一種無(wú)需同步的閃光測(cè)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王建，丁亞茹，陳英革

（常熟理工學(xué)院a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院；b.電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

一種無(wú)需同步的閃光測(cè)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王建a，丁亞茹a，陳英革b

（常熟理工學(xué)院a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院；b.電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

運(yùn)用增強(qiáng)型51系列單片機(jī)STC12C5A60S2內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器的高速采集功能，結(jié)合ICL7650自穩(wěn)零斬波集成運(yùn)放，設(shè)計(jì)了一種硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能較好的無(wú)需同步即可進(jìn)行閃光測(cè)光的測(cè)光系統(tǒng).給出了系統(tǒng)的軟、硬件框架及部分關(guān)鍵代碼，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際評(píng)估測(cè)試，取得了較好的測(cè)光效果.

閃光測(cè)光；無(wú)需同步；單片機(jī)

測(cè)光系統(tǒng)是專業(yè)攝影人員及攝影愛(ài)好者們必備的輔助設(shè)備，而閃光測(cè)光功能是高端測(cè)光表不可缺少的重要功能之一.但目前幾乎所有的高端測(cè)光系統(tǒng)在進(jìn)行閃光測(cè)光時(shí)都需要一個(gè)不可缺少的程序——同步，即使用一根同步線（或使用無(wú)線設(shè)備來(lái)代替）連接閃光燈與測(cè)光系統(tǒng).由測(cè)光系統(tǒng)給出觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)閃光燈閃光，并同時(shí)啟動(dòng)測(cè)光工作.這主要是由于閃光燈的閃光持續(xù)時(shí)間很短暫（約1毫秒），從而導(dǎo)致在不進(jìn)行同步的情況下幾乎不可能使用傳統(tǒng)的方法來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)出閃光時(shí)的瞬間亮度信息.因此，同步工作便成了一項(xiàng)繁瑣但又不能省略的事情，這無(wú)疑給使用者帶來(lái)了許多不便.

本文以增強(qiáng)型51系列單片機(jī)STC12C5A60S2內(nèi)部集成的高速A/D為基礎(chǔ)［1-3］，結(jié)合ICL7650自穩(wěn)零斬波集成運(yùn)放，以硅光電池BPW34為光電傳感器，對(duì)外部光亮信息進(jìn)行高速采集，并實(shí)時(shí)分析采集到的數(shù)據(jù)信息，用適當(dāng)?shù)乃惴z測(cè)出整個(gè)閃光過(guò)程，從而在無(wú)需同步的情況下完成閃光測(cè)光工作.

1 理論基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 理論基礎(chǔ)

由于閃光過(guò)程中，光強(qiáng)會(huì)有從正常水平突增至最大然后緩慢回歸至正常水平這一過(guò)程，如圖1所示.本系統(tǒng)利用STC12C5A60S2集成的高速A/D，采用高速多次采集的辦法，通過(guò)光亮度的突變檢測(cè)到閃光的開(kāi)始與結(jié)束.

圖1中，t為時(shí)間軸，L軸表示相對(duì)光亮度，Lmax表示峰值光亮度，Laver表示有效光亮度，str表示閃光開(kāi)始時(shí)刻點(diǎn)，stp表示閃光結(jié)束時(shí)刻點(diǎn).

1.2 具體實(shí)現(xiàn)方法

由于實(shí)際閃光燈的閃光時(shí)間是很短的，整個(gè)閃光過(guò)程約持續(xù)1毫秒到2毫秒左右.所以需要極高的采集速率來(lái)抓取整個(gè)閃光過(guò)程.本系統(tǒng)中，單片機(jī)采用中斷方式對(duì)光源每15 us左右采集一次數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存中的長(zhǎng)度為200的循環(huán)隊(duì)列中.在這一過(guò)程中實(shí)時(shí)掃描隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的波動(dòng)特征，找到適當(dāng)?shù)奶冮撝?，?dāng)相鄰兩個(gè)采集點(diǎn)數(shù)值的跳變值大于閾值時(shí)便可確定閃光過(guò)程的起始點(diǎn)（圖1中的str）；當(dāng)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)恢復(fù)到接近正常值時(shí)，便可確定閃光過(guò)程的結(jié)束點(diǎn)（圖1中的stp）.由于各采集點(diǎn)為等時(shí)間間距點(diǎn)，所以可計(jì)算出開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)中間的所有采集點(diǎn)的算術(shù)平均值及這一過(guò)程的等效值（圖1中的Laver）.由此便可得出閃光過(guò)程的等效光亮度.由這一等效光亮度做參考，經(jīng)計(jì)算后給出合適的曝光組合.另外，分析整個(gè)閃光過(guò)程的數(shù)據(jù)，還可以得到如閃光持續(xù)時(shí)間、峰值等其它信息.

圖1 閃光光強(qiáng)—時(shí)間圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件框架

圖2中BPW34為常用硅光電池，在其線性區(qū)內(nèi)，其短路電流與外部光照度成線性關(guān)系.ICL7650為自穩(wěn)零斬集成運(yùn)放，是一種高精度，低漂移，高輸入阻抗的集成運(yùn)放.它利用動(dòng)態(tài)校零原理，清除COMS器件固有的失調(diào)和漂移，對(duì)微弱信號(hào)來(lái)講是個(gè)較理想的放大器. STC12C5A60S2為宏晶科技生產(chǎn)的增強(qiáng)型高速51系列單片機(jī)，內(nèi)部集成10位高速A/D，最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250kHZ.人機(jī)界面為常用液晶顯示器+按鍵.電源模塊為普通5 V電源.

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵部分硬件原理圖

如圖3所示，集成運(yùn)放ICL7650與硅光電池BPW34組成電流—電壓轉(zhuǎn)換器，將BPW34輸出的微安級(jí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可直接測(cè)量的0-5V電壓信號(hào).通過(guò)改變R1阻值可改變放大倍數(shù).由于閃光過(guò)程中光強(qiáng)很大，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，R1采用2K左右為宜.在其他測(cè)光情況下，應(yīng)適當(dāng)增大R1阻值.

2.3 系統(tǒng)軟件框架

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖

圖3 光強(qiáng)采集及放大部分原理圖

由于篇幅有限，本文的重點(diǎn)在于自動(dòng)檢測(cè)式閃光測(cè)光實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)，即只注重如何抓取到一次完整的閃光過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息.諸如如何將采集到的數(shù)據(jù)具體量化到標(biāo)準(zhǔn)化單位，以及如何把抓取到的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，給出具有實(shí)際用處的信息等問(wèn)題，這里暫不作探討.所以，本篇給出的數(shù)據(jù)只是直接采集到的原始數(shù)據(jù)，僅是相對(duì)數(shù)據(jù)（10位ADC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，范圍0-1024），并不是標(biāo)準(zhǔn)化單位的數(shù)據(jù).如需得到標(biāo)準(zhǔn)化單位的數(shù)據(jù)，如以勒克斯為單位的光強(qiáng)數(shù)值，只需對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)化照度計(jì)按比例量化即可.

2.4 系統(tǒng)核心代碼

圖4 系統(tǒng)軟件關(guān)鍵部分流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估

為方便測(cè)試，本系統(tǒng)將采集到的閃光過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，然后導(dǎo)入Excel中，使用Excel來(lái)輔助分析測(cè)試.下面主要進(jìn)行兩種常用的閃光測(cè)光測(cè)試，即入射式閃光測(cè)光和反射式閃光測(cè)光.測(cè)試時(shí)使用的閃光燈為攝影常用閃光燈銀燕CY-20型號(hào)閃光燈，測(cè)試環(huán)境為白天室內(nèi).

3.1 入射式閃光測(cè)光測(cè)試

測(cè)試方法：首先開(kāi)啟本測(cè)光系統(tǒng)，使其在檢測(cè)閃光狀態(tài).然后將閃光燈在距離本系統(tǒng)感光傳感器約1米的地方正對(duì)感光傳感器，按下閃光燈的測(cè)試鍵觸發(fā)閃光，本系統(tǒng)便可檢測(cè)并記錄下完整的閃光過(guò)程，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī).圖5為本系統(tǒng)抓取到的入射式閃光測(cè)光時(shí)的數(shù)據(jù)圖.

3.2 反射式閃光測(cè)光測(cè)試

測(cè)試方法：首先開(kāi)啟本測(cè)光系統(tǒng)，使其在檢測(cè)閃光狀態(tài)，并將其感光傳感器正對(duì)天花板，距離天花板約3米，然后將閃光燈正對(duì)天花板，距離天花板約3米，按下閃光燈的測(cè)試鍵觸發(fā)其閃光，本系統(tǒng)便可檢測(cè)并記錄下完整的閃光過(guò)程，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī).圖6為本系統(tǒng)抓取到的反射式閃光測(cè)光時(shí)的數(shù)據(jù)圖.

3.3 測(cè)試小結(jié)

圖5和圖6兩幅圖是間隔15 us左右采集一次數(shù)據(jù)得到的圖.從圖中可以看出，無(wú)論是入射式還是反射式閃光測(cè)光，當(dāng)閃光開(kāi)始時(shí)的瞬間，數(shù)據(jù)的突變都是很大的.所以本系統(tǒng)以此作為檢測(cè)閃光開(kāi)始的關(guān)鍵不但是可行的，而且是十分簡(jiǎn)單的.另外，由于每?jī)纱尾杉c(diǎn)的時(shí)間間隔很小，只有約15 us，在這樣小的時(shí)間段內(nèi)，只有像閃光燈這類靠高壓放電產(chǎn)生的光亮才可能突變這樣大.所以，這種檢測(cè)方式的抗干擾能力也是很強(qiáng)的.經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，像用不透明物遮住系統(tǒng)感光傳感器后突然移開(kāi)，或是系統(tǒng)在很暗處突然開(kāi)燈這些情況，由于光亮突變都不夠快，都不會(huì)使本系統(tǒng)產(chǎn)生誤判.

圖5 入射式閃光測(cè)光

圖6 反射式閃光測(cè)光

4 總結(jié)

為解決傳統(tǒng)閃光測(cè)光系統(tǒng)在進(jìn)行閃光測(cè)光時(shí)都必需同步的問(wèn)題，本文利用增強(qiáng)型51單片機(jī)集成的高速A/D，通過(guò)實(shí)時(shí)分析光強(qiáng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)據(jù)突變檢測(cè)出閃光過(guò)程，完成了無(wú)需同步的閃光測(cè)光系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)工作，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了其可行性.

[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL].http://www.STCMCU.com.

[2]趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]鄭步生，吳渭.Multisim2001電路設(shè)計(jì)及仿真入門(mén)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

Design and Implementation of a Kind of Flash Metering System without Synchronous

WANG Jiana,DING Ya-rua,CHEN Ying-geb
(a.School of Computer Science and Engineering, b.School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

With enhanced 51 series integrated SCM STC12C5A60S2 internal A/D converter high-speed acquisition function and ICL7650 self-stabilized zero chopper integrated amplifier circuit,this paper designs a kind of flash metering system without synchronous.System hardware and software framework and key code examples are offered and the actual test is evaluated,which attains better test effects.

flash metering;without synchronous;MCU

TH741

A

1008-2794（2012）04-0095-05

2012-03-31

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合前瞻性項(xiàng)目“海洋浮標(biāo)廣域通訊網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究”（BY2010126）；江蘇省自然科學(xué)基金“隨機(jī)有限集在白細(xì)胞運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用研究”（BK2010261）

王建（1990—），男，江蘇徐州人，常熟理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院2009級(jí)網(wǎng)絡(luò)班學(xué)生.

陳英革（1968—），男，浙江蒼南人，副教授，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，E-mail:yingge_chen@cslg. edu.cn.