基于DSP芯片TMS320F240的步進(jìn)電機(jī)的調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0引言：

　　當(dāng)攝影鏡頭拍攝運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，如果運(yùn)動(dòng)軌跡已知，攝影鏡頭必須對(duì)焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)整目標(biāo)的像點(diǎn)的位置，使得目標(biāo)始終位于焦點(diǎn)上，達(dá)到實(shí)時(shí)拍攝的 目標(biāo)，傳統(tǒng)變焦大多是利用機(jī)械裝置完成的，比如凸輪機(jī)構(gòu)，齒條機(jī)構(gòu);但是由于機(jī)械加工工藝復(fù)雜，其精度、平穩(wěn)性和靈活性都難以滿足要求，為此本系統(tǒng)利用步 進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)攝像機(jī)完成變焦，由于步進(jìn)點(diǎn)機(jī)精確地按照步進(jìn)角轉(zhuǎn)動(dòng)，并且由DSP進(jìn)行控制，從而滿足了以上機(jī)械裝置無(wú)法完成地性能要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng) 調(diào)焦曲線與理想曲線擬合度較好，拍攝已知運(yùn)動(dòng)軌跡的目標(biāo)，達(dá)到了滿意效果。

　　1 調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

　　在光學(xué)系統(tǒng)中，采用一組物鏡，調(diào)節(jié)軸向位移，物鏡光學(xué)系統(tǒng)物象關(guān)系是：

　　X′=f2 / X

　　其中 X′—— 像距(目標(biāo)像平面到主焦平面的距離);

　　X —— 物距(目標(biāo)距離);

　　f —— 光學(xué)系統(tǒng)焦距 f=常量，像距X′與物距X成反比關(guān)系。

　　利用已知的攝影調(diào)焦曲線確定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的步數(shù)和時(shí)間坐標(biāo)關(guān)系，存入F240數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，利用F240運(yùn)算速度快、片載FLASH存儲(chǔ)器大 (16K字)的特點(diǎn)，準(zhǔn)確控制步進(jìn)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)攝影鏡頭焦距按照規(guī)定的曲線變化，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拍攝運(yùn)動(dòng)物體的功能。

　　2 硬件設(shè)計(jì)部分

　　2.1步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器UP-4HB03M簡(jiǎn)介

　　UP-4HB03M是北京聯(lián)太工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的專(zhuān)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,4HBO3M適用于兩相六出頭混合式及四相混合式步進(jìn)電機(jī)，PWM恒流控制方 式;可選擇半步(四相八拍)或者16細(xì)分兩種工作方式;驅(qū)動(dòng)電流為0.3A連續(xù)可調(diào)，并且具有自動(dòng)半流鎖定功能;脫機(jī)控制及其相位檢測(cè)功能;所有控制信號(hào) 與功率驅(qū)動(dòng)部分光電隔離;散熱外殼與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部完全電絕緣。

　　2.2 TMS320F240簡(jiǎn)介

　　TMS320F240(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F240)由DSP內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)組成。由于DSP內(nèi)核具有較快的計(jì)算和響應(yīng)處理速度，可以應(yīng)付高速應(yīng)用的要 求，同時(shí)也為控制軟件的設(shè)計(jì)提供了更加有力的支持，使控制系統(tǒng)能夠完成更加復(fù)雜的功能、實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。同時(shí)TMS320F240具有豐富的片內(nèi)外 設(shè)，包括16路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多個(gè)可編程的多路復(fù)用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線等。特別是TMS320F240片內(nèi)設(shè)置了一個(gè)事件管理 器(EPA)，可以提供6路全比較PWM通道，能方便地實(shí)現(xiàn)各種PWM波形的發(fā)生。這里使用F240主要是考慮F240速度快以及有豐富的I/O引腳資 源;程序燒寫(xiě)方便，利于更新曲線坐標(biāo)以及修改程序;性價(jià)比較高等因素。

　　2.3 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件接口電路如圖1所示，74ls14為反相器，接到DSP的I/O口以提高其驅(qū)動(dòng)能力，CH1是一個(gè)八腳的插頭，用于外接步進(jìn)機(jī)的各項(xiàng)繞 組。步進(jìn)電機(jī)以及攝影鏡頭部分從略。工作過(guò)程如下：首先獲得攝影調(diào)焦曲線，利用MATLAB軟件，得出時(shí)間位移坐標(biāo)，再換算成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的步數(shù)時(shí)間 坐標(biāo)，以數(shù)組的行式保存下來(lái)。在F240的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開(kāi)辟空間存儲(chǔ)步數(shù)時(shí)間數(shù)組，利用F240定時(shí)器完成計(jì)時(shí)，I/O口輸出相應(yīng)寬度的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器UP-4HB03M，其中CP為步進(jìn)脈沖輸入端;FREE為脫機(jī)端，高電平有效，F(xiàn)REE=1時(shí)，電機(jī)處于釋放狀態(tài);V/D為方向控制端，高 低電平分別控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

　　圖1 硬件接口電路圖

　　3 軟件設(shè)計(jì)：

　　由于電機(jī)的運(yùn)行和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)以及兩步之間間隔時(shí)間有關(guān)系，故采用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)的方法來(lái)計(jì)算時(shí)間，F(xiàn)240初始化程序如下：

　　void Initcpu(void) //初始化F240程序

　　{ *WDCR=0x6f; // 禁止自帶的看門(mén)狗功能;

　　*CKCR1=0x69; // 外部輸入晶振為20MHZ，F(xiàn)240工作在20MHZ;

　　*CKCR0=0xc3; // 系統(tǒng)時(shí)鐘為10MHZ;

　　*SYSCR=0x4000; } // F240輸出頻率CLKOUT=IOPC1(I/O管腳);

　　F240初始化后，計(jì)時(shí)器的基本計(jì)時(shí)時(shí)間為0.1µs，考慮到F240定時(shí)器是16位計(jì)數(shù)器，這難以滿足計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間的需求，所以采用通 過(guò)計(jì)算進(jìn)入定時(shí)器中斷的次數(shù)來(lái)計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間的方法。例如設(shè)置定時(shí)器周期寄存器值為800即*T1PR=800，那么進(jìn)一次定時(shí)器中斷時(shí)間為800*0.1= 80µs如果計(jì)時(shí)為1s的話，則只需進(jìn)12500次中斷即可，以此類(lèi)推;故定義的數(shù)組內(nèi)容表示如下：