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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設備中。防抖主要分為光學防抖和電子防抖，光學防抖通過光學器件進行影響穩定；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。對于望遠鏡來說，在放大視角的同時，也會將手的抖動造成的影像晃動放大，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通常需要配合三腳架，而大多數的手持望遠鏡在沒有影像穩定措施的情況下觀察效果受到擾動。如果觀察者站在車、船、飛機上時，晃動的影響更加嚴重，即使把望遠鏡裝到三角架上，也不能消除晃動的影響。因此，開發適合望遠鏡使用的影像穩定系統已經成為一項迫切的任務，防抖動望遠鏡將會具有很大的市場前景。 影像穩定屬于跟蹤控制問題。文獻 設計了一種采用形狀可變的流體棱鏡進行抖動補償的方法。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語言進行軟件調試，以實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鏡片，稱為補償鏡片。補償鏡片在自身所在平面內做上下左右兩個自由度的運動，來糾正因手在俯仰和偏航方向的抖動所引起的光線偏轉，使光線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：感知望遠鏡抖動的陀螺儀 CG-L53B；鏡片伺服直線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晶體的驅動下，實現 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個捕獲/ 比較寄存器的 16位定時器 A和定時器 B、12位快速 A/D轉換器（帶有內部參考電平、采樣保持和自動掃描特性）、雙 12位 D/A轉換器兩個通用同步 /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點，運行在 1MHz時鐘條件下時，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，可以承擔本系統電路中的多種工作，使整體電路得到簡化。 2.2 陀螺儀電路設計 由于在輸出電壓Vref和Vout之間存在著殘余載波噪音，連接了一個低通濾波器來消除高次諧波成分；為了消除輸出電壓在靜止狀態時由于溫度變化等因素的影響而產生的波動，連接了一個普通高通濾波器；在地與Vref之間用4.7uF電容連接來穩定Vref輸出。 2.3 電機驅動功放電路設計 對于電機驅動功放電路采用線性電路方式，如圖 3所示。線性功放電路的特點是線性度好，失真小，頻帶寬，不會產生噪聲和電磁干擾，在照相機等小型設備的電機驅動中應用廣泛。其最大缺點是效率低，在功率較大時，晶體管功耗大，發熱嚴重，但在小功率電機等設備的控制中，使用線性功放電路比較方便，盡管效率不高，但在小功率驅動中并不會損失太多功率。 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,每個功能模塊又由相應的子程序組成，實現特定功能。程序流程圖如圖 4所示，其中，初始化模塊實現對程序中所用到的寄存器、常量、變量的定義，對系統時鐘、 ADC、DAC、定時器和看門狗等模塊的初始化，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，程序進入循環等待狀態，并開始計時，在斷電定時結束前，由通用定時器設定采樣周期，向主程序的采樣標志賦值，啟動控制算法。 本系統使用了兩個定時器：通用定時器和看門狗定時器。通用定時器用于系統采樣和控制時，看門狗定時器給定一個時限，當系統運行到達這個時間后， 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程序中執行的。看門狗定時器工作在定時器模式，定時周期就是數字控制的采樣周期，每個周期定時產生中斷，中斷服務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。中斷服務程序的執行速度要足夠快，在一個周期內完成規定的任務，在程序設計上要進行優化。 有些情況下，觀察者需要人為地使望遠鏡轉動一個比較小的角度，為防止這個轉動被誤認為是抖動，在讀取角速度的值后會進行判斷，根據實驗結果，通常人為移動的速度比較大，并且在移動時間內角速度值幾乎相等，可以明顯區別于抖動。 4 實物調試 在實驗的時候用陀螺產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。可以看到，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，具有系統簡單，穩定性好，功耗低等優點，并且能夠達到滿意的跟蹤精度，為進一步研制防抖望遠鏡提供了參考。 |
