基于電感式位移傳感器的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

殷娣娣, 王亞輝, 郭　港

(1.中國科學(xué)院 光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610209；2.中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所,四川 成都 610209；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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基于電感式位移傳感器的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

殷娣娣1,2,3, 王亞輝1,2, 郭港1,2,3

(1.中國科學(xué)院 光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610209；2.中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所,四川 成都 610209；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

摘要:調(diào)焦機(jī)構(gòu)是大型光電跟蹤設(shè)備和變焦距鏡頭的重要組成部分，調(diào)焦精度直接影響整個(gè)跟蹤控制系統(tǒng)的性能。目前調(diào)焦機(jī)構(gòu)大多采用光柵尺作為位移的采集和反饋單元來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，其主要缺陷是體積大、溫度適應(yīng)性差，不能滿足對(duì)溫度要求高的工作環(huán)境。設(shè)計(jì)了一種由電感式直線位移傳感器、DSP & FPGA調(diào)焦控制板卡、步進(jìn)電機(jī)以及電動(dòng)平移臺(tái)組成的寬溫調(diào)焦機(jī)構(gòu)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)整體架構(gòu)、各個(gè)單元的硬件實(shí)現(xiàn)以及軟件操作流程，系統(tǒng)性能參數(shù)分析和調(diào)焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞:調(diào)焦機(jī)構(gòu)； 電感式位移傳感器； 現(xiàn)場可編程門陣列； 數(shù)字信號(hào)處理

0引言

光電跟蹤系統(tǒng)在天文觀測、靶場測量、航空航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)在對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量時(shí)，目標(biāo)與設(shè)備距離的變化會(huì)引起像面位置變化造成目標(biāo)像點(diǎn)離焦，影響成像的質(zhì)量。為了獲取清晰的跟蹤圖像，應(yīng)對(duì)鏡組進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)焦，使得跟蹤設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)的焦距、視場能夠根據(jù)探測目標(biāo)位置的改變而改變，確保目標(biāo)圖像始終位于焦面之上。顯然，光電跟蹤設(shè)備中調(diào)焦機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)光學(xué)聚焦是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)跟蹤的關(guān)鍵[1]。

位移傳感器作為調(diào)焦機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，不僅測量精度要求高，其溫度適應(yīng)性也是必須考慮的參考指標(biāo)。目前,調(diào)焦機(jī)構(gòu)一般采用光柵尺作為位移量的反饋單元，雖然精度達(dá)到要求，但其體積大、且易受環(huán)境溫度的影響，難以滿足苛刻的工作環(huán)境要求。為避免這些不利因素，本文設(shè)計(jì)采用LDR—CA—10型電感式位移傳感器采集位移量以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。與傳統(tǒng)的光柵尺位置反饋相比，LDR—CA—10型傳感器不僅精度高、體積小,而且溫度適應(yīng)性好。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種以DSP & FPGA作為控制和處理器的實(shí)時(shí)調(diào)焦系統(tǒng)，以LDR—CA—10型電感式位移傳感器為位移采集和反饋單元，以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成主次鏡間距調(diào)整，最終達(dá)到光學(xué)聚焦目的。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1。

圖1　調(diào)焦總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig 1　Design of focusing overall system

LDR位移傳感器固定在次鏡上，次鏡移動(dòng)時(shí)，傳感器輸出與位移量呈正比的模擬電壓量；模擬電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳入控制板卡進(jìn)行濾波處理得到精確位移量；再由控制算法得出調(diào)整量控制電機(jī)完成系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)焦；同時(shí),控制卡將位移量和調(diào)焦結(jié)果用串行通信方式傳給PC。

2LDR型電感式位移傳感器

LDR—CA—10傳感器是Micro-Epsilon公司生產(chǎn)的MSC—7210系列電感式位移傳感器，常用于測量距離或目標(biāo)的微小位移以及其它與位移有關(guān)的機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、張力等[2]。

該傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其由兩個(gè)對(duì)稱的線圈和鐵芯構(gòu)成，鐵芯在盤繞的線圈內(nèi)部移動(dòng)。鐵芯與線圈之間的非接觸相對(duì)移動(dòng)造成線圈阻抗比變化，阻抗比的變化經(jīng)過控制器處理與補(bǔ)償，最終傳感器輸出與位移呈線性變化的模擬電壓量。

圖2　LDR傳感器原理框圖Fig 2　Principle block diagram of LDR sensor

本設(shè)計(jì)所選用的LDR—CA—10傳感器能夠工作在溫度為-40～160 ℃、濕度為5 %～95 %RH的環(huán)境下，它的輸出信號(hào)范圍為2～10 V，量程為10 mm，線性度是0.3 %。由于LDR—CA—10傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有無限長的機(jī)械壽命，這使得該傳感器適合在高可靠性的場合應(yīng)用。另外，該傳感器重量輕、體積小，安裝方便，后期信號(hào)處理相對(duì)簡單。

3硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1主控制器模塊

調(diào)焦系統(tǒng)以DSP & FPGA為主控制器，二者各具特點(diǎn)：FPGA接口靈活，可靈活配置內(nèi)部邏輯功能，用于信號(hào)預(yù)處理和接口電路，主要負(fù)責(zé)外圍接口的數(shù)據(jù)采集、AD采集卡的數(shù)據(jù)配置以及與上位機(jī)的通信等工作；DSP有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算功能，負(fù)責(zé)信號(hào)濾波和控制算法的實(shí)現(xiàn)[3]。

DSP & FPGA結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要問題就在于兩者之間的通信。本設(shè)計(jì)中DSP與FPGA采用高速率并行通信機(jī)制，利用DSP的XINTF外部擴(kuò)展功能，將FPGA掛載到DSP的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，利用DSP中16位的數(shù)據(jù)總線和19位的地址總線實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。板卡接口信號(hào)如圖3所示。

圖3　設(shè)計(jì)接口信號(hào)示意圖Fig 3　Diagram of designed interface signal

XINTF是TMS320F2812與外設(shè)進(jìn)行通信的重要接口，這些外部接口分別與CPU的某個(gè)存儲(chǔ)空間相對(duì)應(yīng)。CPU 通過對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀/寫操作，完成與外設(shè)通信。外部設(shè)備(這里即FPGA)不能控制接口信號(hào)線，只能讀取、判斷信號(hào)線的狀態(tài)來進(jìn)行相應(yīng)的操作。XINTF接口的每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域都各有一地址片選信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)使能某個(gè)片選信號(hào)時(shí)，相應(yīng)的外部存儲(chǔ)器就被選中，數(shù)據(jù)就可以存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，或從相應(yīng)的存儲(chǔ)空間讀出來[4]。這種DSP&FPGA 的模式結(jié)構(gòu)靈活，通用性強(qiáng)，易于移植和模塊化設(shè)計(jì)。

3.2信號(hào)采集模塊

模擬信號(hào)采集模塊采用具有高集成度、低功耗、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)的AD7656，包含6個(gè) 16位精度的ADC通道，單個(gè)通道采樣速度可達(dá)250 kbps。

3.3串口通信模塊

調(diào)焦機(jī)構(gòu)中采集卡與控制卡、控制卡與上位機(jī)之間的通信均采用RS—422串行通信模式。RS—422數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，支持點(diǎn)對(duì)多雙向通信，傳輸距離長，抗干擾性強(qiáng)[6]。

串口發(fā)送模塊采用VHDL語言編寫有限狀態(tài)機(jī) (finite state machine,FSM)，此模塊包括空閑狀態(tài)、開始狀態(tài)、等待狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)以及結(jié)束狀態(tài)[7]。由圖4可見，各狀態(tài)之間可根據(jù)觸發(fā)條件自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

圖4　串口發(fā)送模塊的有限狀態(tài)機(jī)Fig 4　FSM of serial port sending-module

串口接收模塊設(shè)計(jì)加入抗干擾功能，每接收一個(gè)數(shù)據(jù)，都要對(duì)它進(jìn)行16次采樣，并對(duì)采樣結(jié)果(這里指0或1)進(jìn)行投票，其中,票數(shù)大于8次才認(rèn)為接收到的數(shù)據(jù)是0或1。這種模式提高了接收的準(zhǔn)確率，抗干擾效果良好。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1總體設(shè)計(jì)流程

軟件部分是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的核心，其具體算法流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后自動(dòng)運(yùn)行程序，先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行系統(tǒng)初始化、芯片自檢，然后等待中斷信號(hào)；DSP利用定時(shí)器定時(shí)產(chǎn)生200 Hz中斷，在200 Hz中斷信號(hào)的上升沿到來時(shí)通過RS—422獲得聚焦位置命令、讀取傳感器當(dāng)前位置信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理；再依據(jù)傳感器進(jìn)行位置計(jì)算；最后控制電機(jī)帶動(dòng)鏡組移動(dòng)到目標(biāo)位置完成自動(dòng)聚焦過程。

圖5　調(diào)焦控制流程圖Fig 5　Flow chart of focusing control

4.2濾波算法

傳感器信號(hào)在采集和傳輸過程中不可避免地會(huì)引入噪聲。為了消除噪聲干擾，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了抗干擾措施，但這些硬件設(shè)計(jì)不能完全抑制來自系統(tǒng)本身和外界的干擾，選擇合適的軟件濾波方法至關(guān)重要。

實(shí)際采集到的LDR—CA—10型傳感器信號(hào)通常含有周期性的干擾信號(hào)和不規(guī)則的非周期性的隨機(jī)干擾，為消除這兩類不同性質(zhì)的干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)采用限幅平均濾波算法。限幅平均濾波法先要進(jìn)行限幅濾波，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定兩次采樣允許的最大偏差值A(chǔ)，每次采樣到的新值均需判斷：如果本次采樣值與上次采樣值之差小于等于A，則本次采樣值有效；如果本次采樣值與上次采樣值之差大于A，則本次采樣值無效，放棄本次采樣值，選取上次采樣值作為本次采樣值。將經(jīng)過限幅濾波法的數(shù)據(jù)再進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理，即連續(xù)采集N個(gè)采樣值組成一個(gè)隊(duì)列，根據(jù)先進(jìn)先出的原則，每次采樣得到一個(gè)新的數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾并扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算即可獲得最終濾波結(jié)果。

選取采樣頻率為5 kHz、持續(xù)時(shí)間為1 s的傳感器靜態(tài)數(shù)據(jù)和持續(xù)時(shí)間為2 s的傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，圖6是原始數(shù)據(jù)和濾波后的數(shù)據(jù)對(duì)比圖。限幅平均濾波前AD輸出值的波動(dòng)范圍在70個(gè)量化值之內(nèi)，濾波后量化值波動(dòng)降低為6，精度提高了約12倍。數(shù)據(jù)表明:限幅平均濾波器濾波效果明顯，大大改善了LDR—CA—10型傳感器位置檢測的精度。

圖6　限幅滑動(dòng)平均濾波前后對(duì)比圖Fig 6　Contrast figures before and after amplitude limit sliding average filtering

限幅平均濾波法將限幅濾波法和滑動(dòng)平均濾波法相結(jié)合，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，既可以消除尖峰脈沖干擾引起的采樣值偏差又能抑制隨機(jī)噪聲。

5實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

系統(tǒng)中,A/D轉(zhuǎn)換器AD7656屬于16 bit逐次逼近型，配置RANGE管腳后，設(shè)定滿量程電壓為±10 V，可計(jì)算其電壓分辨力為

亦即1 bit代表0.305 mV電壓，LDR—CA—10型位移傳感器輸出電壓為2～10 V，量程為10 mm，0.305 mV對(duì)應(yīng)的傳感器位移為0.381 25 μm。4.2節(jié)中濾波后的AD輸出值波動(dòng)對(duì)應(yīng)0.381 25 μm×6=2.29 μm的位移，可以實(shí)現(xiàn)μm級(jí)測量精度。

實(shí)驗(yàn)搭建了DSP & FPGA硬件平臺(tái)，選用42BYG250C型高精度步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和位移檢測基準(zhǔn)裝置，步進(jìn)電機(jī)步距離角是1.8°，可實(shí)現(xiàn)64細(xì)分。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中選取3.5 mm位置作為聚焦位置，分別采用正反向調(diào)焦進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明:正向調(diào)焦誤差4 μm，反向調(diào)焦誤差3.5 μm，滿足調(diào)焦精度要求，次鏡組運(yùn)行軌跡如圖7所示。

圖7　調(diào)焦軌跡圖Fig 7　Focusing track diagram

6結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LDR型電感式位移傳感器的自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行了介紹和分析，重點(diǎn)描述了數(shù)據(jù)采集、板間通信和信號(hào)濾波處理等部分。軟件仿真和硬件平臺(tái)驗(yàn)證結(jié)果表明：設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦功能，并取得了μm級(jí)調(diào)焦精度，滿足系統(tǒng)要求。總之，基于電感式位移傳感器的調(diào)焦機(jī)構(gòu)溫度適應(yīng)性強(qiáng)、整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可應(yīng)用于光電跟蹤系統(tǒng)、精密控制臺(tái)等場合。

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Focusing mechanism design based on inductive displacement sensor

YIN Di-di1,2,3, WANG Ya-hui1,2, GUO Gang1,2,3

(1.Key Laboratory of Optical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,China;2.Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:Focusing mechanism is an essential part of large-scale photoelectric tracking device and zoom lens, performance of whole tracking control system is directly determined by focusing precision.At present,most focusing mechanisms adopt grating ruler as acquisition of displacement and feedback unit to realize closed-loop control of system,their major shortages are bulky size and poor temperature adaptability which can not meet requirement of high temperature working environment.Design a wide temperature focusing mechanism including an inductive linear displacement sensor,a DSP & FPGA focusing control card,a stepper motor,and an electric displacement platform.System architecture, hardware implementation and software flow are introduced in detail,systematic parameters analysis and experimental results indicate that this design can satisfy requirements.

Key words:focusing mechanism; inductive displacement sensor; field programmable gate array(FPGA);digital signal processing( DSP)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0116—04

收稿日期：2015—04—13

中圖分類號(hào):TP 274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)02—0116—04

作者簡介:

殷娣娣(1987-)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。