一種基于CPLD的高速攝像同步觸發裝置的設計

孫倩華，馬思宇

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

0 引言

高速攝像系統能夠捕獲高速運動物體的瞬時狀態或全部歷程，記錄大量準確的時空信息，為研究高速現象的發生機理和運動規律提供可靠的依據。對于高速攝像系統，由于受到分辨率大和存儲器容量小的限制，使得工作時間有限，只有保證高速攝像系統的工作時間正是試驗中高速現象發生的時間，高速攝像系統才能夠采集到足夠的畫幅，為試驗提供有效的數據支持。因此，高速攝像系統的觸發顯得尤為重要。

目前，現有的觸發裝置雖然可以實現基本功能，但是在某些試驗中，同步觸發裝置在接收其他系統提供的時統信號時曾出現誤觸發或者不觸發現象，導致測試系統沒有采集到有效的試驗數據；因其提供的通斷觸發信號不是真正意義上的無源觸點信號，在為電測系統提供時統信號時，還會對電測系統采集的數據造成干擾；其信號輸入端欠缺有效的防干擾措施，有時甚至造成裝置的損壞；另外，現有的同步觸發裝置不能實現輸入信號的自動識別、輸入線纜的在線檢測及輸出信號的任意設置。本文提出了一種基于CPLD的高速攝像觸發裝置的設計，以提高測試系統的可靠性、安全性、通用性和便捷性。

1 系統組成

圖1 觸發裝置組成示意圖

如圖1所示，外部接口為1路信號輸入接口（以下簡稱In），四路信號輸出接口（以下簡稱Out1、Out2、Out3、Out4），以及一個電源接口（以下簡稱P）。信號輸入接口采用BNC母頭，作為時統信號的輸入端，連接高速運動過程發生時刻的特征信號，信號模式兼容TTL上升沿、TTL下降沿、由通到斷、由斷到通四種模式；信號輸出接口采用四路BNC母頭，連接高速攝像機及其他測試系統的觸發接口，可根據不同設備的觸發要求設置為四種觸發模式（TTL上升沿觸發、TTL下降沿觸發、由通到斷信號觸發、由斷到通信號觸發）；電源接口采用MicroUSB接口，連接具有100mA供電能力的電源適配器。

2 硬件設計

■2.1 輸入信號識別電路的設計

信號識別電路用來對輸入信號In_ID的狀態進行識別，根據信號在不同電路中表現出的不同的電壓特性的原理進行設計，其電路原理圖見圖2。

如圖2所示，利用光耦電路對輸入信號進行識別。當In_ID信號為“TTL高”時光耦1輸出端In_ID1為高，光耦2輸出端In_ID2為低；當In_ID信號為“TTL低”時光耦1輸出端In_ID1為低，光耦2輸出端In_ID2為高；當In_ID信號為“通路”時光耦1輸出端In_ID1為低，光耦2輸出端In_ID2為高；當In_ID信號為“斷路”時光耦1輸出端In_ID1為高，光耦2輸出端In_ID2為高。其真值表見表1。

通過CPLD控制電路的邏輯判斷，可以實時顯示輸入信號的狀態，以供測試人員判斷輸入信號線的正確性。

表1 信號識別電路真值表

圖2 信號識別電路原理圖

■2.2 輸入信號處理電路的設計

信號處理電路用來對輸入信號In的變化（TTL由高到低、由低到高，由通到斷、由斷到通）統一轉換為高低電平的跳變，以供CPLD控制電路進行捕捉，其電路原理圖見圖3。

如圖3所示，當In_ID信號為“TTL高”時INPUT輸出端為高；當In_ID信號為“TTL低”時INPUT輸出端為低；當In_ID信號為“通路”時INPUT輸出端為低；當In_ID信號為“斷路”時INPUT輸出端為高。其真值表見表2。

表2 信號處理電路真值表

通過CPLD控制電路的上升沿、下降沿檢測，適時驅動四路輸出信號同步跳變。圖中D103、D104可以有效地防止輸入端信號的瞬態干擾，大大提高了裝置的可靠性。

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■2.3 輸出信號調理電路的設計

本裝置的輸出信號調理電路分邏輯控制模塊、TTL電平轉換電路和開關觸點信號轉換電路，電路原理圖見圖4。

圖4 TTL電平轉換電路原理圖

圖5 觸點信號轉換電路原理圖

圖6 邏輯控制模塊原理圖

圖3 信號處理電路原理圖

如圖4所示，利用芯片74HC541將CPLD輸出的LSTTL信號經光耦轉換后的5V電平信號轉化為肖特基TTL電平；如圖5所示，利用模擬開關TS5A22364-Q1將5V電平信號轉化為通-斷或斷-通的觸點信號。如圖6所示，利用模擬開關的開關特性對輸出模式（TTL模式、觸點模式）以及輸出線路進行切換，最大限度的滿足了現有絕大部分測試系統的觸發需求。

圖7 CPLD軟件流程圖

3 軟件設計

CPLD控制電路主要負責輸入信號的識別、顯示、信號的設置及同步輸出，因CPLD的硬件特性，上述工作均同步進行，保證了觸發裝置的實時性要求。其工作原理見圖7。

程序采用VerilogHDL硬件描述語言編寫，核心部分為檢測輸入信號的電壓跳變，代碼示例如下。

always @ (posedge CLK)

if(!RESET)

begin

flag1 <= 1;

flag2 <= 1;

end

else

begin

flag1 <= In_put;

flag2 <= flag1;

end

assign fallingedge = flag2 &&!flag1;

assign risingedge = flag1 &&!flag2;

當檢測到輸入信號突變后，根據輸出設置方式控制相應的信號輸出。

4 結束語

本文設計的高速攝像觸發裝置，可以根據TTL上升沿、TTL下降沿、由斷到通、由通到斷四種輸入信號同步輸出四路輸出信號，同步的時間誤差為10-9s級；裝置能實時顯示輸入信號的狀態，用以檢查線纜的正確性；并能分別設置信號的輸出形式，輸出形式為四種，分別是TTL上升沿、TTL下降沿、斷-通、通-斷信號；并且能抗3000V的瞬態干擾。據此方案研制的觸發裝置經過2年的實際使用，參與的高速拍攝拍攝任務超過上百次，沒有發生誤觸發和漏觸發現象。因此，本方案可作為類似設計的參考。