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當攝影鏡頭拍攝運動的物體時，如果運動軌跡已知，攝影鏡頭必須對焦距進行調(diào)節(jié)，從而調(diào)整目標的像點的位置，使得目標始終位于焦點上，達到實時拍攝的 目標，傳統(tǒng)變焦大多是利用機械裝置完成的，比如凸輪機構(gòu)，齒條機構(gòu);但是由于機械加工工藝復雜，其精度、平穩(wěn)性和靈活性都難以滿足要求，為此本系統(tǒng)利用步 進電機帶動攝像機完成變焦，由于步進點機精確地按照步進角轉(zhuǎn)動，并且由DSP進行控制，從而滿足了以上機械裝置無法完成地性能要求。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng) 調(diào)焦曲線與理想曲線擬合度較好，拍攝已知運動軌跡的目標，達到了滿意效果。 1 調(diào)焦系統(tǒng)設計思想 在光學系統(tǒng)中，采用一組物鏡，調(diào)節(jié)軸向位移，物鏡光學系統(tǒng)物象關系是： 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 —— 光學系統(tǒng)焦距 f=常量，像距X′與物距X成反比關系。 利用已知的攝影調(diào)焦曲線確定步進電機轉(zhuǎn)動所需的步數(shù)和時間坐標關系，存入F240數(shù)據(jù)存儲器中，利用F240運算速度快、片載FLASH存儲器大 (16K字)的特點，準確控制步進電機控制器驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，通過機械裝置實現(xiàn)攝影鏡頭焦距按照規(guī)定的曲線變化，從而實現(xiàn)實時拍攝運動物體的功能。 2 硬件設計部分 2.1步進驅(qū)動器UP-4HB03M簡介 UP-4HB03M是北京聯(lián)太工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的專用步進電機驅(qū)動器,4HBO3M適用于兩相六出頭混合式及四相混合式步進電機，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(qū)動電流為0.3A連續(xù)可調(diào)，并且具有自動半流鎖定功能;脫機控制及其相位檢測功能;所有控制信號 與功率驅(qū)動部分光電隔離;散熱外殼與驅(qū)動器內(nèi)部完全電絕緣。 2.2 TMS320F240簡介 TMS320F240(以下簡稱F240)由DSP內(nèi)核和片內(nèi)外設組成。由于DSP內(nèi)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，同時也為控制軟件的設計提供了更加有力的支持，使控制系統(tǒng)能夠完成更加復雜的功能、實現(xiàn)更好的控制效果。同時TMS320F240具有豐富的片內(nèi)外 設，包括16路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多個可編程的多路復用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線等。特別是TMS320F240片內(nèi)設置了一個事件管理 器(EPA)，可以提供6路全比較PWM通道，能方便地實現(xiàn)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;程序燒寫方便，利于更新曲線坐標以及修改程序;性價比較高等因素。 2.3 硬件設計 本系統(tǒng)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(qū)動能力，CH1是一個八腳的插頭，用于外接步進機的各項繞 組。步進電機以及攝影鏡頭部分從略。工作過程如下：首先獲得攝影調(diào)焦曲線，利用MATLAB軟件，得出時間位移坐標，再換算成步進電機轉(zhuǎn)動所需的步數(shù)時間 坐標，以數(shù)組的行式保存下來。在F240的數(shù)據(jù)存儲器中開辟空間存儲步數(shù)時間數(shù)組，利用F240定時器完成計時，I/O口輸出相應寬度的脈沖信號，驅(qū)動步 進電機驅(qū)動器UP-4HB03M，其中CP為步進脈沖輸入端;FREE為脫機端，高電平有效，F(xiàn)REE=1時，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(zhuǎn)。 圖1 硬件接口電路圖 3 軟件設計： 由于電機的運行和轉(zhuǎn)動步數(shù)以及兩步之間間隔時間有關系，故采用計時器計時的方法來計算時間，F(xiàn)240初始化程序如下： void Initcpu(void) //初始化F240程序 { *WDCR=0x6f; // 禁止自帶的看門狗功能; *CKCR1=0x69; // 外部輸入晶振為20MHZ，F(xiàn)240工作在20MHZ; *CKCR0=0xc3; // 系統(tǒng)時鐘為10MHZ; *SYSCR=0x4000; } // F240輸出頻率CLKOUT=IOPC1(I/O管腳); F240初始化后，計時器的基本計時時間為0.1?s，考慮到F240定時器是16位計數(shù)器，這難以滿足計算長時間的需求，所以采用通 過計算進入定時器中斷的次數(shù)來計算長時間的方法。例如設置定時器周期寄存器值為800即*T1PR=800，那么進一次定時器中斷時間為800*0.1= 80?s如果計時為1s的話，則只需進12500次中斷即可，以此類推;故定義的數(shù)組內(nèi)容表示如下： int table[ ]= { 25,800,255, //第1行 . . . . . . } //第n行 其中25為電機步數(shù);800為定時器周期寄存器值;255每兩步間所要進入定時器中斷的次數(shù)。實現(xiàn)準確地控制步進電機控制器關鍵在于由F240 I/O口產(chǎn)生規(guī)定的脈沖信號，提供給步進電機控制器從而驅(qū)動步進電機正確轉(zhuǎn)動，程序中包括F240初始化、電機正轉(zhuǎn)、等待、電機反轉(zhuǎn)幾個程序模塊。程序流 程圖如圖2所示： 圖2 程序流程圖 以下是實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)的程序。程序中變量解釋：step：用于存儲數(shù)組中電機步數(shù);every step：用于存儲數(shù)組中每兩步間所要進定時中斷的次數(shù);flag：數(shù)組行數(shù)標志(程序假設需正轉(zhuǎn)36組)。 void interrupt INT2_ISR() { while (*EVIVRA==0x0027) //是否是定時器中斷 { if(flag＜36) //用來完成正轉(zhuǎn) { if (steptotal==step) //是否走完數(shù)組每行規(guī)定的步數(shù) { flag++; //數(shù)組行標志加1 steptotal=0; //電機轉(zhuǎn)動步數(shù)清零 step=table[++j]; //更新電機運行步數(shù)數(shù)據(jù) *T1PR=table[++j]; //更新定時器定時周期 everystep=table[++j]; //更新需要進入定時器中斷次數(shù) *T1CNT=0; } //從零開始計時，啟動定時器 i++; //循環(huán)標志位加1 if(i==1) *PADATDIR=0xff05; // 提供下降沿，正轉(zhuǎn)，不脫機 else{ if (i==everystep) { i=0; steptotal++; } //電機每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，不脫機 } *IMR=0x02; //開定時器中斷 enable(); //開啟F240總中斷 } } 4 實驗結(jié)果及其注意事項 電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)和時間坐標都是由主機端通過MATLAB仿真取得的，因此實際調(diào)焦曲線的與理想曲線的擬合程度大大提高了;步進電機控制器采用四相八拍運行 方式，并且由DSP進行控制，步進機精確地按照步進角(0.9度)轉(zhuǎn)動。實際應用該調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)整攝影鏡頭，拍攝運動軌跡已知的目標，達到了滿意的效果。 定時器時間的準確計算對高精度地測量一些物理量是非常重要的。當需要定時器計算的時間比較長時，定時器計數(shù)還不夠，這時就需要利用定時器自身的中斷，即短時間定時一到就進入定時器中斷服務子程序，利用進入的次數(shù)來達到計時的目的。 5 結(jié)束語 本文對基于DSPTMS320F240利用步進驅(qū)動器UP-4HB03M控制步進電機進行了研究，改進了傳統(tǒng)的工程中調(diào)焦方式，精度大大提高, 經(jīng)測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，由于DSP操作方便，而且采用C語言方式編寫，易于日后的代碼修改和程序移植。 |
