基于DSP的紅外雙視場(chǎng)調焦系統設計

　　雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統能夠同時(shí)提供兩幅不同放大率、不同視場(chǎng)的圖像，系統中的大視場(chǎng)分辨率較低，用于在大范圍內搜索目標;小視場(chǎng)分辨率較高，用于對具體目標進(jìn)行識別、分析和確認。因此紅外雙視場(chǎng)系統廣泛地應用在機載、車(chē)載等光電偵察設備中。本文根據雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統的工作特點(diǎn)和技術(shù)要求，設計了一套基于DSP的光學(xué)鏡頭調焦系統。應用光機電一體化設計思想，通過(guò)沿軸平行移動(dòng)光學(xué)鏡組的方式實(shí)現大小視場(chǎng)快速切換及調焦的功能。

　　1 調焦系統方案設計

　　1.1 調焦方式的選擇

　　常見(jiàn)的雙視場(chǎng)變焦系統分為兩類(lèi)：光學(xué)鏡組移入移出切換式變焦系統和雙位置變焦系統。切換式變焦系統需要將部分透鏡插入到適當的位置改變光學(xué)系統的焦距，因此橫向尺寸較大。雙位置系統則是通過(guò)改變透鏡組軸向距離而改變系統的焦距，可有效減小系統的體積，并且可同時(shí)實(shí)現視場(chǎng)切換和精密調焦的功能。

　　考慮到整體系統對質(zhì)量、空間尺寸等方面的要求，采取沿軸平行移動(dòng)光學(xué)鏡組的雙位置變焦系統。雙位置變焦系統由前固定組、移動(dòng)鏡組和后固定組組成，其工作原理如圖1所示，移動(dòng)鏡組在1位置時(shí)系統處于短焦距(大視場(chǎng))狀態(tài)，在2位置時(shí)系統處于長(cháng)焦距(小視場(chǎng))狀態(tài)。

　　1.2 調焦運動(dòng)系統設計

　　整個(gè)調焦運動(dòng)系統由DSP控制模塊為核心的一個(gè)閉環(huán)控制系統組成，其系統示意如圖2所示，主要由以下幾部分組成：DSP控制模塊、伺服電機、絲杠、滑動(dòng)模塊、精密直線(xiàn)導軌、直線(xiàn)光柵尺等。DSP模塊在接受上位機的控制指令后控制電機轉動(dòng)，通過(guò)絲杠導軌運動(dòng)機構將電機旋轉運動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng)鏡組的軸向直線(xiàn)運動(dòng)，直線(xiàn)位光柵尺檢測鏡組滑動(dòng)的當前位置并反饋給DSP控制模塊，DSP控制模塊將移動(dòng)鏡組的當前位置與系統的給定位置比較，進(jìn)一步控制電機帶動(dòng)鏡組沿軸向運動(dòng)，直至移動(dòng)鏡組到達系統給定的位置。

　　2 調焦系統硬件設計

　　調焦系統硬件電路以DSP控制器為核心，TMS320LF2407A是一款16位定點(diǎn)數字信號處理器，它集高速數字信號處理能力及適用于電機控制的優(yōu)化外圍電路于一體，為電機控制提供了一套同時(shí)具備高精度和高性能的數字解決方案?？刂葡到y外圍電路部分的設計圍繞著(zhù)TMS320LF2407A展開(kāi)，主要由以下基本部分組成：與上位機的串行通信接口電路，功率驅動(dòng)電路，位置檢測電路等?？刂葡到y框圖如圖3所示。

　　2.1 SCI串行通信電路

　　本系統通過(guò)TMS320LF2407A芯片集成的串行通信模塊SCI可以實(shí)現DSP與上位機之間的通信，電路采用了符合RS 232標準的MAX232驅動(dòng)芯片。上位機向DSP控制模塊發(fā)送控制指令，DSP系統響應上位機的控制指令，計算出移動(dòng)鏡組的給定位置，控制電機運動(dòng)來(lái)完成系統調焦，同時(shí)向上位機返回調焦控制系統當前工作狀態(tài)。

　　2.2 位置檢測電路

　　移動(dòng)鏡組要實(shí)現精確的位置控制，其位移的檢測是關(guān)鍵，選用英國Renishaw公司的：RGH22型精密型光柵尺作為位置傳感器，分辨率為2μm，輸出信號為符合工業(yè)標準的兩路頻率變化且正交(即相位差為90°)的脈沖。其讀數頭有參考零位和雙限位開(kāi)關(guān)，參考零位提供一個(gè)可重復定位的參考原點(diǎn)或零點(diǎn)，而限位開(kāi)關(guān)可以在軸向運動(dòng)到達兩端限位點(diǎn)時(shí)輸出信號，控制電機停止運動(dòng)。

　　TMS320LF2407A的每個(gè)事件管理器EV含有一個(gè)正交解碼脈沖電路Q(chēng)EP，該電路可對光柵尺產(chǎn)生的正交解碼輸入脈沖進(jìn)行編碼和計數。光柵尺產(chǎn)生正交編碼脈沖送入正交編碼電路后，QEP電路通過(guò)檢測兩個(gè)序列的先后，就可以確定移動(dòng)鏡組的運動(dòng)方向，通過(guò)脈沖計數和脈沖頻率可以計算出移動(dòng)鏡組的當前位移和運動(dòng)速度。由于光柵尺輸出的是5 V數字電平信號，而DSP只能接受3.3 V電平信號，因此采用SN74LVC245芯片作為DSP與光柵讀數頭的電平轉換接口電路。

　　2.3 電機驅動(dòng)電路

　　在調焦系統中，DSP將采集到的信息處理后輸出的PWM信號不足以直接驅動(dòng)電機運行，需要使用驅動(dòng)芯片將其轉換成可驅動(dòng)電機的驅動(dòng)信號。電機驅動(dòng)電路采用SGS公司的電機驅動(dòng)芯片L298N。它是恒壓恒流雙H橋電機芯片，可同時(shí)控制兩臺直流電機，輸出電流可達到2 A。為了減小驅動(dòng)電路對控制系統的影響，DSP產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)TLP521光耦進(jìn)行光電隔離，再送給驅動(dòng)芯片L298，這樣使得系統控制信號變的穩定而且可靠。另外，在實(shí)際應用中為了保護電機，在驅動(dòng)電路中需要加入兩組續流二極管。

　　3 調焦控制系統軟件設計

　　調焦控制系統的軟件包括主程序和中斷子程序。主程序主要完成DSP內核和外圍器件的初始化、系統全局變量的定義和賦初值等，并檢測電機的初始位置。初始化完成后系統進(jìn)入中斷等待狀態(tài)。主程序流程圖如圖4所示。

　　中斷程序主要用來(lái)檢測移動(dòng)鏡組當前位置，并根據上位機的控制指令給定的目標位置計算出需要調節的位置偏差，設計位置校正調節器輸出PWM電機控制信號。中斷程序流程圖如圖5所示。

　　位置調節控制器采用經(jīng)典的PID控制算法。在進(jìn)行大小視場(chǎng)切換時(shí)，短時(shí)間內系統有很大的位置偏差，會(huì )造成PID運算的積分積累，從而引起系統較大的超調，甚至造成系統振蕩，調節時(shí)間延長(cháng)。為了消除積分飽和帶來(lái)的不利影響，位置調節控制器采取積分分離算法：當系統偏差較大時(shí)采用PD控制避免較大超調又可以快速減少偏差;當偏差降低到一定程度后，采用PID控制保證系統的控制精度。積分分離控制算法可表示為：

　　式中：T為采樣時(shí)間;β為積分項的開(kāi)關(guān)系數：

　　4 實(shí)驗結果

　　雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統的工作波段為3～5μm，視場(chǎng)寬為24°×18°，窄視場(chǎng)為4°×3°，短焦焦距20 mm，長(cháng)焦焦距145 mm。大小視場(chǎng)切換距離為125 mm，移動(dòng)鏡組的定位精度要求小于20/μm。

　　通過(guò)實(shí)驗測試，調焦系統可以在1 s的時(shí)間內實(shí)現大小視場(chǎng)的切換，調焦精度可以達到5 μm，滿(mǎn)足系統要求的定位精度。圖6為紅外光學(xué)系統分別在大、小視場(chǎng)下的圖像。

　　5 結 語(yǔ)

　　介紹一種雙視場(chǎng)紅外光學(xué)鏡頭調焦控制系統，采用移動(dòng)鏡組軸向移動(dòng)方式實(shí)現變焦，僅需一套機電裝置即可同時(shí)實(shí)現視場(chǎng)變換和調焦的功能，有效地控制了軸向尺寸，使其結構更加緊湊?？刂葡到y采用了高性能的TMS320LF2407A芯片作為系統的控制單元，使得整個(gè)硬件電路的設計簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)強大的運算處理能力使得復雜控制算法通過(guò)編程得以實(shí)現，大大提高了控制系統的控制精度，滿(mǎn)足了紅外光學(xué)成像系統對視場(chǎng)切換速度快與調焦精度高的要求。