼相機控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設計

本文所設計的航空數(shù)碼相機控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖如圖1所示。CCD模塊參數(shù)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(tǒng)中需設計由5 V到3.3 V的穩(wěn)壓電源

圖1 航空數(shù)碼相機控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 CCD驅(qū)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(chǎn)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(xiàn)IIC總線方式不但可以占用較少的CPU資源，而且通訊更加穩(wěn)定，不易受環(huán)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(tǒng)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(shù)據(jù)信息傳給其具體寄存器的各單元，由其解碼數(shù)據(jù)并分配相應模塊完成時序脈沖信號。

2.3 鏡頭機構(gòu)控制實現(xiàn)電路

航空數(shù)碼相機鏡頭機構(gòu)主要的部件就是快門機構(gòu)及光闌機構(gòu)[3，6]，由于航空數(shù)碼拍攝時的頻率與光闌張開角度大小有關，因此本系統(tǒng)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(gòu)控制電路如圖3所示。

圖3 鏡頭機構(gòu)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(shù)據(jù)采樣，依據(jù)采集到的光度信號查表控制步進電機的步數(shù)及旋轉(zhuǎn)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(tǒng)選用的快門機構(gòu)為縱走式幕簾快門，其三連桿式的上弦機構(gòu)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(chǎn)生已上弦的信號，該信號促使LPC1768停止對直流電機的驅(qū)動；快門機構(gòu)中的釋放機構(gòu)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(xiàn)

航空數(shù)碼相機控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)模擬采集、拍攝狀態(tài)監(jiān)控、拍攝動態(tài)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(zhí)行效率，降低MCU的負載率。本系統(tǒng)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(tǒng)的軟件流程框圖如圖4所示，其中，初始化部分為LPC1768內(nèi)部時鐘、寄存器、I/O口、程序變量參數(shù)、SAA8103模式初始化的配置。自檢部分是單片自身RAM、ROM、鏡頭機構(gòu)、快門機構(gòu)自檢，一旦檢測故障，系統(tǒng)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(xiàn)象，本系統(tǒng)上電后，對無光源狀態(tài)信號連續(xù)測量500次，再求平均值得出零位偏移量?？刂葡到y(tǒng)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?？刂瞥绦蛑袛喾绞酵ㄟ^定時器溢出信號觸發(fā)芯片AD轉(zhuǎn)換器，完成AD轉(zhuǎn)換后觸發(fā)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(huán)程序中，主要完成指令采集和拍照動作，而所拍攝圖像數(shù)據(jù)處理由另一套單片機控制系統(tǒng)配合完成。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語

本文基于LPC1768單片機設計了一套航空數(shù)碼相機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)航空數(shù)碼相機通訊、CCD驅(qū)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(shù)碼相機控制系統(tǒng)運行可靠、工作穩(wěn)定，能夠較好地完成研發(fā)任務的需求。

參考文獻：

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［3］杜云飛，劉波.基于P89C668單片機的航空數(shù)碼相機控制系統(tǒng)［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(tǒng)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(huán)境控制系統(tǒng)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.