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

摘要：在光電探測領(lǐng)域中以往對相機(jī)調(diào)焦變倍多采用單片機(jī)(MCU)控制完成，其優(yōu)點在于易于編程實現(xiàn)。因為要求實時控制相機(jī)的變倍、調(diào)焦，其程序的編寫多采用查詢方式實現(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，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)限位與實際停止電機(jī)轉(zhuǎn)動之間存在時間差，這種時間差導(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，FPGA根據(jù)命令實現(xiàn)調(diào)焦變倍控制。FPGA實現(xiàn)調(diào)焦變倍的優(yōu)勢在于響應(yīng)速度更快、此外能夠真正實現(xiàn)控制電機(jī)運轉(zhuǎn)和監(jiān)測電機(jī)運行狀態(tài)同時進(jìn)行，當(dāng)電機(jī)運行到限位位置能夠及時停止電機(jī)運轉(zhuǎn)，有效避免堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；現(xiàn)場可編程門陣列；調(diào)焦變倍；限位點

0 引言
在光電測量領(lǐng)域中，常常需要使用長焦距、大口徑的光學(xué)相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)探測。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，還需要對聚焦位置進(jìn)行微調(diào)。以往對這種光學(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)來完成。采用單片機(jī)控制的優(yōu)點在于編程方法簡單、易于實現(xiàn)。缺點在于由于需要控制監(jiān)測的信號有變倍電機(jī)的驅(qū)動信號、調(diào)焦電機(jī)的驅(qū)動信號、變倍電機(jī)分別走到兩頭的兩個限位信號、調(diào)焦電機(jī)分別走到兩頭的兩個限位信號，這些信號均要實時控制監(jiān)測，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地控制相機(jī)的變倍調(diào)焦，缺點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)致檢測到電機(jī)運行到限位狀態(tài)與停止電機(jī)運動存在時間差，該時間差可導(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)運行的命令通過中斷的方式發(fā)出，保證電機(jī)實時接到命令即運動起來，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，斷掉電機(jī)管腳上的電，使電機(jī)馬上停止下來。此方法同以往方法相比的好處在于控制電機(jī)的實時性更強(qiáng)，能夠有效地控制相機(jī)變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)的運動、停止，同時避免電機(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)鏡頭需要實時回傳當(dāng)前位置信息時，可通過把電位計同電機(jī)連接到一起，把電位計的輸出端接到該MCU的AD輸入口，通過程序可讀到當(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)信號轉(zhuǎn)變?yōu)榇行盘杺鬟f出去；FPGA采用EP1K100-208I，電機(jī)驅(qū)動模塊采用L298，該芯片具有兩路電機(jī)驅(qū)動信號輸出，可同時驅(qū)動兩路電機(jī)；光耦模塊采用歐姆龍的EP470，該光耦模塊接法簡單，并且模塊上具有燈光指示，通過燈光可知道當(dāng)前狀態(tài)；電機(jī)采用瑞士電機(jī)。