基于DSP处理器的红外电视调焦控制器设计

　　摘要：本文以DSP为核心处理器，配合FPGA和外围电路，设计了一套光电跟踪测量系统红外电视调焦控制器，实现了根据目标距离和环境温度等参数对电视焦距进行自动调整。通过数据分析与实践检验，该系统能够满足红外电视的调焦控制要求。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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