基于TMS320F2812的航空相机自动调焦系统

李保霖 方新 陈志超

(1.海军驻长春地区航空军事代表室,吉林长春 130000;2.空军参谋部,北京 100843;3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033)

航空相机是在空中对地面或海面目标进行侦察成像的光机电集成设备。由于空中的环境温度、大气压力和相对目标的成像距离的变化,都会造成航空相机产生离焦,长焦距相机的离焦现象更加明显,会严重影响图像的清晰度和分辨率。为了避免此现象的发生,需要在航空相机中采用自动调焦系统,以保持焦面稳定,获得高清晰度的图像。

自动调焦技术最早起源于20世纪70年代的民用照相机,主要包括超声波(声纳)测距法、三角测距法、光电自准直法和地面标定程序控制法等。程序控制法采用数据拟合的方法,结合光学设计给出的分析数据及地面试验得到的数据,计算得到调焦量,据此数据设计调焦控制程序,控制相机焦面的位置在最佳状态。程序控制法具有实时性好、光机结构简单的优点,尤其适用于短焦距、体积尺寸限制多的航空相机中。本文提出了一种采用程序控制法的自动调焦系统。

1 系统硬件构成

自动调焦系统如图1所示,相机控制器通过异步串行接口RS422将控制指令及成像距离信息发送给TMS320F2812,TMS320F2812通过I2C接口采集温度传感器DS18B20U的温度数据,通过MCBSP接口采集气压传感器MS5534CM的大气压力数据,根据试验室标定的标准大气环境(1个大气压、20℃)下的焦面位置,通过计算、采用数据拟合的方法得到当前环境下的焦面位置。TMS320F2812通过GPIO接口将调焦控制信号发送至功率驱动电路,控制调焦步进电机的运行,从而带动调焦镜运动到合适的焦面位置,并通过调焦编码器得到焦面位置数据。

1.1 主控芯片及供电电路

自动调焦控制系统采用TI公司的32位DSP处理芯片TMS320F2812,它是一款32位的数字信号处理器,18k的16位 ROM 128k的16位FLASH,工作频率高达150MHz,具有丰富的外部接口,完全满足系统需求。TMS320F2812通过与相机控制器通讯,接收相机控制器发来的控制指令和飞行高度参数,发送调焦分系统的当前工作状态,根据相机控制器的命令,执行自检或调焦程序。

自动调焦系统的外部电源为5V,由于TMS320F2812的外围电路供电电压为3.3V,核心芯片供电电压为1.8V,因此采用专用双路电源转换芯片TPS767D301,以产生稳定的供电电压,保证TMS320F2812的可靠工作,电路原理图如图2所示。

1.2 温度测量电路

温度传感器采用DS公司出品的DS18B20U。这是一款高精度的数字输出温度传感器,连接方便,体积小巧,测量温度范围-55℃～+150℃,整个温度范围内测温精度±0.5℃,其采用单总线(1-WIRE)接口,1个主控芯片仅用2个普通I/O就可以连接多个温度传感器。TMS320F2812通过双向IO芯片SLVC1T45与温度传感器DS18B20U进行通讯,获得相机的温度数据,温度测量电路如图3所示。

1.3 气压测量电路

气压传感器采用INTERSEMA公司出品的MS5534CM,这是一款数字输出的绝对式大气压力传感器,测量压力范围为1kPa—110kPa,精度为±0.15kPa,转换时间仅为35ms。主控芯片TMS320F2812通过SPI接口与MS5534CM进行通讯,采集大气压力数据,电路原理如图4所示。

图1 自动调焦系统原理框图

1.4 调焦电机驱动电路

调焦电机功率驱动电路采用ST公司生产的L297-L298组合电路来驱动调焦步进电机。其中L297是步进电机控制器,适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制。它只需要时钟、方向和模式输入信号,相位由内部产生,从而减轻了微处理器和程序设计的负担。L297主要由译码器,两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出控制逻辑组成,采用固定斩波频率的PWM恒流斩波方式工作。L298是用来驱动步进电机的集成电路,采用双全桥接方式驱动,由于是双极性驱动,步进电机的定子励磁绕组线圈可以完全利用,使步进电机达到最佳的驱动。

用L297输出信号可控制L298双桥驱动集成电路,用来驱动电压最高为46V,总电流为4A以下的步进电机。本文选用的步进电机为RORZE公司的RM24241S型2相步进电机,其供电电压为28V,峰值电流1.5A,所以可以采用此功率级电路来驱动步进电机,驱动电路如图5所示。

使用L297-L298的组合有以下四个优点,首先是控制的逻辑简单,仅需要三个IO端口和一个PWM端口就可以控制;其次是可以精确控制驱动电机的电流,从而控制输出转矩;而且可以精确的控制步进角,达到单个步距角0.9°的控制精度;最后是由于其采用固定斩波频率的PWM恒流斩波方式工作,可以较好的控制电机的发热现象和输出电流,不会损坏电机。

图2 电源转换电路原理图

图3 温度测量电路原理图

图4 气压测量电路原理图

2 系统软件

TMS320F2812的软件开发环境为CCS集成编译环境,采用C语言进行程序开发。自动调焦系统的软件工作流程为:首先是上电初始化,进行开机自检,默认进入到系统等待状态;然后等待相机控制器发来的指令,如果收到自检指令,就进行自检、检测温度及气压传感器是否正常,调焦电机闭环控制是否正常,然后设置相应的故障位,并自动回到等待状态;如果收到调焦指令,系统就采集当前的温度,压力,以及相机控制器通过串口发来的成像距离信息,并结合试验室标定的标准像面,采用数据拟合的方式,计算出当前条件下的像面位置,并驱动调焦反射镜移动到该位置。在相机拍照时,系统在不断的调焦,以保证成像清晰。当拍照结束后,相机控制器会发送等待指令,系统就退出准备状态,停止调焦,进入到等待状态。软件工作流程如图6所示。

图5 调焦电机功率驱动电路原理图

图6 软件工作流图

表1 自动调焦系统试验结果

3 试验结果与分析

基于以上的自动调焦系统,我们搭建了试验室测试平台。主控芯片采用TMS320F2812芯片,采用焦距200mm,相对孔径1:4的可见光镜头做为试验对象,采用1个温度传感器DS18B20U,1个气压传感器MS5534CM,通过功率芯片L297及L298驱动电路带动镜头后的CCD探测器运动,CCD探测器对固定位置的典型黑白条纹的鉴别率板成像,通过CCD探测器的图像来判断自动调焦位置是否正确。试验中,将上述整套试验设备置于低温及低压试验环境,对自动调焦系统进行了试验验证。各测试点的试验数据如表1所示。

试验中采用镜头的相对孔径1:4,则F数为4,光谱范围480nm～546.07nm～680nm,典型波长 λ为546.07nm,则半焦深 Δ 为:

根据光学系统的性质,相机允许的离焦量是相机的半焦深,所以自动调焦系统的理论允许误差为半焦深0.017mm:试验数据的最大误差为0.015mm,处于允许的误差范围内。

4 结语

本文设计并实现了基于TMS320F2812的航空相机自动调焦系统。该系统采用高速处理芯片,结合数字式传感器,能够高可靠性的工作于复杂的航空环境中。经过试验验证,该自动调焦系统能正常工作,控制精度也满足系统要求,具有广阔的应用前景。

[1]刘明,修吉宏等.国外航空侦查相机的发展[J].电光与控制,2004,11(1):56-59.

[2]常本义.高分辨率数字航测相机现状和思考[J].测绘科学与工程.2005,25(3):1-4.

[3]徐洲.一种基于图像处理的自动聚焦方法的研究[D].北京:中国科学院,2003.

[4]瞿蓬,林喜荣.一种基于图像处理的自动调焦系统[J].自动化与仪器仪表,2002,10:34-35.

[5]冯华君,毛邦福,等.一种用于数字成像的自动对焦系统[J].光电工程.2004,31(10):69-72.

[6]刘斌.基于图像技术的自动调焦方法研究与实现[D].杭州:浙江大学,2004.

[7]巩盾.温度对遥感器光学系统成像质量的影响[D].北京:中国科学院研究生院,2010.