红外电视调焦控制器设计方案

1.引言

随着红外成像技术的快速发展，红外测量电视成为光电跟踪系统的重要组成部分。红外相机的自动和连续调焦，是保证红外电视成像质量，实现光电跟踪系统高精度稳定跟踪的关键技术。一般来说，影响红外电视成像的因素有很多，而目标的距离和环境温度等参数对成像质量影响较大，如何根据目标距离和环境温度等影响目标成像质量的信息，实时调整相机的位置，从而获得清晰的目标图像，需要进行广泛深入的研究，对实现红外跟踪测量系统稳定高精度跟踪测量功能具有重要意义。

2.调焦控制器的硬件设计

2.1 总体结构及原理

光电跟踪测量系统调焦控制系统要实现的功能主要包括：接收综合控制器的控制命令，实现红外电视的变倍与调焦功能，兼具自检功能和故障诊断能力，故障诊断到线路板。

系统采用基于DSP+FPGA的调光调焦控制器。该控制器的硬件原理框图如图1所示。

图1：调光调焦控制器硬件框图

其中DSP(TMS320F2812)作为调光调焦控制器核心。TMS320F2812是TI公司针对数字控制领域而推出的，它是目前控制领域最高性能的处理器，具有控制精度高、速度快、使用灵活以及集成度高等优点，已广泛应用于工业自动化、光学网络以及自动化控制等领域。

系统选用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作为整个调光调焦控制器的时序和逻辑控制核心，EP1C12Q240C8提供12060个逻辑单元(LE)和173个I/O口，可以内嵌4K的RAM.
应用TMS320F2812全部外设接口的一部分，如GPIO接口和EVA/EVB接口。

采用可编程逻辑器件(FPGA)，可以非常简单的设计DSP的硬件电路。将DSP的数据总线、地址总线、读写控制线以及中断信号线全部引入到FPGA 中，根据特定的要求，在FPGA内完成时序和逻辑设计。其中为TL16C554，AD7864提供地址选通信号，为光栅尺计算提供四倍频鉴相和计数逻辑。

由于电机的信号线、限位开关线数量很多，需要本系统的I/O口的数量较多，可以在FPGA内完成扩展I/O口的功能。

2.2 FPGA的设计

FPGA内部采用模块化的设计思想，对FPGA设计进行模块分解。主要包括，实现FPGA扩展I/O口的功能，为TL16C554和AD7864提供片选和读写信号，提供四倍频鉴相和计数逻辑计算光栅尺位置量。FPGA内的功能模块如图2所示。

图2：FPGA设计框图

TL16C554地址译码模块：在FPGA内部，针对DSP的读写以及地址信号进行译码，为TL16C554提供读写信号以及片选等信号。

AD7864地址译码模块：对DSP的地址信号进行译码，为AD7864提供读写、片选以及通道选择等信号。

光栅尺逻辑计算模块：光栅尺输出两路正交的方波信号A、B和零位信号Z输入到FPGA中，在FPGA中实现对A、B信号的倍频及鉴相功能，然后通过16位计数器和锁存器与DSP相连，通过读取计数器的数值可得到光栅尺的位置数值，系统框图如图3所示。

图3：光栅尺逻辑模块设计框图

 
3.实验验证与精度分析

3.1 实验验证

调焦系统由安装在望远物镜筒上的光学机械部分和电控部分组成。光学机械部分包括调焦组件、变倍组件等。电控系统以DSP2833为核心处理器，利用 FPGA实现时序和逻辑控制，配以外围电路、执行电机及位置反馈部件。电控系统位置反馈采用精密线绕电位器和光栅尺，执行电机采用步进电机、超声电机和永磁直流电机。变倍系统两端靠电限位和机械限位来保证定位。

根据以上设计方案进行实践，调焦电控系统采用两块电路板进行工作，分别为控制电路板和功率驱动板。图4为控制电路板，图5为功率驱动板。通过试验，较好的完成了红外电视自动调焦及变倍功能。

图4：调光调焦控制电路

图5：调光调焦驱动电路框图

3.2 精度分析

3.2.1 红外电视调焦控制

红外电视调焦范围为200m~∞，调焦执行电机选用海顿直线电机型号为21000系列Size 8直线步进电机，步长为0.0015mm，其工作电压为5V，每相电流为0.24A，在每秒钟1000步的速度下可产生60N的推力。满足使用要求。位置反馈采用增量式光栅尺。

调焦电控系统误差来源是直线步进电机的步长与光栅尺的精度。直线步进电机步长0.0015mm.由以上条件计算得出如下结论：

a)直线步进电机步长为0.0015mm，调焦机构的分辨力为直线步进电机的步长为0.0015mm；
b)采用光栅尺作为位置测量传感器，其测量精度高，其测量精度可达5μm，满足±0.01mm的分辨力精度要求；
c)每秒钟1000步的速度是电机的常用速度，也就是每秒钟行程为1.5mm，因此该速度满足调焦时间的要求。

3.2.2 红外电视变倍控制红外两档变倍电机选用江苏春生公司的超声电机，型号为TRUM-60.红外变倍系统为100mm/300mm两档变倍，采用半自动控制方式，由电控系统控制超声电机切换变倍镜组，从而切换红外电视的焦距。

超声电机的断电自锁特性保证了旋转变倍机构的稳定性。超声电机断电自锁力矩大于其驱动力矩30%左右。超声电机的旋转轴与变倍镜组的外壳直接连接，这种结构简单可靠，并且占用空间小。

由于超声电机的转速可以达到4~150r/min，对于这种只需要转动90度的变倍机构，如果要求切换时间小于2s，则只要转速n满足：
 

就可以满足使用要求。因此采用的超声电机完全满足技术要求。

4.结论

光电跟踪测量系统红外电视的调焦控制是该系统能够稳定高精度跟踪目标的关键技术，采用DSP为核心处理器、FPGA为时序和逻辑控制器设计的红外电视调焦控制器，通过实践检验和精度分析，满足了光电跟踪系统根据目标距离、环境温度等参数实时进行焦距调整的技术指标要求。
 

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