視覺測(cè)量中多光學(xué)靶點(diǎn)亮度自適應(yīng)控制※＊

李鐵林，張麗艷，楊博文，葉南

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

引 言

紅外LED發(fā)光亮度控制的基本原理是通過控制流過紅外LED的平均電流大小來實(shí)現(xiàn)，圖1所示為發(fā)光強(qiáng)度與平均電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。ENRI是紅外LED歸一化發(fā)光強(qiáng)度，IF是平均電流，圖中實(shí)線部分表示持續(xù)電流，虛線表示脈沖電流。目前，在視覺測(cè)量領(lǐng)域，作為光學(xué)靶點(diǎn)的紅外LED發(fā)光亮度調(diào)節(jié)方式主要可分為兩類。

圖1 發(fā)光強(qiáng)度與平均電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

一類是利用A／D轉(zhuǎn)換芯片改變驅(qū)動(dòng)電壓的方式調(diào)節(jié)流過紅外LED電流的大小，該方法具有線性好的優(yōu)點(diǎn)，但是由于流過LED電流為持續(xù)電流，由圖1可見不允許超過100mA，遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)紅外LED發(fā)光亮度不足。同時(shí)，單片機(jī)通過串口控制一塊A／D轉(zhuǎn)換芯片，一塊芯片只能控制一個(gè)紅外LED，較難實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制多個(gè)紅外LED的要求。

另一類是采用多路LED驅(qū)動(dòng)芯片通過PWM（Pulse Width Modulation）方式調(diào)節(jié)流過紅外LED的平均電流大小，使用PWM方式獨(dú)立地調(diào)節(jié)每一個(gè)紅外LED的發(fā)光亮度，該方式下紅外LED的驅(qū)動(dòng)電壓恒定，所以LED導(dǎo)通時(shí)的電流是一個(gè)定值，本文中稱作“原始電流”I。

采用高頻的脈沖信號(hào)控制LED的導(dǎo)通和關(guān)斷，通過脈沖脈寬調(diào)制的方法調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的比例來實(shí)現(xiàn)平均電流大小調(diào)節(jié)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制多路紅外LED的發(fā)光亮度、調(diào)節(jié)精度高，但是受LED驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)載電流能力的限制，通過每個(gè)紅外LED的極限電流值為50mA。

1 控制系統(tǒng)的組成以及工作方式

整個(gè)光學(xué)靶點(diǎn)亮度自適應(yīng)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、通信電路（包括主副兩個(gè)模塊）、光學(xué)靶點(diǎn)控制驅(qū)動(dòng)電路3個(gè)部分，可工作于有線、無線兩種工作模式，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)的工作可描述為如下4個(gè)過程：

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

①計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析，如果成像光斑不滿足要求，發(fā)光亮度調(diào)節(jié)函數(shù)根據(jù)紅外LED的成像分析結(jié)果并計(jì)算出發(fā)光亮度調(diào)節(jié)參數(shù)，發(fā)光亮度調(diào)節(jié)參數(shù)寫入MAX6964后可以調(diào)節(jié)各路輸出PWM信號(hào)占空比，作用到下一次拍攝時(shí)紅外LED的發(fā)光亮度控制。

②計(jì)算機(jī)通過自身串口RS－232將控制信息傳送到主通信電路，控制信息包括硬件電路狀態(tài)檢測(cè)、錯(cuò)誤報(bào)警、單個(gè)紅外LED閃爍、測(cè)量（控制信息中包含該次測(cè)量時(shí)紅外LED的發(fā)光亮度調(diào)節(jié)參數(shù)）。主通信電路根據(jù)工作模式將信號(hào)轉(zhuǎn)換，在有線模式下將信號(hào)轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的RS－485差分信號(hào)，通過雙絞線傳送到紅外LED控制驅(qū)動(dòng)電路；無線模式下則將信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線載波，副通信電路接收無線載波后轉(zhuǎn)換為RS－485差分信號(hào)，并通過雙絞線傳送到紅外LED控制驅(qū)動(dòng)電路。

③單片機(jī)接收到控制信息后進(jìn)行判斷、決策，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如果是測(cè)量命令，則需要驅(qū)動(dòng)紅外LED，一方面判斷是否需要使用繼電器對(duì)“原始電流”I的大小進(jìn)行切換，需要?jiǎng)t進(jìn)行切換，反之則保持原電流大小。另一方面，控制多路LED驅(qū)動(dòng)芯片MAX6964按照要求輸出多路由發(fā)光亮度參數(shù)重新確定了占空比大小的脈沖波形，對(duì)各個(gè)紅外LED的發(fā)光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

④單片機(jī)在執(zhí)行命令中或者執(zhí)行完命令后，反饋給計(jì)算機(jī)命令執(zhí)行信號(hào)。每一條控制信息執(zhí)行后都要反饋執(zhí)行信號(hào)給計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)始終掌握紅外LED驅(qū)動(dòng)控制電路的工作狀態(tài)以及是否正確執(zhí)行該命令，測(cè)量命令反饋的執(zhí)行信息同時(shí)是計(jì)算機(jī)圖像采集的觸發(fā)信號(hào)。

在設(shè)計(jì)制作集成電路時(shí)，將控制驅(qū)動(dòng)電路、主通信電路、副通信電路分別設(shè)計(jì)成3塊彼此獨(dú)立的集成電路?，F(xiàn)階段每塊控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)8個(gè)紅外LED，根據(jù)RS－485通信網(wǎng)絡(luò)組成方式，可以使用多個(gè)控制驅(qū)動(dòng)電路組成控制驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，RS－485通信網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示，從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)同時(shí)控制多數(shù)目的紅外LED工作。

圖3 RS－485通信網(wǎng)絡(luò)圖

2 關(guān)鍵電路工作原理以及電路設(shè)計(jì)

2.1 紅外LED驅(qū)動(dòng)電路工作原理

紅外LED驅(qū)動(dòng)電路基本原理圖如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電路由一對(duì)三極管構(gòu)成的推挽電路來直接驅(qū)動(dòng)紅外LED，由PWM信號(hào)控制紅外LED導(dǎo)通、關(guān)斷，達(dá)到調(diào)節(jié)平均電流大小的目的。工作時(shí)，A點(diǎn)為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通、Q2截止，紅外LED通過正向電流I，即“原始電流”；A點(diǎn)低電平時(shí)，Q1截止、Q2導(dǎo)通，紅外LED關(guān)斷。三極管Q1型號(hào)選用S8050，輸出電流最高可達(dá)500mA，完全滿足驅(qū)動(dòng)紅外LED電流大小的要求。

三極管Q1工作在飽和狀態(tài)，三極管導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生飽和壓降vCE（sat），紅外LED導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生正向壓降vF，導(dǎo)通時(shí)供電線路也會(huì)產(chǎn)生線路耗損壓降vL（vL一般很小，可以忽略）。設(shè)供電電壓為VCC，則導(dǎo)通時(shí)通過每個(gè)紅外LED的I大小為：

關(guān)斷時(shí)通過每個(gè)LED的I為0。

圖4 紅外LED驅(qū)動(dòng)電路基本原理圖

設(shè)相機(jī)的曝光時(shí)間為T，則在這段時(shí)間通過紅外LED的平均電流為：假設(shè)調(diào)節(jié)第n個(gè)紅外LED的脈沖占空比為αn（0＜αn＜1），則通過此紅外LED的平均電流IF為：

紅外LED的發(fā)光強(qiáng)度決定于平均電流IF＝Iαn，即決定于“原始電流”I的值和脈沖占空比αn的大小，I的大小主要決定于VCC的大小。設(shè)計(jì)紅外LED驅(qū)動(dòng)電壓的大小可進(jìn)行切換，這樣在近距離測(cè)量時(shí)，切換成小的驅(qū)動(dòng)電壓，則電流I較小，配合脈沖占空比調(diào)節(jié)可以在近距離測(cè)量時(shí)獲得高的調(diào)節(jié)精度；在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，切換成大的驅(qū)動(dòng)電壓，電流I較大，可以滿足發(fā)光亮度的需求。

2.2 靶點(diǎn)控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖5為多路LED驅(qū)動(dòng)芯片MAX6964的設(shè)計(jì)工作電路原理圖，MAX6964共有17個(gè)用于驅(qū)動(dòng)LED的開路輸出端口，MCU使用I2C串行接口和MAX6964相連，通過串行接口將發(fā)光亮度調(diào)節(jié)參數(shù)寫入MAX6964內(nèi)部相應(yīng)的控制寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片工作的控制。芯片輸出端口為開路輸出，存在兩種狀態(tài)：“高阻態(tài)”、“低電平”。當(dāng)輸出端口狀態(tài)為“高阻 態(tài)”時(shí)，LED 關(guān) 斷；為 “低 電 平”時(shí)，LED 導(dǎo) 通。MAX6964輸出端口的PWM調(diào)節(jié)正是基于以上實(shí)現(xiàn)的。但是由于其芯片設(shè)計(jì)每個(gè)輸出口最大允許通過電流值為50mA，最大輸入電壓為7V，芯片接地電流最大允許350 mA，這些電流限制使得驅(qū)動(dòng)紅外LED時(shí)發(fā)光亮度不能滿足需求，但是其多路輸出PWM調(diào)節(jié)功能是本文所需要的。

圖5 多路LED驅(qū)動(dòng)芯片MAX6964的設(shè)計(jì)工作電路原理圖

根據(jù)其輸出口特性，結(jié)合紅外LED驅(qū)動(dòng)電路原理，設(shè)計(jì)了如圖6所示的紅外LED控制驅(qū)動(dòng)電路。利用MAX6964輸出端口為開路輸出的特性，通過在端口加上拉電阻構(gòu)成新的輸出端口。芯片輸出端口為“高阻態(tài)”狀態(tài)時(shí)，上拉電阻使C點(diǎn)為高電平，直接用其驅(qū)動(dòng)推挽電路則使紅外LED導(dǎo)通，與芯片本身設(shè)計(jì)“高阻態(tài)”狀態(tài)時(shí)紅外LED關(guān)斷相矛盾，給控制程序設(shè)計(jì)帶來不必要的困難。所以，使用反相器對(duì)輸出電平進(jìn)行反向，經(jīng)過反向后輸出到A點(diǎn)得到低電平，驅(qū)動(dòng)推挽電路使紅外LED關(guān)斷；同理，芯片輸出端口狀態(tài)為“低電平”時(shí)，紅外LED導(dǎo)通。通過MCU的I／O口控制繼電器，切換紅外LED驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)“原始電流”I大小的功能。

圖6 紅外LED控制驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖7為單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖，此設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)型號(hào)為PIC16F873A。首先，I2C串行接口RA2用來連接MAX6964控制端口，配合串行接口進(jìn)行控制；異步串行接口用來和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，I／O口RA5控制數(shù)據(jù)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX491的發(fā)送、接收使能；I／O口RB1控制繼電器切換；I／O口RA0、RA1控制一紅一綠兩個(gè)彩色LED燈的發(fā)光或熄滅，同時(shí)此LED還可作為狀態(tài)指示燈；RA3控制蜂鳴器開關(guān)實(shí)現(xiàn)報(bào)錯(cuò)提醒功能；利用I／O口RB4～RB7輸入電平變化可產(chǎn)生中斷的特點(diǎn)，使用RA4、RA5設(shè)計(jì)兩個(gè)按鍵，作為功能擴(kuò)展備用。

圖7 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

2.3 通信電路設(shè)計(jì)

主通信電路原理圖如圖8所示，可使用有線和無線兩種數(shù)據(jù)傳遞方式。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首先使用MAX232芯片將計(jì)算機(jī)通過自身RS－232接口傳遞的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為兩路TTL電平信號(hào)，一路信號(hào)經(jīng)過光電隔離后，通過MAX490芯片轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，由RS－485接口將數(shù)據(jù)傳遞到紅外LED控制驅(qū)動(dòng)電路；另一路經(jīng)過反相器提升負(fù)載能力后接入無線收發(fā)接口，在該接口連接上，無線收發(fā)器可以無線方式將數(shù)據(jù)傳遞到副通信電路。

圖8 主通信電路原理圖

副通信電路原理圖如圖9所示。其工作在無線模式下，使用無線收發(fā)器和MAX490芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平信號(hào)與差分信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)使用光電耦合器進(jìn)行光電隔離，配合在無線模式下工作主控電路實(shí)現(xiàn)無線模式通信功能。

圖9 副通信電路原理圖

3 軟件編程

計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間制定了每條命令（控制信息）的數(shù)據(jù)傳遞格式、數(shù)據(jù)量以及校驗(yàn)方式。程序設(shè)置串口打開中斷，串口接收到數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)入中斷程序，在中斷程序中，將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來并對(duì)命令接收計(jì)數(shù)值加“1”，然后判斷是否整條命令接收完成。如果傳遞的數(shù)據(jù)量達(dá)到了規(guī)定命令，則清零接收計(jì)數(shù)值，等待接收下一組命令，同時(shí)置“1”命令標(biāo)志位；主程序運(yùn)行時(shí)不斷查詢命令標(biāo)志位，如果發(fā)現(xiàn)其被置“1”，說明接收到一條完整的命令，先進(jìn)行校驗(yàn)，判斷接收到的命令數(shù)據(jù)是否正確，然后根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的控制信息執(zhí)行相應(yīng)的操作。單片機(jī)程序流程圖和調(diào)節(jié)函數(shù)流程圖略——編者注。

4 實(shí) 驗(yàn)

MAX6964可產(chǎn)生占空比從1／240到240／240的脈沖信號(hào)。選擇5V、12V直流電壓作為驅(qū)動(dòng)電壓，限流電阻為50Ω。繼電器切換到供電電壓5V時(shí)，通過示波器觀察到限流電阻兩端電壓差為3.5V時(shí)，則通過紅外LED的“原始電流”I的值為70mA；切換到12V工作時(shí)，通過示波器觀察到限流電阻兩端電壓差為10.2V。同理，此時(shí)驅(qū)動(dòng)紅外LED的I值為204mA。根據(jù)不同的占空比，計(jì)算出平均電流IF。

占空比與電流對(duì)應(yīng)關(guān)系表略——編者注。

跟蹤測(cè)量時(shí)，保證10次／s測(cè)量，曝光時(shí)間最大設(shè)為30ms，此時(shí)平均電流超過140.25mA時(shí)，相機(jī)距離紅外LED約10.5m可以拍攝得到符合要求的靶點(diǎn)成像，所以本文將占空比最高定為196／240。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，使用5V電壓驅(qū)動(dòng)紅外LED，可以在2.5～6.5 m范圍內(nèi)獲得良好的調(diào)節(jié)效果；使用12V電壓驅(qū)動(dòng)紅外LED，可以在4～10m范圍內(nèi)取得良好的調(diào)節(jié)效果。

結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過PWM方式配合驅(qū)動(dòng)電壓大小切換可大范圍的調(diào)節(jié)通過紅外LED的平均電流大小，切換到小電壓驅(qū)動(dòng)可滿足靶點(diǎn)和相機(jī)距離較近時(shí)調(diào)節(jié)精度的要求，而切換到大電壓驅(qū)動(dòng)可滿足靶點(diǎn)和相機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí)發(fā)光強(qiáng)度的要求。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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