測繪相機調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

侯丹，陳雷，何欣

（北京空間機電研究所 北京100094）

測繪相機調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

侯丹，陳雷，何欣

（北京空間機電研究所 北京100094）

隨著航天技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，使用高分辨率測繪相機對地觀測已成為獲取地理空間信息的一種重要手段。調(diào)焦控制電路對相機的調(diào)焦精度是影響測繪相機成像的重要因素。為保證調(diào)焦控制電路對調(diào)焦步進電機的控制精度，保證調(diào)焦機構(gòu)控制的準確性。文中提出一種測新型的繪相機調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)，利用新型中斷式信號采集方法從電機控制端檢測并監(jiān)視調(diào)焦控制電路輸出控制波形。介紹了檢測系統(tǒng)的原理、信號采集方式；給出該系統(tǒng)的組成，硬件軟件的實現(xiàn)。實驗證明，該系統(tǒng)為調(diào)焦電路準確控制輸出提供可靠依據(jù)。

測繪相機；調(diào)焦控制；直線步進電機；檢測與監(jiān)視

測繪相機是空間對地觀測的一種重要工具，為實現(xiàn)軍事情報現(xiàn)代化、預(yù)防自然災(zāi)害起了極其重要的作用[1-4]。某型號由于焦面體積較大，調(diào)焦可利用空間較小，在拼接基座的兩端各安裝一個直線步進電機調(diào)焦的驅(qū)動。由于該型號采用兩路調(diào)焦電路、存在調(diào)焦時間長，輸出脈沖給的個數(shù)較多，容易產(chǎn)生兩路調(diào)焦電路輸出脈沖的個數(shù)不一致，運行時間不一致，導致步進電機輸出控制與預(yù)想產(chǎn)生偏差。目前國內(nèi)調(diào)焦機構(gòu)的精度探測檢測利用搭建機械機構(gòu)及超精細部件進行檢測[5]或者利用“電源柜-電機-測功機”[6]的方式進行檢測。首先這些方法體積大，成本高，外場檢測不易攜帶；另外并不能實際反應(yīng)調(diào)焦電路對電機的控制狀態(tài)監(jiān)控。

文中提出了一種新型的測繪相機調(diào)焦電機控制檢測系統(tǒng)，搭建了檢測平臺，通過利用新型中斷式信號采集方法對兩路調(diào)焦電路輸出波形實時檢測和處理，分析輸出方向和步數(shù)，并對比兩路輸出波形。本檢測系統(tǒng)從電機控制端精確采集控制輸出波形，從電機根本控制角度為測繪相機調(diào)焦實現(xiàn)精確控制的提供依據(jù)，并且具有體積小，成本低，方便外場檢測的優(yōu)點。

1　直線步進電機驅(qū)動原理

直線步進電機一種是能夠?qū)㈦娏髅}沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉街本€運動的驅(qū)動設(shè)備。直線步進電機憑借其高效的高速定位、高可靠性以及高密度性的數(shù)字式直線運動隨動系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在精確直線運動運行的領(lǐng)域[7-8]。

直線步進電機受脈沖信號控制，每接收到一個脈沖控制信號，就改變一次勵磁狀態(tài)，驅(qū)動器按設(shè)定方向驅(qū)動電機行駛一個固定步距。脈沖輸入越多，運行步距越多，即運行的距離越長；輸入脈沖頻率越高，速度越快；勵磁狀態(tài)改變的順序不同，電機運行的方向就不同。因此通過控制脈沖有無，可控制電機的啟動、停止；通過控制脈沖個數(shù)可控制電機位移量，達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率可控制直線步進電機的速度，達到調(diào)速的目的；通過控制勵磁狀態(tài)改變的順序，可控制電機的運行方向[9]。

調(diào)焦電路采用脈沖激勵控制方式。直線步進電機被驅(qū)動時，定子繞組中的周期變化的脈沖電流轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場耦合，內(nèi)聯(lián)螺桿的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)出力，可驅(qū)動與螺桿配合的螺母實現(xiàn)直線方向的前后運動[10]。調(diào)焦控制電路設(shè)計電路，產(chǎn)生周期變化的脈沖，周期改變勵磁狀態(tài)以驅(qū)動電機。直線電機控制原理圖如圖1所示。勵磁狀態(tài)改變的方向控制直線步進電機的正反轉(zhuǎn)，直線步進電機控制輸出轉(zhuǎn)動如圖2所示。

圖1　直線電機控制原理示意圖

圖2　步進電機轉(zhuǎn)動輸出波形示意圖

2　系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1總體設(shè)計方案

測繪相機調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)的目的是準確采集兩路調(diào)焦電路輸出的控制驅(qū)動波形，并對采集到的兩路波形進行分析對比，給出電機輸出步數(shù)和方向并記錄波形，為調(diào)焦電機控制提供檢測和提供依據(jù)[11-13]。為實現(xiàn)該功能，系統(tǒng)包含兩個部分，信號采集部分和數(shù)據(jù)處理部分。信號采集部分來采集調(diào)焦電路輸出的控制波形；數(shù)據(jù)處理部分對采集的兩路波形對比分析。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　測繪相機調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)圖

2.2信號采集算法分析

調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)的最重要部分就是如何準確的采集調(diào)焦機構(gòu)輸出的控制信號。目前常規(guī)的波形檢測方法為采樣型信號檢測方法，但是由于采樣型信號檢測方法的缺點，本文根據(jù)調(diào)焦電路的固有的控制特點，提出了一種新型的調(diào)焦電路控制波形檢測方法--中斷式信號采集方法。

1）采樣型信號采集方法

根據(jù)香農(nóng)采樣原理，為了不失真的恢復(fù)模擬信號，采樣頻率應(yīng)該不小于模擬信號頻率中最高頻率的2倍。即

若要采用這種方法，中央控制單元利用大于調(diào)焦電路輸出的波形的頻率2倍，將采集到的信號傳送到上位機處理，采集方式如圖4，中央控制單元定時讀取調(diào)焦電路輸出的電壓電平，并在固定時間將采集到的電平傳輸?shù)缴衔粰C進行處理，上位機用來恢復(fù)波形信號。

圖4　采樣信號采集示意圖

在本項目中，直線步進電機輸出控制頻率在50～100 Hz，根據(jù)公式（1），要保證信號采集的完整性，采樣頻率不低于200 Hz。實驗中，系統(tǒng)控制單元按照500 Hz采集信號，判斷信號的高低狀態(tài)，記錄后傳輸?shù)缴衔粰C，這種采集方式通用性較強，但是這種方案占用較多的控制單元的定時器、內(nèi)存等資源，并且當信號采集時剛與信號上下跳動時重合，會判斷不準確的現(xiàn)象，以致判斷丟步。

2）中斷式采集方式

根據(jù)直線步進電機驅(qū)動原理，直線步進電機的運動是靠信號給予的脈沖而產(chǎn)生的，即電機每走一步，都會有輸出信號的變動[14-15]。利用調(diào)焦電路控制波形的特點，該系統(tǒng)采集點為信號變化的點，延時1 ms后采集信號電平。由于控制波形的頻率最大為100 Hz，故可以準確采集信號的電平，采集示意圖如圖 5所示。這種控制方式并不需要頻繁的占用定時器中斷，當外部信號發(fā)生變化時，開啟計時功能，并采集電平，而且不會出現(xiàn)在信號電平與采樣時沖突的問題。該算法步進準確可靠，而且可以節(jié)省CPU資源。故采用該種方案來采集電機控制驅(qū)動信號。

圖5　中斷式信號采集示意圖

3　硬件電路設(shè)計

直線步進電機高電平信號幅度在5 V±5%之間；每相電流負載能力1.3 A。為了保護調(diào)焦電路，采用高速光電隔離器接收信號。信號收到后利用74LS14器件對信號波形進行整形，直接將信號送往中央控制單元。中央控制單元捕捉脈沖沿后延時采集信號電平。

硬件部分分為電源模塊、調(diào)試模塊、中央控制模塊、信號隔離與整形模塊、CAN總線通訊模塊。

電源模塊主要將5 V電源轉(zhuǎn)換為CPU使用的3.3 V電源。電源將信號模擬地和數(shù)字地隔開。供電電路如圖6所示。

調(diào)試模塊為JTAG調(diào)試。為控制系統(tǒng)的成本和集成度，本文中央控制模塊采用ARM-Cortex系列LPC1700為核心控制器，該芯片支持32路的外部IO中斷，滿足該信號的采集精度要求。

信號隔離與整形模塊是采集的核心模塊。保證信號采集的準確性并隔離保護調(diào)焦電路。在這里采用5 V高速光電隔離6N137器件，該芯片具有溫度、電流和電壓的補償功能，高速的輸入輸出隔離，5 mA的極小輸入電流。其中輸入的正端接調(diào)教信號的5 V電壓，負端接調(diào)焦驅(qū)動的控制端。采集到的信號通過反相器SN74HC14D進行整形后輸入到單片機的外部中斷口。電路設(shè)計如圖7所示。

圖6　系統(tǒng)電源模塊電路圖

圖7　信號隔離和整形模塊電路圖

CAN總線通訊模塊，是將采集到信號處理后將信號的信息傳輸?shù)缴衔粰C。LPC1700單片機內(nèi)部含有CAN控制器，所以只要將CAN收發(fā)器CTM1050T與CAN總線接口的TXD 和RXD相連，就可以實現(xiàn)CAN通訊。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括嵌入式軟件設(shè)計和上位機處理軟件。

嵌入式軟件主要是信號采集、信號處理和CAN總線通訊功能。具體框圖如圖8所示。

圖8　嵌入式軟件框圖

上位機軟件主要作用是處理信號功能，分析給出信號轉(zhuǎn)動的步數(shù)和正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，給出信號波形，并對兩路調(diào)焦電路輸出波形進行對比，反應(yīng)調(diào)焦電路的控制精度。上位機利用Visual C++軟件進行編程，屏幕包括開始測試，數(shù)據(jù)導出，轉(zhuǎn)速和方向和步數(shù)的顯示。

調(diào)焦裝置的步數(shù)即為驅(qū)動波形變化次數(shù)，波形每次變化，電機運行一步，也就是上位機軟件接收到一次CAN總線數(shù)據(jù)，步數(shù)N+1。當長時間（2 s）沒有收到數(shù)據(jù)時，及認為電機停止轉(zhuǎn)動。上位機停止計數(shù)并給計數(shù)器清零。

調(diào)焦裝置的直線步進電機每步1.8°，時間間隔為ΔT，步數(shù)為N及電機的轉(zhuǎn)速v如式（2）：

轉(zhuǎn)動方向的判斷方式：

根據(jù)圖2的對比，觀測AB兩項電壓，若AB兩項電壓差為高，前半部分CD兩項電壓差為低，后半部分CD兩項電壓差為高，可以判斷步進電機正轉(zhuǎn)；若前半部分CD兩項電壓差為高，后半部分CD兩項電壓差為低，可以判斷步進電機反轉(zhuǎn)。

當電機轉(zhuǎn)動停止后，上位機對比采集到的兩路調(diào)焦控制信號，對比兩路轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)動速度和步數(shù)，判斷電機運行是否一致。為調(diào)焦電路精確控制直線步進電機提供依據(jù)。

5　案例分析

在實踐應(yīng)用中，連接調(diào)焦控制電路與調(diào)焦控制檢測裝置，采集調(diào)焦信號，調(diào)焦電路實際發(fā)送電機為64步，但是檢測系統(tǒng)對對其中一路調(diào)焦電路檢測到的信號為走了65步。對比兩路調(diào)焦電路信號輸出，并利用示波器對改路調(diào)焦電路輸出信號進行分析。發(fā)現(xiàn)該路調(diào)焦控制電路在初始化過程中，將本來應(yīng)該低電平信號拉高，發(fā)生錯誤。

6　結(jié)　論

實踐證明測繪相機調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)體積小，成本低。并能準確檢測到調(diào)焦控制電路對直線步進電機的控制信號，并能準確的對調(diào)焦控制信號進行分析。為調(diào)焦控制電路裝置準確控制電機，全面掌握步進電機性能提供了有力的依據(jù)。

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The design of focusing-circuits-controlling detecting system on mapping camera

HOU Dan，CHEN Lei，HE Xin
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

With the development of aerospace and information technology，high-resolution mapping camera has become important way to detect geography information.The resolution of focusing circuit affects the image quality of mapping camera. In order to control the resolution of focusing circuit，the paper brings out a system which can detect and monitor the wave of focusing circuit.And introduce the principle，the way of collecting signal.The paper also introduce constitutes of the system and how to design software and hardware.Experiments prove that this system gives reliable basis for exactly controlling the focusing circuit.

mapping camera；focusing-controlling；linear stepping motor；monitor and detection

V19

A

1674－6236（2016）22-0164-04

2015-11-20稿件編號：201511199

侯 丹（1985—），女，遼寧綏中人，碩士，工程師。研究方向：遙感器設(shè)計。