新型的數據記錄系統設計方案

摘要：提出一種新型的數據記錄系統設計方案， 并在A(yíng)sKania數據記錄系統的改造中加以運用。主要闡述AsKania數據記錄系統的改造中，點(diǎn)陣控制模塊、點(diǎn)陣驅動(dòng)模塊的硬件實(shí)現和軟件實(shí)現，以及方案實(shí)現過(guò)程中解決的問(wèn)題。經(jīng)實(shí)踐檢驗，證明了該方案的可行性、可靠性，提高了點(diǎn)陣的均勻性。

高速攝影機是用于靶場(chǎng)火箭彈道和姿態(tài)測量的光測設備。高速攝影機的電控系統主要由同步控制、數據記錄、自動(dòng)調光等系統組成，在攝影時(shí)統及攝影頻率控制下，實(shí)時(shí)、清晰地將目標及相關(guān)信息記錄在膠片上，為事后處理提供原始數據信息。

數據信息是以點(diǎn)陣的形式記錄在膠片上，傳統的數據記錄系統是在攝影時(shí)統控制下，同步地對方位角、俯仰角、時(shí)間、攝影頻率、同步信號、攝影編碼、站址、彈序等信息進(jìn)行采集、處理并按要求的格式進(jìn)行排列；最后，在攝影頻率控制下以分時(shí)掃描的方式逐行或逐列點(diǎn)亮點(diǎn)陣，將信息記錄在膠片上。如果因點(diǎn)陣亮度不夠或者其它原因而使膠片上某些點(diǎn)曝光不足，事后用判讀儀判讀時(shí)，可能造成錯判或誤判，最終導致錯誤的數據處理結果。用傳統的方法提高曝光不足點(diǎn)的亮度，同時(shí)會(huì )使該點(diǎn)同一行或同一列的其它點(diǎn)更亮，造成點(diǎn)與點(diǎn)之間邊緣不清晰，同樣會(huì )影響判讀。即便如此，有時(shí)某些曝光不足點(diǎn)的亮度仍不能滿(mǎn)足判讀要求。

基于上述問(wèn)題，筆者提出了一種新的設計方案，對點(diǎn)陣每一個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)亮時(shí)間單獨進(jìn)行控制，實(shí)現點(diǎn)陣曝光時(shí)間的單點(diǎn)控制。此方案在ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２電影經(jīng)緯儀改造中得以實(shí)現。

ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２高速攝影機是２０世紀７０年代由法國設計制造的。其點(diǎn)陣數據記錄系統的點(diǎn)陣是５×２２的ＬＥＤ陣列，以ＬＥＤ作為光源，由光纖傳輸投影到膠片上完成數據記錄。如果采用傳統的控制方法，用這套點(diǎn)陣及投影系統所打點(diǎn)陣均勻性極差，判讀儀無(wú)法進(jìn)行數據處理，其主要原因是： 上位機：通過(guò)總線(xiàn)對雙口ＲＡＭ中的數據信息，按照要求的點(diǎn)陣排列格式進(jìn)行排列，并對每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)亮時(shí)間進(jìn)行編程設定，最后由點(diǎn)陣控制模塊逐行輸出。 經(jīng)在ＡｓＫａｎｉａ數據記錄系統改造運用后證明：該方案對光學(xué)投影系統斷絲較多、光能量損耗較大的點(diǎn)的曝光補償行之有效，使一些用常規的方案幾乎不產(chǎn)生曝光的點(diǎn)能夠有充足的曝光，點(diǎn)陣質(zhì)量完全滿(mǎn)足判讀儀的要求。

（１）用ＬＥＤ作為光源，由于自身參數有差異，導致亮度不均勻；

（２）原先的光學(xué)投影系統中光纖有老化及斷絲現象，在傳輸過(guò)程中，光學(xué)投影系統對點(diǎn)陣上每一個(gè)點(diǎn)的光能量的衰減不同，即使每個(gè)點(diǎn)的光照相同，仍不能保證每個(gè)點(diǎn)投影在膠片上的強度相同，所以不可能在膠片上產(chǎn)生相同的曝光量，即點(diǎn)的黑度不同，而且差異很大，點(diǎn)陣整體不均勻。

由于結構方面的原因，對數據記錄系統改造時(shí)必須延用這種方式不變，保留原先的光學(xué)投影系統。采用傳統的控制方法不能解決由于上述原因所帶來(lái)的點(diǎn)陣黑度不夠和不均勻的問(wèn)題。所以在點(diǎn)陣數據記錄系統的改造中，運用了點(diǎn)陣曝光時(shí)間的單點(diǎn)控制方案，使點(diǎn)陣每一個(gè)點(diǎn)的曝光時(shí)間可以通過(guò)編程設定，大大提高了點(diǎn)陣的均勻性。

１ 數據記錄系統的原理與組成

數據記錄系統的原理與組成如圖１所示。

數據記錄系統主要由上位機、數據采集模塊、點(diǎn)陣控制模塊、點(diǎn)陣驅動(dòng)模塊、點(diǎn)陣模塊、光學(xué)投影模塊組成。

數據采集模塊：數據采集模塊實(shí)現點(diǎn)陣信息的采集。主要是以８０３１單片機為核心的下位機，在攝影時(shí)統的控制下，實(shí)時(shí)地對時(shí)間、方位角、俯仰角、同步信息、頻率編碼等信息逐個(gè)采集，然后存放在雙口ＲＡＭ中，供上位機通過(guò)總線(xiàn)讀取。

點(diǎn)陣控制模塊：在上位機的控制下，按上位機對每個(gè)點(diǎn)曝光時(shí)間的設定，以及點(diǎn)的亮與滅，逐行輸出點(diǎn)陣控制信號到點(diǎn)陣驅動(dòng)模塊。

點(diǎn)陣驅動(dòng)模塊：點(diǎn)陣驅動(dòng)模塊輸出的控制信號不能直接驅動(dòng)點(diǎn)陣的ＬＥＤ，經(jīng)驅動(dòng)模塊產(chǎn)生驅動(dòng)信號驅動(dòng)點(diǎn)亮點(diǎn)陣的ＬＥＤ。

光學(xué)投影系統：將點(diǎn)陣ＬＥＤ的光能量傳輸到膠片，使膠片產(chǎn)生曝光，記錄數據。

點(diǎn)陣單點(diǎn)控制方案與傳統控制方案的主要區別在于點(diǎn)陣控制模塊不同。下面主要介紹點(diǎn)陣單點(diǎn)控制方案中，控制模塊和驅動(dòng)模塊的軟硬件設計與實(shí)現。

２ 控制模塊和驅動(dòng)模塊的硬件設計與實(shí)現

傳統的點(diǎn)陣控制與驅動(dòng)模式有：

（１）一次點(diǎn)亮。即每一個(gè)ＬＥＤ的陰極和陽(yáng)極分別有一個(gè)控制信號，一幅點(diǎn)陣一次點(diǎn)完。這種方式所用時(shí)間最短，但控制電路和驅動(dòng)電路都非常復雜，一般不采用。

（２）逐列掃描。逐列掃描即每次點(diǎn)亮其中的一列，一幅點(diǎn)陣分２２次點(diǎn)完。這種方式比一次點(diǎn)亮的電路簡(jiǎn)單，但所用時(shí)間比一次點(diǎn)亮時(shí)間長(cháng)。

（３）逐行掃描。逐行掃描即每次點(diǎn)亮其中的一行，一幅點(diǎn)陣分５次點(diǎn)完。這種方式控制電路和驅動(dòng)電路都最簡(jiǎn)單，而且所占用時(shí)間界于前面兩者之間，一般多采用這種方式。

采用逐行掃描模式。為了確保點(diǎn)陣在膠片上的黑度和均勻性，若采用傳統的黑度調整方案存在以下問(wèn)題：①減小串聯(lián)在ＬＥＤ中的限流電阻值，使通過(guò)ＬＥＤ的驅動(dòng)電流增加，從而提高其亮度，提高膠片上淡點(diǎn)的黑度。但一方面ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２點(diǎn)陣系統中，光學(xué)投影系統斷絲較多，點(diǎn)陣投影到膠片的過(guò)程中，對光能量損耗較大，一味地提高亮度會(huì )影響ＬＥＤ的壽命，而在極限電流范圍內的亮度又不足以補償部分斷絲對能量的損耗；另一方面因為選用逐行掃描方式，調整一列限流電阻會(huì )影響到５個(gè)點(diǎn)的亮度，所以這種方法并不可取。②延長(cháng)ＬＥＤ的點(diǎn)亮時(shí)間，也就是延長(cháng)曝光時(shí)間，提高淡點(diǎn)的黑度。同樣因為選用逐行掃描方式，調整一行的點(diǎn)亮時(shí)間會(huì )影響２２個(gè)點(diǎn)的亮度。該方案設計的點(diǎn)陣控制電路，能使點(diǎn)陣每一個(gè)點(diǎn)的驅動(dòng)信號通過(guò)編程控制，實(shí)現曝光時(shí)間的單點(diǎn)控制，從而實(shí)現單點(diǎn)黑度的調整，確保點(diǎn)陣均勻性。

點(diǎn)陣的２２列對應地由２２個(gè)８２Ｃ５４定時(shí)器控制。由于該方案選用逐行掃描模式，所以２２個(gè)８２Ｃ５４定時(shí)器分時(shí)控制著(zhù)５行２２列點(diǎn)陣的每一個(gè)點(diǎn)。８２Ｃ５４是一個(gè)可編程減法計數器，它有六種不同的工作方式，其中方式１（可編程單穩態(tài)特性）輸出單拍負脈沖信號，脈沖寬度可編程設定，滿(mǎn)足硬件電路的要求，其時(shí)序如圖２所示。在設定工作方式和寫(xiě)入計數值后，輸出端輸出高電平；在觸發(fā)信號上升為高電平時(shí)，輸出為低電平，并開(kāi)始計數；當計數器減為零時(shí)，輸出為高電平。定時(shí)器輸出負脈沖的寬度由定時(shí)器的計數值決定。