基于DSP的紅外雙視場(chǎng)調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)能夠同時(shí)提供兩幅不同放大率、不同視場(chǎng)的圖像，系統(tǒng)中的大視場(chǎng)分辨率較低，用于在大范圍內(nèi)搜索目標(biāo);小視場(chǎng)分辨率較高，用于對(duì)具體目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分析和確認(rèn)。因此紅外雙視場(chǎng)系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)載、車載等光電偵察設(shè)備中。本文根據(jù)雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一套基于DSP的光學(xué)鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)。應(yīng)用光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，通過(guò)沿軸平行移動(dòng)光學(xué)鏡組的方式實(shí)現(xiàn)大小視場(chǎng)快速切換及調(diào)焦的功能。

　　1 調(diào)焦系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　1.1 調(diào)焦方式的選擇

　　常見(jiàn)的雙視場(chǎng)變焦系統(tǒng)分為兩類：光學(xué)鏡組移入移出切換式變焦系統(tǒng)和雙位置變焦系統(tǒng)。切換式變焦系統(tǒng)需要將部分透鏡插入到適當(dāng)?shù)奈恢酶淖児鈱W(xué)系統(tǒng)的焦距，因此橫向尺寸較大。雙位置系統(tǒng)則是通過(guò)改變透鏡組軸向距離而改變系統(tǒng)的焦距，可有效減小系統(tǒng)的體積，并且可同時(shí)實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)切換和精密調(diào)焦的功能。

　　考慮到整體系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)。雙位置變焦系統(tǒng)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(tǒng)處于短焦距(大視場(chǎng))狀態(tài)，在2位置時(shí)系統(tǒng)處于長(zhǎng)焦距(小視場(chǎng))狀態(tài)。

　　1.2 調(diào)焦運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整個(gè)調(diào)焦運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由DSP控制模塊為核心的一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)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(jī)、絲杠、滑動(dòng)模塊、精密直線導(dǎo)軌、直線光柵尺等。DSP模塊在接受上位機(jī)的控制指令后控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲杠導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng)鏡組的軸向直線運(yùn)動(dòng)，直線位光柵尺檢測(cè)鏡組滑動(dòng)的當(dāng)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(dāng)前位置與系統(tǒng)的給定位置比較，進(jìn)一步控制電機(jī)帶動(dòng)鏡組沿軸向運(yùn)動(dòng)，直至移動(dòng)鏡組到達(dá)系統(tǒng)給定的位置。

　　2 調(diào)焦系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

　　2.1 SCI串行通信電路

　　本系統(tǒng)通過(guò)TMS320LF2407A芯片集成的串行通信模塊SCI可以實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)之間的通信，電路采用了符合RS 232標(biāo)準(zhǔn)的MAX232驅(qū)動(dòng)芯片。上位機(jī)向DSP控制模塊發(fā)送控制指令，DSP系統(tǒng)響應(yīng)上位機(jī)的控制指令，計(jì)算出移動(dòng)鏡組的給定位置，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成系統(tǒng)調(diào)焦，同時(shí)向上位機(jī)返回調(diào)焦控制系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)。

　　2.2 位置檢測(cè)電路

　　移動(dòng)鏡組要實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，其位移的檢測(cè)是關(guān)鍵，選用英國(guó)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(hào)為符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩路頻率變化且正交(即相位差為90°)的脈沖。其讀數(shù)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(fù)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(yùn)動(dòng)到達(dá)兩端限位點(diǎn)時(shí)輸出信號(hào)，控制電機(jī)停止運(yùn)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QEP，該電路可對(duì)光柵尺產(chǎn)生的正交解碼輸入脈沖進(jìn)行編碼和計(jì)數(shù)。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(cè)兩個(gè)序列的先后，就可以確定移動(dòng)鏡組的運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)和脈沖頻率可以計(jì)算出移動(dòng)鏡組的當(dāng)前位移和運(yùn)動(dòng)速度。由于光柵尺輸出的是5 V數(shù)字電平信號(hào)，而DSP只能接受3.3 V電平信號(hào)，因此采用SN74LVC245芯片作為DSP與光柵讀數(shù)頭的電平轉(zhuǎn)換接口電路。

　　2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　在調(diào)焦系統(tǒng)中，DSP將采集到的信息處理后輸出的PWM信號(hào)不足以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，需要使用驅(qū)動(dòng)芯片將其轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用SGS公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。它是恒壓恒流雙H橋電機(jī)芯片，可同時(shí)控制兩臺(tái)直流電機(jī)，輸出電流可達(dá)到2 A。為了減小驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制系統(tǒng)的影響，DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)TLP521光耦進(jìn)行光電隔離，再送給驅(qū)動(dòng)芯片L298，這樣使得系統(tǒng)控制信號(hào)變的穩(wěn)定而且可靠。另外，在實(shí)際應(yīng)用中為了保護(hù)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)電路中需要加入兩組續(xù)流二極管。

　　3 調(diào)焦控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　調(diào)焦控制系統(tǒng)的軟件包括主程序和中斷子程序。主程序主要完成DSP內(nèi)核和外圍器件的初始化、系統(tǒng)全局變量的定義和賦初值等，并檢測(cè)電機(jī)的初始位置。初始化完成后系統(tǒng)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(cè)移動(dòng)鏡組當(dāng)前位置，并根據(jù)上位機(jī)的控制指令給定的目標(biāo)位置計(jì)算出需要調(diào)節(jié)的位置偏差，設(shè)計(jì)位置校正調(diào)節(jié)器輸出PWM電機(jī)控制信號(hào)。中斷程序流程圖如圖5所示。

　　位置調(diào)節(jié)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(nèi)系統(tǒng)有很大的位置偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至造成系統(tǒng)振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。為了消除積分飽和帶來(lái)的不利影響，位置調(diào)節(jié)控制器采取積分分離算法：當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)采用PD控制避免較大超調(diào)又可以快速減少偏差;當(dāng)偏差降低到一定程度后，采用PID控制保證系統(tǒng)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(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)：

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)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(zhǎng)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(yàn)測(cè)試，調(diào)焦系統(tǒng)可以在1 s的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大小視場(chǎng)的切換，調(diào)焦精度可以達(dá)到5 μm，滿足系統(tǒng)要求的定位精度。圖6為紅外光學(xué)系統(tǒng)分別在大、小視場(chǎng)下的圖像。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　介紹一種雙視場(chǎng)紅外光學(xué)鏡頭調(diào)焦控制系統(tǒng)，采用移動(dòng)鏡組軸向移動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)變焦，僅需一套機(jī)電裝置即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)變換和調(diào)焦的功能，有效地控制了軸向尺寸，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊。控制系統(tǒng)采用了高性能的TMS320LF2407A芯片作為系統(tǒng)的控制單元，使得整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力使得復(fù)雜控制算法通過(guò)編程得以實(shí)現(xiàn)，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度，滿足了紅外光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)切換速度快與調(diào)焦精度高的要求。