|
當攝影鏡頭拍攝運動(dòng)的物體時(shí)，如果運動(dòng)軌跡已知，攝影鏡頭必須對焦距進(jìn)行調節，從而調整目標的像點(diǎn)的位置，使得目標始終位于焦點(diǎn)上，達到實(shí)時(shí)拍攝的目標，傳統變焦大多是利用機械裝置完成的，比如凸輪機構，齒條機構；但是由于機械加工工藝復雜，其精度、平穩性和靈活性都難以滿(mǎn)足要求，為此本系統利用步進(jìn)電機帶動(dòng)攝像機完成變焦，由于步進(jìn)點(diǎn)機精確地按照步進(jìn)角轉動(dòng)，并且由DSP進(jìn)行控制，從而滿(mǎn)足了以上機械裝置無(wú)法完成地性能要求。實(shí)驗結果表明，本系統調焦曲線(xiàn)與理想曲線(xiàn)擬合度較好，拍攝已知運動(dòng)軌跡的目標，達到了滿(mǎn)意效果。 1 調焦系統設計思想 在光學(xué)系統中，采用一組物鏡，調節軸向位移，物鏡光學(xué)系統物象關(guān)系是： X′=f2 / X 其中 X′—— 像距（目標像平面到主焦平面的距離）； X —— 物距（目標距離）； f —— 光學(xué)系統焦距 f＝常量，像距X′與物距X成反比關(guān)系。 利用已知的攝影調焦曲線(xiàn)確定步進(jìn)電機轉動(dòng)所需的步數和時(shí)間坐標關(guān)系，存入F240數據存儲器中，利用F240運算速度快、片載FLASH存儲器大（16K字）的特點(diǎn)，準確控制步進(jìn)電機控制器驅動(dòng)步進(jìn)電機運轉，通過(guò)機械裝置實(shí)現攝影鏡頭焦距按照規定的曲線(xiàn)變化，從而實(shí)現實(shí)時(shí)拍攝運動(dòng)物體的功能。 2 硬件設計部分 2.1步進(jìn)驅動(dòng)器UP-4HB03M簡(jiǎn)介 UP-4HB03M是北京聯(lián)太工貿有限公司生產(chǎn)的專(zhuān)用步進(jìn)電機驅動(dòng)器,4HBO3M適用于兩相六出頭混合式及四相混合式步進(jìn)電機，PWM恒流控制方式；可選擇半步（四相八拍）或者16細分兩種工作方式；驅動(dòng)電流為0.3A連續可調，并且具有自動(dòng)半流鎖定功能；脫機控制及其相位檢測功能；所有控制信號與功率驅動(dòng)部分光電隔離；散熱外殼與驅動(dòng)器內部完全電絕緣。 2.2 TMS320F240簡(jiǎn)介 TMS320F240(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F240)由DSP內核和片內外設組成。由于DSP內核具有較快的計算和響應處理速度，可以應付高速應用的要求，同時(shí)也為控制軟件的設計提供了更加有力的支持，使控制系統能夠完成更加復雜的功能、實(shí)現更好的控制效果。同時(shí)TMS320F240具有豐富的片內外設，包括16路10位A／D轉換器、多個(gè)可編程的多路復用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線(xiàn)等。特別是TMS320F240片內設置了一個(gè)事件管理器(EPA)，可以提供6路全比較PWM通道，能方便地實(shí)現各種PWM波形的發(fā)生。這里使用F240主要是考慮F240速度快以及有豐富的I/O引腳資源；程序燒寫(xiě)方便，利于更新曲線(xiàn)坐標以及修改程序；性?xún)r(jià)比較高等因素。 2.3 硬件設計 本系統的硬件接口電路如圖1所示，74ls14為反相器，接到DSP的I/O口以提高其驅動(dòng)能力，CH1是一個(gè)八腳的插頭，用于外接步進(jìn)機的各項繞組。步進(jìn)電機以及攝影鏡頭部分從略。工作過(guò)程如下：首先獲得攝影調焦曲線(xiàn)，利用MATLAB軟件，得出時(shí)間位移坐標，再換算成步進(jìn)電機轉動(dòng)所需的步數時(shí)間坐標，以數組的行式保存下來(lái)。在F240的數據存儲器中開(kāi)辟空間存儲步數時(shí)間數組，利用F240定時(shí)器完成計時(shí)，I/O口輸出相應寬度的脈沖信號，驅動(dòng)步進(jìn)電機驅動(dòng)器UP-4HB03M，其中CP為步進(jìn)脈沖輸入端；FREE為脫機端，高電平有效，FREE＝1時(shí)，電機處于釋放狀態(tài)；V/D為方向控制端，高低電平分別控制電機正反轉。 圖1 硬件接口電路圖 3 軟件設計： 由于電機的運行和轉動(dòng)步數以及兩步之間間隔時(shí)間有關(guān)系，故采用計時(shí)器計時(shí)的方法來(lái)計算時(shí)間，F240初始化程序如下： void Initcpu(void) //初始化F240程序 { *WDCR=0x6f; // 禁止自帶的看門(mén)狗功能； *CKCR1=0x69; // 外部輸入晶振為20MHZ，F240工作在20MHZ； *CKCR0=0xc3; // 系統時(shí)鐘為10MHZ； *SYSCR=0x4000; } // F240輸出頻率CLKOUT=IOPC1（I/O管腳）； F240初始化后，計時(shí)器的基本計時(shí)時(shí)間為0.1μs，考慮到F240定時(shí)器是16位計數器，這難以滿(mǎn)足計算長(cháng)時(shí)間的需求，所以采用通過(guò)計算進(jìn)入定時(shí)器中斷的次數來(lái)計算長(cháng)時(shí)間的方法。例如設置定時(shí)器周期寄存器值為800即*T1PR＝800，那么進(jìn)一次定時(shí)器中斷時(shí)間為800*0.1=80μs如果計時(shí)為1s的話(huà)，則只需進(jìn)12500次中斷即可，以此類(lèi)推；故定義的數組內容表示如下： int table[ ]= { 25,800,255, //第1行 . . . . . . } //第n行 其中25為電機步數；800為定時(shí)器周期寄存器值；255每?jì)刹介g所要進(jìn)入定時(shí)器中斷的次數。實(shí)現準確地控制步進(jìn)電機控制器關(guān)鍵在于由F240 I/O口產(chǎn)生規定的脈沖信號，提供給步進(jìn)電機控制器從而驅動(dòng)步進(jìn)電機正確轉動(dòng)，程序中包括F240初始化、電機正轉、等待、電機反轉幾個(gè)程序模塊。程序流程圖如圖2所示： 圖2 程序流程圖 以下是實(shí)現電機正轉的程序。程序中變量解釋?zhuān)簊tep：用于存儲數組中電機步數；every step：用于存儲數組中每?jì)刹介g所要進(jìn)定時(shí)中斷的次數；flag：數組行數標志(程序假設需正轉36組)。 void interrupt INT2_ISR() { while (*EVIVRA==0x0027) //是否是定時(shí)器中斷 { if(flag { if (steptotal==step) //是否走完數組每行規定的步數 { flag++; //數組行標志加1 steptotal=0; //電機轉動(dòng)步數清零 step=table[++j]; //更新電機運行步數數據 *T1PR=table[++j]; //更新定時(shí)器定時(shí)周期 everystep=table[++j]; //更新需要進(jìn)入定時(shí)器中斷次數 *T1CNT=0; } //從零開(kāi)始計時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器 i++; //循環(huán)標志位加1 if(i==1) *PADATDIR=0xff05; // 提供下降沿，正轉，不脫機 else{ if (i==everystep) { i=0; steptotal++; } //電機每轉一步標志位加1 else *PADATDIR=0xff04; //CP腳為高電平為產(chǎn)生下降沿準備,正轉，不脫機 } *IMR=0x02; //開(kāi)定時(shí)器中斷 enable(); //開(kāi)啟F240總中斷 } } 4 實(shí)驗結果及其注意事項 電機轉動(dòng)的步數和時(shí)間坐標都是由主機端通過(guò)MATLAB仿真取得的，因此實(shí)際調焦曲線(xiàn)的與理想曲線(xiàn)的擬合程度大大提高了；步進(jìn)電機控制器采用四相八拍運行方式，并且由DSP進(jìn)行控制，步進(jìn)機精確地按照步進(jìn)角（0.9度）轉動(dòng)。實(shí)際應用該調焦系統調整攝影鏡頭，拍攝運動(dòng)軌跡已知的目標，達到了滿(mǎn)意的效果。 定時(shí)器時(shí)間的準確計算對高精度地測量一些物理量是非常重要的。當需要定時(shí)器計算的時(shí)間比較長(cháng)時(shí)，定時(shí)器計數還不夠，這時(shí)就需要利用定時(shí)器自身的中斷，即短時(shí)間定時(shí)一到就進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)子程序，利用進(jìn)入的次數來(lái)達到計時(shí)的目的。 |
