基于FPGA+單片機的調焦變倍系統設計

摘要：在光電探測領(lǐng)域中以往對相機調焦變倍多采用單片機(MCU)控制完成，其優(yōu)點(diǎn)在于易于編程實(shí)現。因為要求實(shí)時(shí)控制相機的變倍、調焦，其程序的編寫(xiě)多采用查詢(xún)方式實(shí)現，這就使單片機始終處于十分繁忙的狀態(tài)，利用率降低，此外當調焦、變倍電機到達限位位置時(shí)，由于單片機是采用查詢(xún)方式工作，這就導致電機到達限位與實(shí)際停止電機轉動(dòng)之間存在時(shí)間差，這種時(shí)間差導致電機發(fā)生堵轉，容易把電機或調焦變倍驅動(dòng)機構燒毀。文章采用單片機+FPGA方式進(jìn)行調焦變倍控制，單片機負責通信，FPGA根據命令實(shí)現調焦變倍控制。FPGA實(shí)現調焦變倍的優(yōu)勢在于響應速度更快、此外能夠真正實(shí)現控制電機運轉和監測電機運行狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行，當電機運行到限位位置能夠及時(shí)停止電機運轉，有效避免堵轉現象發(fā)生。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；調焦變倍；限位點(diǎn)

0 引言
在光電測量領(lǐng)域中，常常需要使用長(cháng)焦距、大口徑的光學(xué)相機進(jìn)行目標探測。這種相機由于變倍比比較大，為了使不同距離的目標均能在像面成清晰的像，除了需要控制倍率的變化外，還需要對聚焦位置進(jìn)行微調。以往對這種光學(xué)相機變倍調焦的控制比較常用的方法是采用單片機來(lái)完成。采用單片機控制的優(yōu)點(diǎn)在于編程方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現。缺點(diǎn)在于由于需要控制監測的信號有變倍電機的驅動(dòng)信號、調焦電機的驅動(dòng)信號、變倍電機分別走到兩頭的兩個(gè)限位信號、調焦電機分別走到兩頭的兩個(gè)限位信號，這些信號均要實(shí)時(shí)控制監測，因此通常需要采用查詢(xún)的方法進(jìn)行編程處理，這種方法的好處在于能夠及時(shí)地控制相機的變倍調焦，缺點(diǎn)在于由于頻繁的查詢(xún)硬件狀態(tài)，使得單片機始終處于繁忙的工作狀態(tài)，工作效率低。此外由于單片機是以固定周期進(jìn)行查詢(xún)，這常常導致檢測到電機運行到限位狀態(tài)與停止電機運動(dòng)存在時(shí)間差，該時(shí)間差可導致電機處于堵轉狀態(tài)，易于損壞電路板及電機。
本文設計了一種光學(xué)相機調焦變倍控制系統，此系統以FPGA+單片機(MCU)為核心芯片，其中控制電機運行的命令通過(guò)中斷的方式發(fā)出，保證電機實(shí)時(shí)接到命令即運動(dòng)起來(lái)，當電機到達限位位置FPGA得到限位狀態(tài)，馬上發(fā)出停止信號，斷掉電機管腳上的電，使電機馬上停止下來(lái)。此方法同以往方法相比的好處在于控制電機的實(shí)時(shí)性更強，能夠有效地控制相機變倍調焦機構的運動(dòng)、停止，同時(shí)避免電機堵轉，以致燒毀電機或電路板。

1 硬件組成
基于FPGA+單片機的調焦變倍系統主要包括MCU、通信模塊、FPGA(可編程邏輯器件)模塊、電機驅動(dòng)模塊、光耦模塊、電機組成，其組成框圖如圖1所示。其中MCU采用AD公司的ADU812，該款芯片除具有單片機的通用功能外，還具有AD轉換功能，當光學(xué)鏡頭需要實(shí)時(shí)回傳當前位置信息時(shí)，可通過(guò)把電位計同電機連接到一起，把電位計的輸出端接到該MCU的AD輸入口，通過(guò)程序可讀到當前電機轉到的位置；通信模塊采用16C650，該通信模塊可把MCU的并行數據信號轉變?yōu)榇行盘杺鬟f出去；FPGA采用EP1K100-208I，電機驅動(dòng)模塊采用L298，該芯片具有兩路電機驅動(dòng)信號輸出，可同時(shí)驅動(dòng)兩路電機；光耦模塊采用歐姆龍的EP470，該光耦模塊接法簡(jiǎn)單，并且模塊上具有燈光指示，通過(guò)燈光可知道當前狀態(tài)；電機采用瑞士電機。