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1 引 言 防抖系統正日益廣泛地應用于照相機和望遠鏡等光學(xué)設備中。防抖主要分為光學(xué)防抖和電子防抖，光學(xué)防抖通過(guò)光學(xué)器件進(jìn)行影響穩定；電子防抖采用軟件的方法，針對數字圖像設計基于圖像處理的影像穩定算法。對于望遠鏡來(lái)說(shuō)，在放大視角的同時(shí)，也會(huì )將手的抖動(dòng)造成的影像晃動(dòng)放大，在高倍望遠鏡中尤其明顯。天文望遠鏡、軍用望遠鏡等高倍望遠鏡在使用時(shí)通常需要配合三腳架，而大多數的手持望遠鏡在沒(méi)有影像穩定措施的情況下觀(guān)察效果受到擾動(dòng)。如果觀(guān)察者站在車(chē)、船、飛機上時(shí)，晃動(dòng)的影響更加嚴重，即使把望遠鏡裝到三角架上，也不能消除晃動(dòng)的影響。因此，開(kāi)發(fā)適合望遠鏡使用的影像穩定系統已經(jīng)成為一項迫切的任務(wù)，防抖動(dòng)望遠鏡將會(huì )具有很大的市場(chǎng)前景。 影像穩定屬于跟蹤控制問(wèn)題。文獻 設計了一種采用形狀可變的流體棱鏡進(jìn)行抖動(dòng)補償的方法。本文設計了以 MSP430單片機為核心的防抖控制系統，給出了系統硬件設計電路，使用 C430語(yǔ)言進(jìn)行軟件調試，以實(shí)現對望遠鏡防抖系統的有效控制。 2 系統硬件設計 望遠鏡防抖系統原理如圖 1所示，其原理是：在望遠鏡光路中加入一組可動(dòng)鏡片，稱(chēng)為補償鏡片。補償鏡片在自身所在平面內做上下左右兩個(gè)自由度的運動(dòng)，來(lái)糾正因手在俯仰和偏航方向的抖動(dòng)所引起的光線(xiàn)偏轉，使光線(xiàn)仍然按照期望的軌跡到達目鏡，從而達到穩定影像的目的。 該系統硬件主要有以下幾部分組成：感知望遠鏡抖動(dòng)的陀螺儀 CG-L53B；鏡片伺服直線(xiàn)電機的集成功率放大器 TCA0372；MCU采用 MSP430F169芯片；做電源穩壓的 MAX8863芯片�！� 2.1 MSP430F169單片機 MSP430 是 TI公司的一種具有超低功耗的功能強大的 16位單片機， MSP430F169是該系列中的一種型號，具有 FLASH存儲器。這款單片機的程序代碼為 60KB+256B的 FLASH,2KB的 RAM，且具有強大的中斷功能。 MSP430系列單片機能在 8MHz晶體的驅動(dòng)下，實(shí)現 125ns 的指令周期； 16位的數據寬度、 125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合。數字控制的振蕩器 DCO允許在 6微秒內從低功耗模式喚醒。該芯片配置了帶有 3個(gè)捕獲/ 比較寄存器的 16位定時(shí)器 A和定時(shí)器 B、12位快速 A/D轉換器（帶有內部參考電平、采樣保持和自動(dòng)掃描特性）、雙 12位 D/A轉換器兩個(gè)通用同步 /異步串行通訊接口 USART、DMA。除此之外，該單片機還具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，運行在 1MHz時(shí)鐘條件下時(shí)，工作電流視工作模式不同為 0.1～280μA。 由于 MSP430F169具有以上的特點(diǎn)，可以承擔本系統電路中的多種工作，使整體電路得到簡(jiǎn)化。 2.2 陀螺儀電路設計 由于在輸出電壓Vref和Vout之間存在著(zhù)殘余載波噪音，連接了一個(gè)低通濾波器來(lái)消除高次諧波成分；為了消除輸出電壓在靜止狀態(tài)時(shí)由于溫度變化等因素的影響而產(chǎn)生的波動(dòng)，連接了一個(gè)普通高通濾波器；在地與Vref之間用4.7uF電容連接來(lái)穩定Vref輸出。 2.3 電機驅動(dòng)功放電路設計 對于電機驅動(dòng)功放電路采用線(xiàn)性電路方式，如圖 3所示。線(xiàn)性功放電路的特點(diǎn)是線(xiàn)性度好，失真小，頻帶寬，不會(huì )產(chǎn)生噪聲和電磁干擾，在照相機等小型設備的電機驅動(dòng)中應用廣泛。其最大缺點(diǎn)是效率低，在功率較大時(shí)，晶體管功耗大，發(fā)熱嚴重，但在小功率電機等設備的控制中，使用線(xiàn)性功放電路比較方便，盡管效率不高，但在小功率驅動(dòng)中并不會(huì )損失太多功率。 3 軟件設計 為了節省內存空間，便于編制、閱讀、擴充和修改程序，軟件采用了模塊化結構,每個(gè)功能模塊又由相應的子程序組成，實(shí)現特定功能。程序流程圖如圖 4所示，其中，初始化模塊實(shí)現對程序中所用到的寄存器、常量、變量的定義，對系統時(shí)鐘、 ADC、DAC、定時(shí)器和看門(mén)狗等模塊的初始化，并設置中斷，還要初始化控制變量和一些標志值。 初始化結束后，程序進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，并開(kāi)始計時(shí)，在斷電定時(shí)結束前，由通用定時(shí)器設定采樣周期，向主程序的采樣標志賦值，啟動(dòng)控制算法。 本系統使用了兩個(gè)定時(shí)器：通用定時(shí)器和看門(mén)狗定時(shí)器。通用定時(shí)器用于系統采樣和控制時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)器給定一個(gè)時(shí)限，當系統運行到達這個(gè)時(shí)間后， MSP430向電源模塊給出斷電信號，達到省電的目的�！� 控制算法是在中斷服務(wù)程序中執行的�？撮T(mén)狗定時(shí)器工作在定時(shí)器模式，定時(shí)周期就是數字控制的采樣周期，每個(gè)周期定時(shí)產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序的內容包括信號的 A/D轉換與濾波、計算控制量并輸出 PWM波形。中斷服務(wù)程序的執行速度要足夠快，在一個(gè)周期內完成規定的任務(wù)，在程序設計上要進(jìn)行優(yōu)化。 有些情況下，觀(guān)察者需要人為地使望遠鏡轉動(dòng)一個(gè)比較小的角度，為防止這個(gè)轉動(dòng)被誤認為是抖動(dòng)，在讀取角速度的值后會(huì )進(jìn)行判斷，根據實(shí)驗結果，通常人為移動(dòng)的速度比較大，并且在移動(dòng)時(shí)間內角速度值幾乎相等，可以明顯區別于抖動(dòng)。 4 實(shí)物調試 在實(shí)驗的時(shí)候用陀螺產(chǎn)生的不規則信號作為參考位置信號，調試的結果如圖 5所示�？梢钥吹�，對于最高頻率在 10Hz以下的不規則信號，系統的跟蹤效果也比較滿(mǎn)意�！� 5 結論 本文設計了以 MSP430F169單片機為核心的望遠鏡防抖系統，采用跟蹤參考信號的位置伺服控制方法，具有系統簡(jiǎn)單，穩定性好，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠達到滿(mǎn)意的跟蹤精度，為進(jìn)一步研制防抖望遠鏡提供了參考。 |
