基于DSP的運動相機控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種基于DSP的運動相機控制系統(tǒng)，對相機做“重復(fù)啟停”運動進行控制。使用TMS320LF2407控制ASM46AK—H100諧波減速步進電機，驅(qū)動相機很快到達指定位置進行拍照，實驗數(shù)據(jù)表明可以重復(fù)拍攝周期且圖像清晰。
關(guān)鍵詞：DSP；運動相機；步進電機；重復(fù)啟停

0 引言
    隨著計算機和信息技術(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)計了一種通過DSP實現(xiàn)對運動相機控制的系統(tǒng)，可以使常規(guī)方式無法進行的拍攝工作變得輕松，并能達到理想效果。實現(xiàn)了相機快速到達指定位置，進行5點拍攝，并確保拍攝到的圖像不失真。

1 系統(tǒng)原理
    基于TMS320LF2407的運動相機控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    DSP在GPIO的驅(qū)動下將輸入的指令進行處理，經(jīng)過光電耦合和功率放大后，驅(qū)動步進電機工作，步進電機和相機機架上的齒輪結(jié)構(gòu)連接，控制相機完成5點拍攝工作。

    運動相機的控制原理如圖2所示。運動相機控制系統(tǒng)需要完成相機在某個時刻快速運動到指定位置1點，立即停止，對準目標拍照并保證圖像清晰，然后以同樣標準在位置2點、位置3點、位置4點、位置5點拍照，再按原路快速返回到位置1點，等待下一個拍攝周期的到來。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    在運動相機控制系統(tǒng)中，需要控制相機做“重復(fù)啟停”運動，即在某些時刻要求相機快速運動，在特定時刻迅速停止，并能保證停止時相機靜止不動，確保拍攝到的圖像不失真。因此要求所選電機應(yīng)易于啟?？刂频耐瑫r，還要具有鎖定能力。本系統(tǒng)采用運動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的步進電機作為執(zhí)行元件。
    步進電機是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計的，是一種將有效電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移或直線位移的開環(huán)控制元件。步進電機通過專用的電源把電脈沖信號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)磁場的脈沖磁場，使每給步進電機加一個脈沖信號，步進電機就移動一步。步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于輸入脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，不需要反饋信息和A／D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為可控角位移。步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差、可以在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速、具有一定的自鎖能力和易于啟?？刂频忍攸c，非常適合運動相機控制系統(tǒng)。步進電機的控制系統(tǒng)如圖3所示。當步進電機和負載已經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動電源和控制方法，步進電機驅(qū)動器由脈沖信號、信號分配、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。

    根據(jù)電機所帶負載相機的動力學要求、控制相機掃拍過程中電機運動規(guī)律和相機曝光時間的關(guān)系，選擇使用ASM46AK—H100的諧波減速步進電機。ASM46AK—H100步進電機減速比為1：100，最高分辨率設(shè)定為0．36(°)／脈沖，轉(zhuǎn)矩為5 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為11 N·m，電源輸入電流為1．7 A，電源輸入電壓DC 24 V，最大輸入脈沖頻率為250 kHz(脈沖占空比50％時)，速度／位置控制指令是脈沖序列輸入，容許速度范圍為0～24 r／min，能滿足CCD的要求。在過載保護、過壓保護、速度差異常保護、速度過快、E2PROM數(shù)據(jù)錯誤、傳感器異常、系統(tǒng)異常等保護功能工作時，輸出警報信號，電動機自然停止。[!--empirenews.page--]
    步進電機驅(qū)動器選擇配套的ASD18A—K驅(qū)動器，ASD18A—K驅(qū)動器提供控制用電源、轉(zhuǎn)速控制脈沖、運動方向控制脈沖、A相脈沖輸出、B相脈沖輸出、定時、警報、分辨率轉(zhuǎn)換和電流切換等電氣接口。ASD18A—K驅(qū)動器可以通過功能轉(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)可以抑制低速運行時的振動，使啟動時的動作更為平穩(wěn)。
    DSP選擇高性價比且性能優(yōu)異的數(shù)字信號處理器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，544 BDARAM，2 KB SARAM，32 KB FLASH，2個事件管理器(每個均包含2個16位的通用定時器、8個PWM通道、3個捕獲單元)用于產(chǎn)生驅(qū)動電機的PWM波形，16通道10位，轉(zhuǎn)換時間為500 ns的ADC模塊實現(xiàn)模擬控制量的A／D轉(zhuǎn)換、豐富的外部存儲器接口(192K×16 b：64 KB的程序存儲器，64 KB的數(shù)據(jù)存儲器、64 KB I／O實現(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GPIO、5個外部中斷、PLL等。非常高的運算性能，最高可達40 MIPS，指令周期25 ns。具有豐富的開發(fā)資源，JTAG、CCS、完備的技術(shù)文檔支持、144 pin LQFP封裝。TMS320LF2407的1／O輸出是3．3 V的CMOS電平，采用245緩沖器轉(zhuǎn)換成TTL電平后驅(qū)動步進電機驅(qū)動器ASD18A—K，ASD18A—K完成細分、環(huán)形分配和功率驅(qū)動。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    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。相機控制流程圖如圖4所示。

    由于TMS320LF2407通過I／O口和驅(qū)動器連接，需要對接口初始化定義，IOPBO被配置為基本功能方式；PWM3 IOPB2，IOPB5被配置為通用I／O方式；IOPC5被配置為通用I／O方式；在步進電機驅(qū)動程序設(shè)計中，充分運用TMS320LF2407控制器的事件管理模塊。在TMS320LF2407中各有一個16位比較寄存器CMPRx(x=4、5、6)，每個比較寄存器各有兩個比較PWM輸出引腳，產(chǎn)生3路PWM輸出信號，控制電機轉(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。在PWM信號調(diào)制中需要周期一定的載波，這時用到了定時器3，它以內(nèi)部CPU時鐘作為輸入，工作于連續(xù)增／減計數(shù)模式下，產(chǎn)生PWM脈沖輸出，產(chǎn)生的脈沖為一個環(huán)形可變脈沖，這時由T3PR定時周期下溢和上溢時產(chǎn)生中斷，刷新周期值，進行PWM調(diào)整。

4 結(jié)語
    本文使用數(shù)字信號處理器TMS320LF2407通過驅(qū)動步進電機驅(qū)動器ASD18A—K，和嵌入式DSP控制程序來驅(qū)動ASM46AK—H100的諧波減速步進電機以實現(xiàn)對運動相機的控制，通過實驗室模擬實驗、現(xiàn)場實際操作和數(shù)據(jù)測試，該控制系統(tǒng)的設(shè)計達到了預(yù)期的要求。