如何基于TMS320LF2407設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)？

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，使具有快速和高精度處理能力的DSP出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種通過DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制的系統(tǒng)，可以使常規(guī)方式無法進(jìn)行的拍攝工作變得輕松，并能達(dá)到理想效果。實(shí)現(xiàn)了相機(jī)快速到達(dá)指定位置，進(jìn)行5點(diǎn)拍攝，并確保拍攝到的圖像不失真。

1系統(tǒng)原理

基于TMS320LF2407的運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1基于DSP的運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)框圖

DSP在GPIO的驅(qū)動(dòng)下將輸入的指令進(jìn)行處理，經(jīng)過光電耦合和功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，步進(jìn)電機(jī)和相機(jī)機(jī)架上的齒輪結(jié)構(gòu)連接，控制相機(jī)完成5點(diǎn)拍攝工作。

運(yùn)動(dòng)相機(jī)的控制原理如圖2所示。運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)需要完成相機(jī)在某個(gè)時(shí)刻快速運(yùn)動(dòng)到指定位置1點(diǎn)，立即停止，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)拍照并保證圖像清晰，然后以同樣標(biāo)準(zhǔn)在位置2點(diǎn)、位置3點(diǎn)、位置4點(diǎn)、位置5點(diǎn)拍照，再按原路快速返回到位置1點(diǎn)，等待下一個(gè)拍攝周期的到來。

圖2運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制原理

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)中，需要控制相機(jī)做“重復(fù)啟停”運(yùn)動(dòng)，即在某些時(shí)刻要求相機(jī)快速運(yùn)動(dòng)，在特定時(shí)刻迅速停止，并能保證停止時(shí)相機(jī)靜止不動(dòng)，確保拍攝到的圖像不失真。因此要求所選電機(jī)應(yīng)易于啟停控制的同時(shí)，還要具有鎖定能力。本系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。

步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的，是一種將有效電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移或直線位移的開環(huán)控制元件。步進(jìn)電機(jī)通過專用的電源把電脈沖信號(hào)按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的脈沖磁場(chǎng)，使每給步進(jìn)電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就移動(dòng)一步。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于輸入脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)數(shù)，不需要反饋信息和A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為可控角位移。步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差、可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速、具有一定的自鎖能力和易于啟?？刂频忍攸c(diǎn)，非常適合運(yùn)動(dòng)相機(jī)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)如圖3所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)和負(fù)載已經(jīng)確定之后，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動(dòng)電源和控制方法，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由脈沖信號(hào)、信號(hào)分配、功率放大器幾部分組成。脈沖分配方式采用軟件脈沖分配，采用軟件進(jìn)行脈沖分配不用改變硬件線路，只需修改軟件程序就能完成控制方案修改，不僅降低了成本，還提高了可靠性。

圖3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)電機(jī)所帶負(fù)載相機(jī)的動(dòng)力學(xué)要求、控制相機(jī)掃拍過程中電機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相機(jī)曝光時(shí)間的關(guān)系，選擇使用ASM46AK-H100的諧波減速步進(jìn)電機(jī)。 ASM46AK—H100步進(jìn)電機(jī)減速比為1：100，最高分辨率設(shè)定為0.36(°)/脈沖，轉(zhuǎn)矩為5N.m，最大轉(zhuǎn)矩為11N.m，電源輸入電流為 1.7A，電源輸入電壓DC24V，最大輸入脈沖頻率為250kHz(脈沖占空比50時(shí))，速度/位置控制指令是脈沖序列輸入，容許速度范圍為0～24r /min，能滿足CCD的要求。在過載保護(hù)、過壓保護(hù)、速度差異常保護(hù)、速度過快、EPROM數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、傳感器異常、系統(tǒng)異常等保護(hù)功能工作時(shí)，輸出警報(bào)信號(hào)，電動(dòng)機(jī)自然停止。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇配套的ASD18A-K驅(qū)動(dòng)器，ASD18A-K驅(qū)動(dòng)器提供控制用電源、轉(zhuǎn)速控制脈沖、運(yùn)動(dòng)方向控制脈沖、A相脈沖輸出、B相脈沖輸出、定時(shí)、警報(bào)、分辨率轉(zhuǎn)換和電流切換等電氣接口。ASD18A-K驅(qū)動(dòng)器可以通過功能轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)節(jié)分辨率、脈沖輸入方式、電流大小，轉(zhuǎn)速大小等，合理選擇參數(shù)可以抑制低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，使啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)作更為平穩(wěn)。

DSP選擇高性價(jià)比且性能優(yōu)異的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407，集成了A/D、PWM發(fā)生器、光電編碼器、接口電路等片內(nèi)外設(shè)。具有豐富的片上資源，544BDARAM，2KBSARAM，32KBFLASH，2個(gè)事件管理器(每個(gè)均包含2個(gè)16位的通用定時(shí)器、8個(gè)PWM通道、3個(gè)捕獲單元)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM波形，16通道10位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns的ADC模塊實(shí)現(xiàn)模擬控制量的A/D轉(zhuǎn)換、豐富的外部存儲(chǔ)器接口(192K×16b：64KB的程序存儲(chǔ)器，64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64KBI/O實(shí)現(xiàn)DSP與鍵盤及液晶顯示光電耦合器起隔離和電壓轉(zhuǎn)換的作用)、看門狗模塊、CAN、SCI、多個(gè)GPIO、5個(gè)外部中斷、PLL等。非常高的運(yùn)算性能，最高可達(dá)40MIPS，指令周期25ns.具有豐富的開發(fā)資源，JTAG、CCS、完備的技術(shù)文檔支持、144pinLQFP封裝。TMS320LF2407的I/O輸出是3.3V的CMOS電平，采用245緩沖器轉(zhuǎn)換成TTL電平后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ASD18A-K，ASD18A-K完成細(xì)分、環(huán)形分配和功率驅(qū)動(dòng)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序由主程序、子程序和中斷子程序組成，主程序完成系統(tǒng)初始化及各變量的初始化，子程序完成各控制面板的掃描，中斷子程序?qū)崿F(xiàn)控制面板上各參數(shù)設(shè)定的功能。相機(jī)控制流程圖如圖4所示。

圖4相機(jī)控制流程圖

由于TMS320LF2407通過I/O口和驅(qū)動(dòng)器連接，需要對(duì)接口初始化定義，IOPC5被配置為基本功能方式;PWM3IOPB2，IOPB5被配置為通用I/O方式;IOPC5被配置為通用I/O方式;在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，充分運(yùn)用TMS320LF2407控制器的事件管理模塊。在 TMS32OLF24O7中各有一個(gè)16位比較寄存器CMPRx(x=4、5、6)，每個(gè)比較寄存器各有兩個(gè)比較PWM輸出引腳，產(chǎn)生3路PWM輸出信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速(位置)，其輸出引腳極性將由控制寄存器(ACTR)的控制位來決定，根據(jù)需要選擇高電平或低電平作為開通信號(hào)。在PWM后號(hào)調(diào)制中需要周期一定的載波，這時(shí)用到了定時(shí)器3，它以內(nèi)部CPU時(shí)鐘作為輸人，工作于連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式下，產(chǎn)生PWM脈沖輸出，產(chǎn)生的脈沖為一個(gè)環(huán)形可變脈沖，這時(shí)由T3PR定時(shí)周期下溢和上溢時(shí)產(chǎn)生中斷，刷新周期值，進(jìn)行PWM調(diào)整。