基于TMS320F2812的航空相機自動調焦系統

李保霖 方新 陳志超

(1.海軍駐長春地區航空軍事代表室,吉林長春 130000;2.空軍參謀部,北京 100843;3.中國科學院長春光學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備。由于空中的環境溫度、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生離焦,長焦距相機的離焦現象更加明顯,會嚴重影響圖像的清晰度和分辨率。為了避免此現象的發生,需要在航空相機中采用自動調焦系統,以保持焦面穩定,獲得高清晰度的圖像。

自動調焦技術最早起源于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。程序控制法采用數據擬合的方法,結合光學設計給出的分析數據及地面試驗得到的數據,計算得到調焦量,據此數據設計調焦控制程序,控制相機焦面的位置在最佳狀態。程序控制法具有實時性好、光機結構簡單的優點,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焦系統。

1 系統硬件構成

自動調焦系統如圖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送給TMS320F2812,TMS320F2812通過I2C接口采集溫度傳感器DS18B20U的溫度數據,通過MCBSP接口采集氣壓傳感器MS5534CM的大氣壓力數據,根據試驗室標定的標準大氣環境(1個大氣壓、20℃)下的焦面位置,通過計算、采用數據擬合的方法得到當前環境下的焦面位置。TMS320F2812通過GPIO接口將調焦控制信號發送至功率驅動電路,控制調焦步進電機的運行,從而帶動調焦鏡運動到合適的焦面位置,并通過調焦編碼器得到焦面位置數據。

1.1 主控芯片及供電電路

自動調焦控制系統采用TI公司的32位DSP處理芯片TMS320F2812,它是一款32位的數字信號處理器,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,完全滿足系統需求。TMS320F2812通過與相機控制器通訊,接收相機控制器發來的控制指令和飛行高度參數,發送調焦分系統的當前工作狀態,根據相機控制器的命令,執行自檢或調焦程序。

自動調焦系統的外部電源為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換芯片TPS767D301,以產生穩定的供電電壓,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,獲得相機的溫度數據,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,采集大氣壓力數據,電路原理如圖4所示。

圖1 自動調焦系統原理框圖

1.4 調焦電機驅動電路

調焦電機功率驅動電路采用ST公司生產的L297-L298組合電路來驅動調焦步進電機。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,相位由內部產生,從而減輕了微處理器和程序設計的負擔。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是用來驅動步進電機的集成電路,采用雙全橋接方式驅動,由于是雙極性驅動,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動。

用L297輸出信號可控制L298雙橋驅動集成電路,用來驅動電壓最高為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動步進電機,驅動電路如圖5所示。

使用L297-L298的組合有以下四個優點,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動電機的電流,從而控制輸出轉矩;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熱現象和輸出電流,不會損壞電機。

圖2 電源轉換電路原理圖

圖3 溫度測量電路原理圖

圖4 氣壓測量電路原理圖

2 系統軟件

TMS320F2812的軟件開發環境為CCS集成編譯環境,采用C語言進行程序開發。自動調焦系統的軟件工作流程為:首先是上電初始化,進行開機自檢,默認進入到系統等待狀態;然后等待相機控制器發來的指令,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,調焦電機閉環控制是否正常,然后設置相應的故障位,并自動回到等待狀態;如果收到調焦指令,系統就采集當前的溫度,壓力,以及相機控制器通過串口發來的成像距離信息,并結合試驗室標定的標準像面,采用數據擬合的方式,計算出當前條件下的像面位置,并驅動調焦反射鏡移動到該位置。在相機拍照時,系統在不斷的調焦,以保證成像清晰。當拍照結束后,相機控制器會發送等待指令,系統就退出準備狀態,停止調焦,進入到等待狀態。軟件工作流程如圖6所示。

圖5 調焦電機功率驅動電路原理圖

圖6 軟件工作流圖

表1 自動調焦系統試驗結果

3 試驗結果與分析

基于以上的自動調焦系統,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焦位置是否正確。試驗中,將上述整套試驗設備置于低溫及低壓試驗環境,對自動調焦系統進行了試驗驗證。各測試點的試驗數據如表1所示。

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

根據光學系統的性質,相機允許的離焦量是相機的半焦深,所以自動調焦系統的理論允許誤差為半焦深0.017mm:試驗數據的最大誤差為0.015mm,處于允許的誤差范圍內。

4 結語

本文設計并實現了基于TMS320F2812的航空相機自動調焦系統。該系統采用高速處理芯片,結合數字式傳感器,能夠高可靠性的工作于復雜的航空環境中。經過試驗驗證,該自動調焦系統能正常工作,控制精度也滿足系統要求,具有廣闊的應用前景。

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