基于DSP的紅外雙視場調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計

雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)能夠同時提供兩幅不同放大率、不同視場的圖像，系統(tǒng)中的大視場分辨率較低，用于在大范圍內(nèi)搜索目標(biāo)；小視場分辨率較高，用于對具體目標(biāo)進(jìn)行識別、分析和確認(rèn)。因此紅外雙視場系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在機載、車載等光電偵察設(shè)備中。本文根據(jù)雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的工作特點和技術(shù)要求，設(shè)計了一套基于DSP的光學(xué)鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)。應(yīng)用光機電一體化設(shè)計思想，通過沿軸平行移動光學(xué)鏡組的方式實現(xiàn)大小視場快速切換及調(diào)焦的功能。
　　
1 調(diào)焦系統(tǒng)方案設(shè)計
　　
1．1 調(diào)焦方式的選擇
　　
常見的雙視場變焦系統(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，并且可同時實現(xiàn)視場切換和精密調(diào)焦的功能。
　　
考慮到整體系統(tǒng)對質(zhì)量、空間尺寸等方面的要求，采取沿軸平行移動光學(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、移動鏡組和后固定組組成，其工作原理如圖1所示，移動鏡組在1位置時系統(tǒng)處于短焦距(大視場)狀態(tài)，在2位置時系統(tǒng)處于長焦距(小視場)狀態(tài)。



1．2 調(diào)焦運動系統(tǒng)設(shè)計
　　
整個調(diào)焦運動系統(tǒng)由DSP控制模塊為核心的一個閉環(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、絲杠、滑動模塊、精密直線導(dǎo)軌、直線光柵尺等。DSP模塊在接受上位機的控制指令后控制電機轉(zhuǎn)動，通過絲杠導(dǎo)軌運動機構(gòu)將電機旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橐苿隅R組的軸向直線運動，直線位光柵尺檢測鏡組滑動的當(dāng)前位置并反饋給DSP控制模塊，DSP控制模塊將移動鏡組的當(dāng)前位置與系統(tǒng)的給定位置比較，進(jìn)一步控制電機帶動鏡組沿軸向運動，直至移動鏡組到達(dá)系統(tǒng)給定的位置。



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


　　
2．1 SCI串行通信電路
　　
本系統(tǒng)通過TMS320LF2407A芯片集成的串行通信模塊SCI可以實現(xiàn)DSP與上位機之間的通信，電路采用了符合RS 232標(biāo)準(zhǔn)的MAX232驅(qū)動芯片。上位機向DSP控制模塊發(fā)送控制指令，DSP系統(tǒng)響應(yīng)上位機的控制指令，計算出移動鏡組的給定位置，控制電機運動來完成系統(tǒng)調(diào)焦，同時向上位機返回調(diào)焦控制系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)。
　　
2．2 位置檢測電路
　　
移動鏡組要實現(xiàn)精確的位置控制，其位移的檢測是關(guān)鍵，選用英國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關(guān)，參考零位提供一個可重復(fù)定位的參考原點或零點，而限位開關(guān)可以在軸向運動到達(dá)兩端限位點時輸出信號，控制電機停止運動。
　　
2．3 電機驅(qū)動電路
　　
在調(diào)焦系統(tǒng)中，DSP將采集到的信息處理后輸出的PWM信號不足以直接驅(qū)動電機運行，需要使用驅(qū)動芯片將其轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動電機的驅(qū)動信號。電機驅(qū)動電路采用SGS公司的電機驅(qū)動芯片L298N。它是恒壓恒流雙H橋電機芯片，可同時控制兩臺直流電機，輸出電流可達(dá)到2 A。為了減小驅(qū)動電路對控制系統(tǒng)的影響，DSP產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)TLP521光耦進(jìn)行光電隔離，再送給驅(qū)動芯片L298，這樣使得系統(tǒng)控制信號變的穩(wěn)定而且可靠。另外，在實際應(yīng)用中為了保護(hù)電機，在驅(qū)動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
　　
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，并檢測電機的初始位置。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。



中斷程序主要用來檢測移動鏡組當(dāng)前位置，并根據(jù)上位機的控制指令給定的目標(biāo)位置計算出需要調(diào)節(jié)的位置偏差，設(shè)計位置校正調(diào)節(jié)器輸出PWM電機控制信號。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)行大小視場切換時，短時間內(nèi)系統(tǒng)有很大的位置偏差，會造成PID運算的積分積累，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)時間延長。為了消除積分飽和帶來的不利影響，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為采樣時間；β為積分項的開關(guān)系數(shù)：

　　
　　
4 實驗結(jié)果
　　
雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的工作波段為3～5μm，視場寬為24°×18°，窄視場為4°×3°，短焦焦距20 mm，長焦焦距145 mm。大小視場切換距離為125 mm，移動鏡組的定位精度要求小于20／μm。
　　
通過實驗測試，調(diào)焦系統(tǒng)可以在1 s的時間內(nèi)實現(xiàn)大小視場的切換，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、小視場下的圖像。


　　
5 結(jié) 語
　　
介紹一種雙視場紅外光學(xué)鏡頭調(diào)焦控制系統(tǒng)，采用移動鏡組軸向移動方式實現(xiàn)變焦，僅需一套機電裝置即可同時實現(xiàn)視場變換和調(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，使得整個硬件電路的設(shè)計簡單可靠，同時強大的運算處理能力使得復(fù)雜控制算法通過編程得以實現(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)對視場切換速度快與調(diào)焦精度高的要求。