基于FPGA+單片機(jī)的調(diào)焦變倍系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在光電探測(cè)領(lǐng)域中以往對(duì)相機(jī)調(diào)焦變倍多采用單片機(jī)(MCU)控制完成，其優(yōu)點(diǎn)在于易于編程實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐髮?shí)時(shí)控制相機(jī)的變倍、調(diào)焦，其程序的編寫(xiě)多采用查詢方式實(shí)現(xiàn)，這就使單片機(jī)始終處于十分繁忙的狀態(tài)，利用率降低，此外當(dāng)調(diào)焦、變倍電機(jī)到達(dá)限位位置時(shí)，由于單片機(jī)是采用查詢方式工作，這就導(dǎo)致電機(jī)到達(dá)限位與實(shí)際停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之間存在時(shí)間差，這種時(shí)間差導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，容易把電機(jī)或調(diào)焦變倍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)燒毀。文章采用單片機(jī)+FPGA方式進(jìn)行調(diào)焦變倍控制，單片機(jī)負(fù)責(zé)通信，F(xiàn)PGA根據(jù)命令實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍控制。FPGA實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度更快、此外能夠真正實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到限位位置能夠及時(shí)停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，有效避免堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；調(diào)焦變倍；限位點(diǎn)

0 引言
    在光電測(cè)量領(lǐng)域中，常常需要使用長(zhǎng)焦距、大口徑的光學(xué)相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。這種相機(jī)由于變倍比比較大，為了使不同距離的目標(biāo)均能在像面成清晰的像，除了需要控制倍率的變化外，還需要對(duì)聚焦位置進(jìn)行微調(diào)。以往對(duì)這種光學(xué)相機(jī)變倍調(diào)焦的控制比較常用的方法是采用單片機(jī)來(lái)完成。采用單片機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)在于編程方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)在于由于需要控制監(jiān)測(cè)的信號(hào)有變倍電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、調(diào)焦電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、變倍電機(jī)分別走到兩頭的兩個(gè)限位信號(hào)、調(diào)焦電機(jī)分別走到兩頭的兩個(gè)限位信號(hào)，這些信號(hào)均要實(shí)時(shí)控制監(jiān)測(cè)，因此通常需要采用查詢的方法進(jìn)行編程處理，這種方法的好處在于能夠及時(shí)地控制相機(jī)的變倍調(diào)焦，缺點(diǎn)在于由于頻繁的查詢硬件狀態(tài)，使得單片機(jī)始終處于繁忙的工作狀態(tài)，工作效率低。此外由于單片機(jī)是以固定周期進(jìn)行查詢，這常常導(dǎo)致檢測(cè)到電機(jī)運(yùn)行到限位狀態(tài)與停止電機(jī)運(yùn)動(dòng)存在時(shí)間差，該時(shí)間差可導(dǎo)致電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，易于損壞電路板及電機(jī)。
    本文設(shè)計(jì)了一種光學(xué)相機(jī)調(diào)焦變倍控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)以FPGA+單片機(jī)(MCU)為核心芯片，其中控制電機(jī)運(yùn)行的命令通過(guò)中斷的方式發(fā)出，保證電機(jī)實(shí)時(shí)接到命令即運(yùn)動(dòng)起來(lái)，當(dāng)電機(jī)到達(dá)限位位置FPGA得到限位狀態(tài)，馬上發(fā)出停止信號(hào)，斷掉電機(jī)管腳上的電，使電機(jī)馬上停止下來(lái)。此方法同以往方法相比的好處在于控制電機(jī)的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，能夠有效地控制相機(jī)變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、停止，同時(shí)避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)，以致燒毀電機(jī)或電路板。

1 硬件組成
    基于FPGA+單片機(jī)的調(diào)焦變倍系統(tǒng)主要包括MCU、通信模塊、FPGA(可編程邏輯器件)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光耦模塊、電機(jī)組成，其組成框圖如圖1所示。其中MCU采用AD公司的ADU812，該款芯片除具有單片機(jī)的通用功能外，還具有AD轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)光學(xué)鏡頭需要實(shí)時(shí)回傳當(dāng)前位置信息時(shí)，可通過(guò)把電位計(jì)同電機(jī)連接到一起，把電位計(jì)的輸出端接到該MCU的AD輸入口，通過(guò)程序可讀到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)到的位置；通信模塊采用16C650，該通信模塊可把MCU的并行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇行盘?hào)傳遞出去；FPGA采用EP1K100-208I，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298，該芯片具有兩路電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)；光耦模塊采用歐姆龍的EP470，該光耦模塊接法簡(jiǎn)單，并且模塊上具有燈光指示，通過(guò)燈光可知道當(dāng)前狀態(tài)；電機(jī)采用瑞士電機(jī)。

1．1 工作原理
    人機(jī)交互模塊通過(guò)通信模塊向MCU發(fā)送調(diào)焦變倍命令，MCU通過(guò)中斷接收到命令，實(shí)時(shí)傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA接到命令后，依照命令向調(diào)焦變倍驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送相應(yīng)的邏輯電平，調(diào)焦變倍驅(qū)動(dòng)電路接到相應(yīng)邏輯后，向相應(yīng)的控制電機(jī)發(fā)送正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)電壓，使電機(jī)根據(jù)命令正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到限位位置時(shí)，光耦模塊作為傳感器檢測(cè)到相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)到限位位置，把限位狀態(tài)傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA接到限位信號(hào)立刻向調(diào)焦變倍驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送信號(hào)，使其輸出為零電壓，電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這里使用FPGA完成控制的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)對(duì)FPGA編程即可實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍；監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置；實(shí)時(shí)停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到限位位置能及時(shí)迅速地使電機(jī)停止。
1．2 FPGA控制模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    FPGA具有高集成度、高可靠性以及開(kāi)發(fā)工具智能化等特點(diǎn)，目前逐步成為復(fù)雜數(shù)字電路設(shè)計(jì)的理想首選。此外FPGA可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)硬件的邏輯功能，大大減少了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。因此本文以FPGA為核心器件進(jìn)行調(diào)焦變倍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，這里選用ALTERA公司的EP1K100 -208I，采用VHDL語(yǔ)言編程生成調(diào)焦變倍控制信號(hào)、限位信號(hào)檢測(cè)邏輯、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使能控制信號(hào)。系統(tǒng)上電后，當(dāng)MCU接收到人機(jī)交互機(jī)構(gòu)發(fā)來(lái)的調(diào)焦變倍控制命令后，立即把該命令傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA接到控制命令，轉(zhuǎn)換成實(shí)際控制信號(hào)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接到控制信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)調(diào)焦變倍的控制。FPGA對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制原理圖如圖2所示。其中MFOCUS STOP、FOCUS STOP分別為FPGA向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出的變倍電機(jī)和調(diào)焦電機(jī)控制使能信號(hào)；MFOCUS+、MFOCUS-為FPGA發(fā)送的變倍控制信號(hào)，F(xiàn)OCUS+、FOCUS-為FPGA發(fā)送的調(diào)焦控制信號(hào)；變倍電機(jī)+和變倍電機(jī)-為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出的控制變倍電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電壓，調(diào)焦電機(jī)+和調(diào)焦電機(jī)-為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出的控制調(diào)焦電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電壓。當(dāng)相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)到限位點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)PGA向?qū)?yīng)使能端發(fā)送低電平信號(hào)，則無(wú)論相應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào)是何種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中的電壓輸出信號(hào)均為零電平，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到限位點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的使能端被FPGA置為高電平，F(xiàn)PGA通過(guò)向變倍控制端和調(diào)焦控制端發(fā)送相應(yīng)信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出相應(yīng)電壓。FPGA發(fā)送的使能信號(hào)、電機(jī)控制信號(hào)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出的電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1和表2所示。其中X表示為任意電平。

1．3 MCU模塊及通信模塊
    在本設(shè)計(jì)中MCU主要作為通信管理芯片，實(shí)現(xiàn)與人機(jī)交互模塊進(jìn)行通信。操作者通過(guò)人機(jī)交互模塊向通信模塊發(fā)送變倍調(diào)焦命令，通信模塊把該命令轉(zhuǎn)發(fā)給MCU，MCU以中斷方式接收命令實(shí)時(shí)傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)變倍調(diào)焦控制。FPGA對(duì)光耦模塊的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并把該狀態(tài)通過(guò)MCU模塊和通信模塊傳遞給人機(jī)交互模塊，使操作者能掌握當(dāng)前相機(jī)狀態(tài)。因?yàn)槿藱C(jī)交互模塊發(fā)送數(shù)據(jù)較頻繁，為了防止MCU出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，這里沒(méi)有直接應(yīng)用人機(jī)交互模塊的通信口與MCU的串口連在一起，而是通過(guò)通信模塊把二者聯(lián)系起來(lái)。這里通信模塊采用了一片16C650，該芯片優(yōu)點(diǎn)在于內(nèi)部具有32字節(jié)的FIFO，可起到數(shù)據(jù)緩存的作用，使MCU能夠穩(wěn)定可靠地接收數(shù)據(jù)。
1．4 光耦模塊
    光耦模塊主要起到實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前電機(jī)是否運(yùn)行到限位點(diǎn)的作用，如果電機(jī)沒(méi)有運(yùn)行到限位點(diǎn)，光耦模塊向FPGA輸出0電平，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到限位點(diǎn)時(shí)光耦模塊向FPGA輸出1電平。為了便于觀察和調(diào)試，這里選用歐姆龍的EX470P型光耦，該光耦通過(guò)指示燈，可指示出光耦當(dāng)前輸出狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)
    本文軟件設(shè)計(jì)主要對(duì)MCU和FPGA進(jìn)行編程。其中對(duì)MCU編程主要應(yīng)用C語(yǔ)言進(jìn)行，對(duì)FPGA主要應(yīng)用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。其中MCU程序框圖如圖3所示。FPGA程序流程框圖如圖4所示。

3 結(jié)論
    本文介紹了一種基于FPGA的連續(xù)可變焦距相機(jī)的變倍調(diào)焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)同以往單純使用MCU完成變倍調(diào)焦功能的系統(tǒng)相比，采用FPGA控制調(diào)焦、變倍，能夠更快地實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)、停止，對(duì)于防止電機(jī)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到限位位置沒(méi)有及時(shí)發(fā)出停止操作而產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，進(jìn)而造成電機(jī)毀壞或控制系統(tǒng)毀壞具有一定效果，因此具有一定應(yīng)用價(jià)值。