一种基于CPLD的高速摄像同步触发装置的设计

孙倩华，马思宇

（北京航天长征飞行器研究所，北京，100076）

0 引言

高速摄像系统能够捕获高速运动物体的瞬时状态或全部历程，记录大量准确的时空信息，为研究高速现象的发生机理和运动规律提供可靠的依据。对于高速摄像系统，由于受到分辨率大和存储器容量小的限制，使得工作时间有限，只有保证高速摄像系统的工作时间正是试验中高速现象发生的时间，高速摄像系统才能够采集到足够的画幅，为试验提供有效的数据支持。因此，高速摄像系统的触发显得尤为重要。

目前，现有的触发装置虽然可以实现基本功能，但是在某些试验中，同步触发装置在接收其他系统提供的时统信号时曾出现误触发或者不触发现象，导致测试系统没有采集到有效的试验数据；因其提供的通断触发信号不是真正意义上的无源触点信号，在为电测系统提供时统信号时，还会对电测系统采集的数据造成干扰；其信号输入端欠缺有效的防干扰措施，有时甚至造成装置的损坏；另外，现有的同步触发装置不能实现输入信号的自动识别、输入线缆的在线检测及输出信号的任意设置。本文提出了一种基于CPLD的高速摄像触发装置的设计，以提高测试系统的可靠性、安全性、通用性和便捷性。

1 系统组成

图1 触发装置组成示意图

如图1所示，外部接口为1路信号输入接口（以下简称In），四路信号输出接口（以下简称Out1、Out2、Out3、Out4），以及一个电源接口（以下简称P）。信号输入接口采用BNC母头，作为时统信号的输入端，连接高速运动过程发生时刻的特征信号，信号模式兼容TTL上升沿、TTL下降沿、由通到断、由断到通四种模式；信号输出接口采用四路BNC母头，连接高速摄像机及其他测试系统的触发接口，可根据不同设备的触发要求设置为四种触发模式（TTL上升沿触发、TTL下降沿触发、由通到断信号触发、由断到通信号触发）；电源接口采用MicroUSB接口，连接具有100mA供电能力的电源适配器。

2 硬件设计

■2.1 输入信号识别电路的设计

信号识别电路用来对输入信号In_ID的状态进行识别，根据信号在不同电路中表现出的不同的电压特性的原理进行设计，其电路原理图见图2。

如图2所示，利用光耦电路对输入信号进行识别。当In_ID信号为“TTL高”时光耦1输出端In_ID1为高，光耦2输出端In_ID2为低；当In_ID信号为“TTL低”时光耦1输出端In_ID1为低，光耦2输出端In_ID2为高；当In_ID信号为“通路”时光耦1输出端In_ID1为低，光耦2输出端In_ID2为高；当In_ID信号为“断路”时光耦1输出端In_ID1为高，光耦2输出端In_ID2为高。其真值表见表1。

通过CPLD控制电路的逻辑判断，可以实时显示输入信号的状态，以供测试人员判断输入信号线的正确性。

表1 信号识别电路真值表

图2 信号识别电路原理图

■2.2 输入信号处理电路的设计

信号处理电路用来对输入信号In的变化（TTL由高到低、由低到高，由通到断、由断到通）统一转换为高低电平的跳变，以供CPLD控制电路进行捕捉，其电路原理图见图3。

如图3所示，当In_ID信号为“TTL高”时INPUT输出端为高；当In_ID信号为“TTL低”时INPUT输出端为低；当In_ID信号为“通路”时INPUT输出端为低；当In_ID信号为“断路”时INPUT输出端为高。其真值表见表2。

表2 信号处理电路真值表

通过CPLD控制电路的上升沿、下降沿检测，适时驱动四路输出信号同步跳变。图中D103、D104可以有效地防止输入端信号的瞬态干扰，大大提高了装置的可靠性。

突然间，“奉”的一声，很短促，很古怪。与之同步，几乎分毫不差，整个店堂里火光大盛。峋四爷成了一个火人，一个手舞足蹈、尖声锐叫的火人！

■2.3 输出信号调理电路的设计

本装置的输出信号调理电路分逻辑控制模块、TTL电平转换电路和开关触点信号转换电路，电路原理图见图4。

图4 TTL电平转换电路原理图

图5 触点信号转换电路原理图

图6 逻辑控制模块原理图

图3 信号处理电路原理图

如图4所示，利用芯片74HC541将CPLD输出的LSTTL信号经光耦转换后的5V电平信号转化为肖特基TTL电平；如图5所示，利用模拟开关TS5A22364-Q1将5V电平信号转化为通-断或断-通的触点信号。如图6所示，利用模拟开关的开关特性对输出模式（TTL模式、触点模式）以及输出线路进行切换，最大限度的满足了现有绝大部分测试系统的触发需求。

图7 CPLD软件流程图

3 软件设计

CPLD控制电路主要负责输入信号的识别、显示、信号的设置及同步输出，因CPLD的硬件特性，上述工作均同步进行，保证了触发装置的实时性要求。其工作原理见图7。

程序采用VerilogHDL硬件描述语言编写，核心部分为检测输入信号的电压跳变，代码示例如下。

always @ (posedge CLK)

if(!RESET)

begin

flag1 <= 1;

flag2 <= 1;

end

else

begin

flag1 <= In_put;

flag2 <= flag1;

end

assign fallingedge = flag2 &&!flag1;

assign risingedge = flag1 &&!flag2;

当检测到输入信号突变后，根据输出设置方式控制相应的信号输出。

4 结束语

本文设计的高速摄像触发装置，可以根据TTL上升沿、TTL下降沿、由断到通、由通到断四种输入信号同步输出四路输出信号，同步的时间误差为10-9s级；装置能实时显示输入信号的状态，用以检查线缆的正确性；并能分别设置信号的输出形式，输出形式为四种，分别是TTL上升沿、TTL下降沿、断-通、通-断信号；并且能抗3000V的瞬态干扰。据此方案研制的触发装置经过2年的实际使用，参与的高速拍摄拍摄任务超过上百次，没有发生误触发和漏触发现象。因此，本方案可作为类似设计的参考。