航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)

　　本文介紹了一種基于LPC1768單片機(jī)的自主研發(fā)的航空數(shù)字?jǐn)z像機(jī)控制系統(tǒng)。利用LPC1768豐富的片上和外設(shè)資源有效完成航空航天數(shù)碼相機(jī)鏡頭和快門(mén)控制，數(shù)據(jù)傳輸，CCD驅(qū)動(dòng)單元配置等相關(guān)功能，接下來(lái)小編簡(jiǎn)單介紹一篇分析儀器論文。

　　引言

　　信息時(shí)代，信息是非常重要的資源，怎樣獲取信息是至關(guān)重要的一步，航空相機(jī)拍攝是獲取地物信息的一種重要手段。航空相機(jī)以飛機(jī)包括無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，對(duì)陸地、海洋上空進(jìn)行拍照以直接獲取重要圖像信息，在民用資源開(kāi)發(fā)及軍事情報(bào)領(lǐng)域具有重要的作用。它是一種工作要求穩(wěn)定的機(jī)械、光學(xué)及電子信息技術(shù)結(jié)合度高的自動(dòng)化設(shè)備[1-2]。隨著無(wú)人機(jī)及航空遙感技術(shù)的成熟，航空遙感及相關(guān)航空相機(jī)拍攝已逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

　　1系統(tǒng)控制方式

　　航空數(shù)碼相機(jī)在進(jìn)行拍攝時(shí)需要完成一系列的控制動(dòng)作，包括：(1)系統(tǒng)自檢，完成上電后LPC1768自身RAM、ROM，光闌及快門(mén)自檢;(2)鏡頭自動(dòng)調(diào)光，采集當(dāng)前背景光度，計(jì)算所需光圈大小及曝光時(shí)間，完成鏡頭相應(yīng)調(diào)光控制;(3)以IIC通信模式，完成CCD模塊(SAA8103)參數(shù)配置。整個(gè)系統(tǒng)中，光闌的位置控制由FL20STH30-0604A步進(jìn)電機(jī)完成。快門(mén)幕簾的上限由MAXON微型直流電機(jī)控制。選用微型電磁鐵完成快門(mén)釋放動(dòng)作�？紤]到系統(tǒng)需要完成電機(jī)控制、IIC通信模式對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行參數(shù)配置以及航空拍攝需滿(mǎn)足60%重疊率要求[3-4]，本文航拍數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)的主控芯片選用NXP的LPC1768單片機(jī)，該芯片是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的微控制器，可用于高度集成及低功耗的嵌入式需求的應(yīng)用場(chǎng)合。LPC1768集成了512k的flash存儲(chǔ)器、64k的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電機(jī)控制PWM接口、IIC接口、6輸出獨(dú)立PWM、8通道12位AD采樣接口、異步通信接口UART等豐富的外設(shè)資源，足以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)光源強(qiáng)度采樣;快門(mén)、光闌控制;異步通訊和CCD模塊參數(shù)配置的需求。

　　2航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖如圖1所示。CCD模塊參數(shù)配置通過(guò)IIC總線(xiàn)對(duì)與SAA8108模塊配置來(lái)完成[5]，光闌與幕布分別由步進(jìn)電機(jī)及微型直流電機(jī)控制，其反饋的位置信號(hào)由單片機(jī)讀取，用以檢測(cè)角度初始位置。快門(mén)控制通過(guò)控制微型磁鐵來(lái)完成。由于LPC1768最好的工作電壓在3.3V左右，因此，硬件系統(tǒng)中需設(shè)計(jì)由5V到3.3V的穩(wěn)壓電源。

　　2.2CCD驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

　　LPC1768有專(zhuān)用的IIC外設(shè)接口，電路設(shè)計(jì)時(shí)將CCD時(shí)序脈沖產(chǎn)生芯片SAA8103SIS管腳置為低電平，使其通信模式配置為IIC模式，方便與LPC1768進(jìn)行通訊。這種實(shí)現(xiàn)IIC總線(xiàn)方式不但可以占用較少的CPU資源，而且通訊更加穩(wěn)定，不易受環(huán)境干擾。硬件連接方式比較簡(jiǎn)單，LPC1768專(zhuān)用IIC接口P0.27、P0.28配置為開(kāi)漏輸出的SDA0與SCL0，+3.3V電源與總線(xiàn)之前需配置上拉電阻，具體硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)上電自檢完畢后，通過(guò)IIC總線(xiàn)將SAA8103預(yù)選設(shè)定的工作模式、波形時(shí)序等數(shù)據(jù)信息傳給其具體寄存器的各單元，由其解碼數(shù)據(jù)并分配相應(yīng)模塊完成時(shí)序脈沖信號(hào)。

　　2.3鏡頭機(jī)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)電路

　　航空數(shù)碼相機(jī)鏡頭機(jī)構(gòu)主要的部件就是快門(mén)機(jī)構(gòu)及光闌機(jī)構(gòu)[3，6]，由于航空數(shù)碼拍攝時(shí)的頻率與光闌張開(kāi)角度大小有關(guān)，因此本系統(tǒng)選用FL20STH300604A型步進(jìn)電機(jī)對(duì)光闌的位置角度進(jìn)行有效控制，鏡頭機(jī)構(gòu)控制電路如圖3所示。圖3中的“測(cè)光”是每次航拍前，都需要對(duì)相機(jī)窗口測(cè)光[7]，測(cè)取的光源模擬信號(hào)通過(guò)運(yùn)放輸入到LPC1768專(zhuān)用AD采樣口P0.23進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，依據(jù)采集到的光度信號(hào)查表控制步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)及旋轉(zhuǎn)方向，以此控制光闌。“零位置檢測(cè)”信號(hào)由光闌角度最小處時(shí)的位置反饋信號(hào)，由LPC1768的P0.19讀入。本系統(tǒng)選用的快門(mén)機(jī)構(gòu)為縱走式幕簾快門(mén)，其三連桿式的上弦機(jī)構(gòu)的上弦與回位動(dòng)作由直流電機(jī)完成，上弦到預(yù)設(shè)的位置會(huì)觸動(dòng)該位置的微動(dòng)開(kāi)關(guān)從而產(chǎn)生已上弦的信號(hào)，該信號(hào)促使LPC1768停止對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng);快門(mén)機(jī)構(gòu)中的釋放機(jī)構(gòu)通過(guò)控制電磁鐵吸合鐵桿撥動(dòng)釋放桿的方式完成快門(mén)釋放動(dòng)作。LPC1768配置P0.10、P0.11、P0.12為輸出口，分別用于幕簾上弦、幕簾釋放及幕簾控制。

　　3軟件實(shí)現(xiàn)

　　航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)軟件在LPC1768中需要實(shí)時(shí)處理，控制軟件的各功能，包括任務(wù)命令接受、拍攝數(shù)據(jù)模擬采集、拍攝狀態(tài)監(jiān)控、拍攝動(dòng)態(tài)控制等都需要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。軟件設(shè)計(jì)時(shí)盡可能合理安排各功能模塊，提高軟件的執(zhí)行效率，降低MCU的負(fù)載率。本系統(tǒng)控制軟件按模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效提高編程效率�？刂葡到y(tǒng)的軟件流程框圖如圖4所示，其中，初始化部分為L(zhǎng)PC1768內(nèi)部時(shí)鐘、寄存器、I/O口、程序變量參數(shù)、SAA8103模式初始化的配置。自檢部分是單片自身RAM、ROM、鏡頭機(jī)構(gòu)、快門(mén)機(jī)構(gòu)自檢，一旦檢測(cè)故障，系統(tǒng)停止工作。傳感器零漂檢測(cè)部分的設(shè)定是運(yùn)放電路存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，本系統(tǒng)上電后，對(duì)無(wú)光源狀態(tài)信號(hào)連續(xù)測(cè)量500次，再求平均值得出零位偏移量�？刂葡到y(tǒng)在實(shí)際航拍中，對(duì)光源的采集量都要減去該零位偏移量以獲取實(shí)際值。控制程序中斷方式通過(guò)定時(shí)器溢出信號(hào)觸發(fā)芯片AD轉(zhuǎn)換器，完成AD轉(zhuǎn)換后觸發(fā)中斷的模式完成，定時(shí)器定時(shí)周期為100ms，進(jìn)而AD采樣周期也為100ms。在中斷循環(huán)程序中，主要完成指令采集和拍照動(dòng)作，而所拍攝圖像數(shù)據(jù)處理由另一套單片機(jī)控制系統(tǒng)配合完成。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　本文基于LPC1768單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航空數(shù)碼相機(jī)通訊、CCD驅(qū)動(dòng)模塊SAA8103配置、鏡頭控制、快門(mén)控制等功能。目前所在實(shí)驗(yàn)室已成功完成對(duì)樣機(jī)的試制，通過(guò)室外航拍實(shí)驗(yàn)效果證明，所設(shè)計(jì)的航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、工作穩(wěn)定，能夠較好地完成研發(fā)任務(wù)的需求。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　閱讀期刊：儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)

　　《儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)》Instrumentation . Analysis . Monitoring(季刊)1985年創(chuàng)刊，是儀表行業(yè)學(xué)術(shù)性刊物。報(bào)道國(guó)內(nèi)外儀器儀表行業(yè)的最新消息及技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外儀器儀表的研制、工藝、材料及應(yīng)用等方面的新技術(shù)和發(fā)展動(dòng)向，同時(shí)提供技術(shù)市場(chǎng)信息和刊登一定數(shù)量的論文和資料。