基于MSP430 單片機(jī)的光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研究方案

　　研究設(shè)計(jì)中利用光敏感器件對(duì)特定光波長范圍的光信號(hào)敏感原理，將四象限光電位置探測器與MSP430系列單片機(jī)相結(jié)合，根據(jù)四象限光電探測器輸出電壓與光斑位置的線性關(guān)系，通過數(shù)字PID閉環(huán)控制輸出電壓調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出PWM 的占空比來實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的搜尋和小范圍跟蹤目標(biāo)。

　　0 引言

　　光電跟蹤系統(tǒng)是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為基石，將光學(xué)技術(shù)、電子/微電子技術(shù)和精密機(jī)械技術(shù)等融為一體，形成具有特定跟蹤功能的裝置。

　　目前國內(nèi)外較先進(jìn)的光電跟蹤系統(tǒng)多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構(gòu)成。采用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)控制起來還不太靈敏。對(duì)于一個(gè)光電追蹤系統(tǒng)，一般通過目標(biāo)識(shí)別、位置信號(hào)檢測、位置信號(hào)處理、PID伺服控制計(jì)算、驅(qū)動(dòng)控制、位置反饋、目標(biāo)不間斷跟蹤，完成特定跟蹤任務(wù)。而與之配套的目標(biāo)識(shí)別檢測處理與PID 伺服控制實(shí)現(xiàn)是非常重要的部分，是保證整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。

　　為更好地實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤伺服系統(tǒng)，本方案中使用MSP430 單片機(jī)完成對(duì)目標(biāo)定位跟蹤的PID 閉環(huán)控制，采用S066A 的國產(chǎn)四象限探測對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別跟蹤定位。MSP430 單片機(jī)是美國TI（德州儀器）公司近年推出的16 位高性能混合信號(hào)處理器。由于它具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、集成度高、外部設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。S066A國產(chǎn)四象限探測器光譜響應(yīng)范圍在400~1 100 nm,它的峰值波長為940 nm,它具有較高的靈敏度和精確度，廣泛運(yùn)用于位置檢測，光學(xué)定位，距離探測等方面。

　　本研究方案的意義在于一方面對(duì)四象限探測器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣；另一方面探索一種新的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。

　　1 總體設(shè)計(jì)方案

　　整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要由機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)兩部分組成。

　　機(jī)械部分中目標(biāo)實(shí)時(shí)位置信號(hào)發(fā)生源采用四象限探測器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，并輸出包含目標(biāo)位置信息的4 路電信號(hào)，電機(jī)傳動(dòng)跟蹤定位則是根據(jù)四路位置信號(hào)來驅(qū)動(dòng)探測器所在的定位面板對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索和鎖定。機(jī)械部分將探測和定位集為一體，目標(biāo)可見即可識(shí)，電機(jī)與定位面板的傳動(dòng)以角位移為變量進(jìn)行快速方便的傳動(dòng)。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)部分中MSP430F169 片內(nèi)集成了多個(gè)功能模塊。

　　本設(shè)計(jì)利用其作為處理核心，其片內(nèi)A/D模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。一方面Timer 對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻從而提高時(shí)鐘頻率，使A/D獲得更快的采樣率或轉(zhuǎn)換速度，以保證A/D 轉(zhuǎn)換的精度；另一方面Timer的輸出端單元可作為PWM信號(hào)發(fā)生器根據(jù)片內(nèi)編程進(jìn)行PID 高速運(yùn)算處理所得結(jié)果產(chǎn)生PWM 輸出控制信號(hào)，設(shè)置簡單方便簡化了電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。接收前端的位置信號(hào)使用低偏置，高精密度放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，利用濾波器對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足更好的精度和定位要求。在控制信號(hào)輸出端采用現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。基于總體設(shè)計(jì)方案，本文將其劃分為4個(gè)不同但又彼此相互作用的4個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)該研究。具體包括硬件電路設(shè)計(jì)、機(jī)械模擬模型設(shè)計(jì)、PID算法設(shè)計(jì)以及軟件編程。

　　2 硬件模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件電路設(shè)計(jì)原理

　　依據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，硬件電路主要由電源模塊、四象限信號(hào)放大處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及相關(guān)輔助模塊構(gòu)成（見圖2）。

　　四象限探測器可探測波長范圍（380~1 100 nm），其原理是將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。但由于其輸出電流信號(hào)較小，四象限探測器的預(yù)處理模塊電路實(shí)現(xiàn)將電流信號(hào)經(jīng)放大和運(yùn)算處理，并將電流轉(zhuǎn)化為單片機(jī)A/D能夠采集到電壓范圍0~2.5 V.采樣的數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)內(nèi)的數(shù)字濾波和算法的運(yùn)算，進(jìn)而控制PWM波的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。

　　2.2 機(jī)械模擬機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

　　模擬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感源于地動(dòng)儀的設(shè)計(jì)原理，采用兩個(gè)不同的軸來調(diào)節(jié)兩個(gè)不同但相關(guān)的平面實(shí)現(xiàn)四象限探測器的大范圍搜尋目標(biāo)的目的，模型圖如圖4所示。