摘要：本文以DSP為核心處理器，配合FPGA和外圍電路，設計了一套光電跟蹤測量系統紅外電視調焦控制器，實現了根據目標距離和環境溫度等參數對電視焦距進行自動調整。通過數據分析與實踐檢驗，該系統能夠滿足紅外電視的調焦控制要求。

　　1.引言

　　隨著紅外成像技術的快速發展，紅外測量電視成為光電跟蹤系統的重要組成部分。紅外相機的自動和連續調焦，是保證紅外電視成像質量，實現光電跟蹤系統高精度穩定跟蹤的關鍵技術。一般來說，影響紅外電視成像的因素有很多，而目標的距離和環境溫度等參數對成像質量影響較大，如何根據目標距離和環境溫度等影響目標成像質量的信息，實時調整相機的位置，從而獲得清晰的目標圖像，需要進行廣泛深入的研究，對實現紅外跟蹤測量系統穩定高精度跟蹤測量功能具有重要意義。

　　2.調焦控制器的硬件設計

　　2.1 總體結構及原理

　　光電跟蹤測量系統調焦控制系統要實現的功能主要包括：接收綜合控制器的控制命令，實現紅外電視的變倍與調焦功能，兼具自檢功能和故障診斷能力，故障診斷到線路板。

　　系統采用基于DSP+FPGA的調光調焦控制器。該控制器的硬件原理框圖如圖1所示。

　　圖1 調光調焦控制器硬件框圖

　　其中DSP（TMS320F2812）作為調光調焦控制器核心。TMS320F2812是TI公司針對數字控制領域而推出的，它是目前控制領域最高性能的處理器，具有控制精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優點，已廣泛應用于工業自動化、光學網絡以及自動化控制等領域。

　　系統選用Cyclone公司系列FPGA中的EP1C12Q240C8作為整個調光調焦控制器的時序和邏輯控制核心，EP1C12Q240C8提供12060個邏輯單元（LE）和173個I/O口，可以內嵌4K的RAM.

　　應用TMS320F2812全部外設接口的一部分，如GPIO接口和EVA/EVB接口。

　　采用可編程邏輯器件（FPGA），可以非常簡單的設計DSP的硬件電路。將DSP的數據總線、地址總線、讀寫控制線以及中斷信號線全部引入到FPGA中，根據特定的要求，在FPGA內完成時序和邏輯設計。其中為TL16C554，AD7864提供地址選通信號，為光柵尺計算提供四倍頻鑒相和計數邏輯。

　　由于電機的信號線、限位開關線數量很多，需要本系統的I/O口的數量較多，可以在FPGA內完成擴展I/O口的功能。

　　2.2 FPGA的設計

　　FPGA內部采用模塊化的設計思想，對FPGA設計進行模塊分解。主要包括，實現FPGA擴展I/O口的功能，為TL16C554和AD7864提供片選和讀寫信號，提供四倍頻鑒相和計數邏輯計算光柵尺位置量。FPGA內的功能模塊如圖2所示。

　　TL16C554地址譯碼模塊：在FPGA內部，針對DSP的讀寫以及地址信號進行譯碼，為TL16C554提供讀寫信號以及片選等信號。

　　AD7864地址譯碼模塊：對DSP的地址信號進行譯碼，為AD7864提供讀寫、片選以及通道選擇等信號。

　　光柵尺邏輯計算模塊：光柵尺輸出兩路正交的方波信號A、B和零位信號Z輸入到FPGA中，在FPGA中實現對A、B信號的倍頻及鑒相功能，然后通過16位計數器和鎖存器與DSP相連，通過讀取計數器的數值可得到光柵尺的位置數值，系統框圖如圖3所示。

　　3.實驗驗證與精度分析

　　3.1 實驗驗證

　　調焦系統由安裝在望遠物鏡筒上的光學機械部分和電控部分組成。光學機械部分包括調焦組件、變倍組件等。電控系統以DSP2833為核心處理器，利用FPGA實現時序和邏輯控制，配以外圍電路、執行電機及位置反饋部件。電控系統位置反饋采用精密線繞電位器和光柵尺，執行電機采用步進電機、超聲電機和永磁直流電機。變倍系統兩端靠電限位和機械限位來保證定位。

　　根據以上設計方案進行實踐，調焦電控系統采用兩塊電路板進行工作，分別為控制電路板和功率驅動板。圖4為控制電路板，圖5為功率驅動板。通過試驗，較好的完成了紅外電視自動調焦及變倍功能。

　　3.2 精度分析

　　3.2.1 紅外電視調焦控制

　　紅外電視調焦范圍為200m~∞，調焦執行電機選用海頓直線電機型號為21000系列Size 8直線步進電機，步長為0.0015mm，其工作電壓為5V，每相電流為0.24A，在每秒鐘1000步的速度下可產生60N的推力。滿足使用要求。位置反饋采用增量式光柵尺。

　　調焦電控系統誤差來源是直線步進電機的步長與光柵尺的精度。直線步進電機步長0.0015mm.由以上條件計算得出如下結論：

　　a）直線步進電機步長為0.0015mm，調焦機構的分辨力為直線步進電機的步長為0.0015mm;b）采用光柵尺作為位置測量傳感器，其測量精度高，其測量精度可達5μm，滿足±0.01mm的分辨力精度要求；c）每秒鐘1000步的速度是電機的常用速度，也就是每秒鐘行程為1.5mm，因此該速度滿足調焦時間的要求。

　　3.2.2 紅外電視變倍控制紅外兩檔變倍電機選用江蘇春生公司的超聲電機，型號為TRUM-60.紅外變倍系統為100mm/300mm兩檔變倍，采用半自動控制方式，由電控系統控制超聲電機切換變倍鏡組，從而切換紅外電視的焦距。

　　超聲電機的斷電自鎖特性保證了旋轉變倍機構的穩定性。超聲電機斷電自鎖力矩大于其驅動力矩30%左右。超聲電機的旋轉軸與變倍鏡組的外殼直接連接，這種結構簡單可靠，并且占用空間小。

　　由于超聲電機的轉速可以達到4~150r/min，對于這種只需要轉動90度的變倍機構，如果要求切換時間小于2s，則只要轉速n滿足：

　　就可以滿足使用要求。因此采用的超聲電機完全滿足技術要求。

　　4.結論

　　光電跟蹤測量系統紅外電視的調焦控制是該系統能夠穩定高精度跟蹤目標的關鍵技術，采用DSP為核心處理器、FPGA為時序和邏輯控制器設計的紅外電視調焦控制器，通過實踐檢驗和精度分析，滿足了光電跟蹤系統根據目標距離、環境溫度等參數實時進行焦距調整的技術指標要求。