基于DSP的運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于DSP的運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)，對相機(jī)做“重復(fù)啟停”運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。使用TMS320LF2407控制ASM46AK—H100諧波減速步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)相機(jī)很快到達(dá)指定位置進(jìn)行拍照，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明可以重復(fù)拍攝周期且圖像清晰。
關(guān)鍵詞：DSP；運(yùn)動(dòng)相機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；重復(fù)啟停

0 引言
隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，使具有快速和高精度處理能力的DSP出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種通過DSP實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制的系統(tǒng)，可以使常規(guī)方式無法進(jìn)行的拍攝工作變得輕松，并能達(dá)到理想效果。實(shí)現(xiàn)了相機(jī)快速到達(dá)指定位置，進(jìn)行5點(diǎn)拍攝，并確保拍攝到的圖像不失真。

1 系統(tǒng)原理
基于TMS320LF2407的運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

DSP在GPIO的驅(qū)動(dòng)下將輸入的指令進(jìn)行處理，經(jīng)過光電耦合和功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，步進(jìn)電機(jī)和相機(jī)機(jī)架上的齒輪結(jié)構(gòu)連接，控制相機(jī)完成5點(diǎn)拍攝工作。

運(yùn)動(dòng)相機(jī)的控制原理如圖2所示。運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)需要完成相機(jī)在某個(gè)時(shí)刻快速運(yùn)動(dòng)到指定位置1點(diǎn)，立即停止，對準(zhǔn)目標(biāo)拍照并保證圖像清晰，然后以同樣標(biāo)準(zhǔn)在位置2點(diǎn)、位置3點(diǎn)、位置4點(diǎn)、位置5點(diǎn)拍照，再按原路快速返回到位置1點(diǎn)，等待下一個(gè)拍攝周期的到來。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)中，需要控制相機(jī)做“重復(fù)啟停”運(yùn)動(dòng)，即在某些時(shí)刻要求相機(jī)快速運(yùn)動(dòng)，在特定時(shí)刻迅速停止，并能保證停止時(shí)相機(jī)靜止不動(dòng)，確保拍攝到的圖像不失真。因此要求所選電機(jī)應(yīng)易于啟停控制的同時(shí)，還要具有鎖定能力。本系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。
步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的，是一種將有效電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移或直線位移的開環(huán)控制元件。步進(jìn)電機(jī)通過專用的電源把電脈沖信號(hào)按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場的脈沖磁場，使每給步進(jìn)電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就移動(dòng)一步。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于輸入脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)數(shù)，不需要反饋信息和A／D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為可控角位移。步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差、可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速、具有一定的自鎖能力和易于啟?？刂频忍攸c(diǎn)，非常適合運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)如圖3所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)和負(fù)載已經(jīng)確定之后，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動(dòng)電源和控制方法，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由脈沖信號(hào)、信號(hào)分配、功率放大器幾部分組成。脈沖分配方式采用軟件脈沖分配，采用軟件進(jìn)行脈沖分配不用改變硬件線路，只需修改軟件程序就能完成控制方案修改，不僅降低了成本，還提高了可靠性。

根據(jù)電機(jī)所帶負(fù)載相機(jī)的動(dòng)力學(xué)要求、控制相機(jī)掃拍過程中電機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相機(jī)曝光時(shí)間的關(guān)系，選擇使用ASM46AK—H100的諧波減速步進(jìn)電機(jī)。ASM46AK—H100步進(jìn)電機(jī)減速比為1：100，最高分辨率設(shè)定為0．36(°)／脈沖，轉(zhuǎn)矩為5 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為11 N·m，電源輸入電流為1．7 A，電源輸入電壓DC 24 V，最大輸入脈沖頻率為250 kHz(脈沖占空比50％時(shí))，速度／位置控制指令是脈沖序列輸入，容許速度范圍為0～24 r／min，能滿足CCD的要求。在過載保護(hù)、過壓保護(hù)、速度差異常保護(hù)、速度過快、E2PROM數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、傳感器異常、系統(tǒng)異常等保護(hù)功能工作時(shí)，輸出警報(bào)信號(hào)，電動(dòng)機(jī)自然停止。