基于MSP430 單片機的光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研究方案

　　研究設(shè)計中利用光敏感器件對特定光波長范圍的光信號敏感原理，將四象限光電位置探測器與MSP430系列單片機相結(jié)合，根據(jù)四象限光電探測器輸出電壓與光斑位置的線性關(guān)系，通過數(shù)字PID閉環(huán)控制輸出電壓調(diào)節(jié)單片機輸出PWM 的占空比來實現(xiàn)精確穩(wěn)定的搜尋和小范圍跟蹤目標(biāo)。

　　0 引言

　　光電跟蹤系統(tǒng)是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為基石，將光學(xué)技術(shù)、電子/微電子技術(shù)和精密機械技術(shù)等融為一體，形成具有特定跟蹤功能的裝置。

　　目前國內(nèi)外較先進的光電跟蹤系統(tǒng)多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構(gòu)成。采用機械方法實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)控制起來還不太靈敏。對于一個光電追蹤系統(tǒng)，一般通過目標(biāo)識別、位置信號檢測、位置信號處理、PID伺服控制計算、驅(qū)動控制、位置反饋、目標(biāo)不間斷跟蹤，完成特定跟蹤任務(wù)。而與之配套的目標(biāo)識別檢測處理與PID 伺服控制實現(xiàn)是非常重要的部分，是保證整個系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。

　　為更好地實現(xiàn)精確的跟蹤伺服系統(tǒng)，本方案中使用MSP430 單片機完成對目標(biāo)定位跟蹤的PID 閉環(huán)控制，采用S066A 的國產(chǎn)四象限探測對目標(biāo)進行識別跟蹤定位。MSP430 單片機是美國TI（德州儀器）公司近年推出的16 位高性能混合信號處理器。由于它具有處理能力強、運算速度快、集成度高、外部設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點，因此在許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。S066A國產(chǎn)四象限探測器光譜響應(yīng)范圍在400~1 100 nm,它的峰值波長為940 nm,它具有較高的靈敏度和精確度，廣泛運用于位置檢測，光學(xué)定位，距離探測等方面。

　　本研究方案的意義在于一方面對四象限探測器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣；另一方面探索一種新的機械對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。

　　1 總體設(shè)計方案

　　整個系統(tǒng)的設(shè)計如圖1 所示，主要由機械傳動設(shè)計和系統(tǒng)電路設(shè)計兩部分組成。

　　機械部分中目標(biāo)實時位置信號發(fā)生源采用四象限探測器對目標(biāo)進行定位，并輸出包含目標(biāo)位置信息的4 路電信號，電機傳動跟蹤定位則是根據(jù)四路位置信號來驅(qū)動探測器所在的定位面板對目標(biāo)進行搜索和鎖定。機械部分將探測和定位集為一體，目標(biāo)可見即可識，電機與定位面板的傳動以角位移為變量進行快速方便的傳動。系統(tǒng)電路設(shè)計部分中MSP430F169 片內(nèi)集成了多個功能模塊。

　　本設(shè)計利用其作為處理核心，其片內(nèi)A/D模塊實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。一方面Timer 對時鐘進行分頻從而提高時鐘頻率，使A/D獲得更快的采樣率或轉(zhuǎn)換速度，以保證A/D 轉(zhuǎn)換的精度；另一方面Timer的輸出端單元可作為PWM信號發(fā)生器根據(jù)片內(nèi)編程進行PID 高速運算處理所得結(jié)果產(chǎn)生PWM 輸出控制信號，設(shè)置簡單方便簡化了電路的設(shè)計，進而降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。接收前端的位置信號使用低偏置，高精密度放大器對信號進行調(diào)整，利用濾波器對位置信號進行優(yōu)化，以滿足更好的精度和定位要求。在控制信號輸出端采用現(xiàn)有的電機驅(qū)動芯片確保電機的穩(wěn)定運行?；诳傮w設(shè)計方案，本文將其劃分為4個不同但又彼此相互作用的4個方面來實現(xiàn)該研究。具體包括硬件電路設(shè)計、機械模擬模型設(shè)計、PID算法設(shè)計以及軟件編程。

　　2 硬件模塊設(shè)計

　　2.1 硬件電路設(shè)計原理

　　依據(jù)總體設(shè)計方案，硬件電路主要由電源模塊、四象限信號放大處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、電機驅(qū)動模塊以及相關(guān)輔助模塊構(gòu)成（見圖2）。

　　四象限探測器可探測波長范圍（380~1 100 nm），其原理是將光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號。但由于其輸出電流信號較小，四象限探測器的預(yù)處理模塊電路實現(xiàn)將電流信號經(jīng)放大和運算處理，并將電流轉(zhuǎn)化為單片機A/D能夠采集到電壓范圍0~2.5 V.采樣的數(shù)字信號經(jīng)單片機內(nèi)的數(shù)字濾波和算法的運算，進而控制PWM波的占空比來調(diào)節(jié)電機的速度。

　　2.2 機械模擬機構(gòu)實驗設(shè)計原理

　　模擬機構(gòu)設(shè)計靈感源于地動儀的設(shè)計原理，采用兩個不同的軸來調(diào)節(jié)兩個不同但相關(guān)的平面實現(xiàn)四象限探測器的大范圍搜尋目標(biāo)的目的，模型圖如圖4所示。