【正文】 限 于單 元 技 術(shù) 水 平 ， 組 成 復(fù) 合 軸 系 統(tǒng) （ 二 級(jí) 或 多 級(jí) 跟 蹤 系 統(tǒng) ） 是 一 個(gè) 很 好 的 方 案 ， 而 且 精度 可 達(dá) 到 很 高 ， 但 有 些 系 統(tǒng) 要 求 在 不 組 成 復(fù) 合 軸 的 情 況 下 對(duì) 跟 蹤 精 度 要 求 很 高 。在構(gòu)建的硬件平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)軟件程序開(kāi)發(fā)與調(diào)試。上位 PC 機(jī)除完成對(duì) CCD 采集的視頻圖像的存儲(chǔ)、處理外，還要完成和下位機(jī) DSP 的實(shí)時(shí)通信和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。第二章介紹了光電成像跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。首先在確立轉(zhuǎn)臺(tái)核心控制器件（TMS320LF2407）的基礎(chǔ)上對(duì) DSP 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的 CPU 板為 C2022 系列的 TMS320LF2407ADSP 微處理器）做了詳細(xì)的描述與分析。第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及控制系統(tǒng)的改進(jìn)意見(jiàn)。5第二章 光電成像跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案實(shí)時(shí)光電成像跟蹤系統(tǒng)的主要任務(wù)是從目標(biāo)的圖像序列中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)信息，估計(jì)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)并給出伺服機(jī)構(gòu)控制算法，從而使光電成像跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)或目標(biāo)特征的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)光電成像跟蹤系統(tǒng)的功能要求，決定了系統(tǒng)的構(gòu)成?？紤]到 CCD 成像設(shè)備無(wú)掃描畸變、信息處理容易，并且便于與計(jì)算機(jī)接口的突出特點(diǎn) 【5】 ，本系統(tǒng)采用 CCD 成像設(shè)備完成光信號(hào)采集、并通過(guò)視頻采集卡將數(shù)字化信號(hào)送往計(jì)算機(jī)的重要工作。CCD 圖像系統(tǒng)組成原理圖如圖 所示：光學(xué)物鏡 CCD 攝像機(jī) 圖像采集卡 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專(zhuān)用電源 驅(qū)動(dòng)軟件探測(cè)器單元7圖 圖像識(shí)別系統(tǒng)組成原理框圖本系統(tǒng) CCD 攝像機(jī)的專(zhuān)用電源須采用 12V 直流電源接入 DC IN(+12V)，并且同軸電纜接在 CCD 攝像機(jī)的 VIDEO OUT，將視頻信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)的視頻采集卡上。（3）轉(zhuǎn)臺(tái)限位告警轉(zhuǎn)臺(tái)限位有軟限位和硬限位兩種：轉(zhuǎn)臺(tái)的軟限位是在控制器面板上任意設(shè)定限位值，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角大于軟限位值時(shí)，由軟件程序處理發(fā)出限位告警指示和指令；轉(zhuǎn)臺(tái)硬限位由安裝在臺(tái)體的限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角大于硬限位，限位開(kāi)關(guān)閉合，接通轉(zhuǎn)臺(tái)的保護(hù)與告警電路，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)入保護(hù)動(dòng)作。??（6）微機(jī)監(jiān)控轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)字控制器采用微機(jī)數(shù)字控制，轉(zhuǎn)臺(tái)控制具有與上位微機(jī)接口的能力，轉(zhuǎn)臺(tái)控制器可以接受監(jiān)控器的指令或上位微機(jī)的指令，并可將轉(zhuǎn)臺(tái)的位置傳上位微機(jī)。兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)的軸系均采用精密機(jī)械軸承支撐、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、絕對(duì)式8光電編碼器作為角度測(cè)量和反饋元件。（b）跟蹤角速度：方位： 0~20176。（d）轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)重：10Kg 轉(zhuǎn)臺(tái)控制設(shè)備轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤控制設(shè)備是實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)隨動(dòng)控制的核心部件。受單片機(jī)輸入、輸出通道數(shù)和運(yùn)算速度的限制，這類(lèi)控制卡一般只能控制1～2 軸，而且由于卡上 ROM 容量的限制，控制程序不能太大，不能采用較為復(fù)雜的控制算法，不適用于高精度、高速度控制場(chǎng)合。基于專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片的伺服控制卡使用戶能方便靈活地構(gòu)造伺服控制系統(tǒng)，減輕了用戶花在伺服控制上的時(shí)間，同時(shí)也提高了伺服系統(tǒng)的可靠性。DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算功能，使其在伺服控制中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。測(cè)角單元可將檢測(cè)到的實(shí)際位移反饋給控制設(shè)備，控制設(shè)備根據(jù)檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移和速度狀態(tài)，來(lái)調(diào)整輸入控制量，使轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定在正常運(yùn)行狀態(tài)，并使運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移與指令要求一致，從而滿足光電成像跟蹤系統(tǒng)的精度和可靠性的要求。但綜合考慮分辨率、精度、元件穩(wěn)定性及對(duì)環(huán)境的要求、成本等諸多因素，本測(cè)角系統(tǒng)采用光電軸角編碼器。絕對(duì)式光電軸角編碼器同增量式相比，具有固定零點(diǎn)，輸出代碼是軸角的單值函數(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，掉電后再啟動(dòng)無(wú)須重新標(biāo)定，無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，因此越多地應(yīng)用于工控定位中，其中最主要的就是應(yīng)用于高精度的數(shù)控機(jī)床和伺服系統(tǒng)。 光電成像跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)選用上位 PC 機(jī)加基于 DSP 的控制系統(tǒng)的兩級(jí)控制模式，上位機(jī)除了負(fù)責(zé)系統(tǒng)的光電圖像處理之外，還要完成系統(tǒng)的綜合管理、人機(jī)交換和 DSP 的通信等。 PC 機(jī)與 DSP 的通信設(shè)計(jì)上位 PC 機(jī)與下位機(jī) DSP 控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞是整個(gè)系統(tǒng)中很重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)控制要求的不同可以采用不同的總線連接方式：（1）ISA 總線。（2）PCI 總線。USB 總線支持即插即用，可擴(kuò)充至 127 個(gè)外部設(shè)備，因此可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)同時(shí)的多自由度的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，12MBPS 的高速傳送速度，已能滿足大部分外圍設(shè)備的傳輸使用(在 規(guī)范中的高速模式已能達(dá)到 480M/S)。在選擇采用什么總線進(jìn)行通訊時(shí)，首先要考慮的是可靠性，其次是傳輸速度和開(kāi)發(fā)周期。所以現(xiàn)在考慮當(dāng)適當(dāng)提高 RS232 串行總線的傳輸速度時(shí)，能否滿足電機(jī)連續(xù)運(yùn)行的要求，如果可以就選擇 RS232 串行總線，如果不行就采用 USB 總線。故本系統(tǒng)采用的通信方式為串行異步通信方式。假設(shè)視野水平視角和垂直視角分別為 和 ，成像時(shí)的攝像頭焦距?為 。圖像x?成像在焦平面上，所以有 （）tan(/2)/fw??? （）gx解之得 （）2arctn[(/)]tw????同理得 （）t[ta(/)]yrh??14一般情況下， 和 都比較小，所以有?? （）xw??? （）yh?上位 PC 機(jī)把經(jīng)圖像處理得出的坐標(biāo)偏差通過(guò)串口協(xié)議下傳給 DSP 控制系統(tǒng)，DSP 控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到偏差角數(shù)據(jù)( 、 )，并發(fā)出相應(yīng)方向脈沖和 PWM 控??制脈沖信號(hào)給二維轉(zhuǎn)臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直接調(diào)整兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。為了改善這種情況，根據(jù)自適應(yīng)控制原理，提出了變速控制方案。u速度給定偏差角給定_功率放大 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)臺(tái)信號(hào)反饋圖 轉(zhuǎn)臺(tái)自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)變速算法的設(shè)計(jì)是基于模型參考自適應(yīng)控制的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)目標(biāo)形心坐標(biāo)與視場(chǎng)中0xw0yw心坐標(biāo)之差在某一設(shè)定值之外時(shí)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)形心和視場(chǎng)中心的偏移量，相應(yīng)的改變水平速度 和垂直速度 ，這樣轉(zhuǎn)臺(tái)的水平速度 和垂直速度 ，動(dòng)態(tài)地改變，xy xyw使轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。TI 公司的 x240xA 系列 DSP 將高速運(yùn)算能力和面向電機(jī)的高效控制能力集為一體，它通過(guò)把一個(gè)高性能的 DSP 內(nèi)核和常用外圍設(shè)備集成為一個(gè)芯片的方法，將 DSP 的高速運(yùn)算特性和優(yōu)化的控制特性結(jié)合起來(lái)，成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心芯片的最佳選擇之一 [15]。主要特點(diǎn)如下：1）40MIPS 的執(zhí)行速度，幾乎所有指令都可以在一個(gè) 25ns 的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢；2）中央處理單元（a）32 位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU) ，32 位加法器，32 位乘法器；（b）三個(gè)定標(biāo)移位寄存器；（c）8 個(gè) 16 位輔助寄存器，帶有一個(gè)專(zhuān)用的算術(shù)單元，用來(lái)作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的間接尋址；3）存儲(chǔ)器（a）片內(nèi) 16K 字 x16 位閃速 EEPROM 程序存儲(chǔ)器；（b）片內(nèi) 544 字 x16 位的雙端口數(shù)據(jù)/程序 RAM；（c）224K 字 x16 位的最大可尋址存儲(chǔ)器空間(64K 字的程序空間、64K 字的數(shù)據(jù)空間、64K 字的 I/O 空間和 32K 字的全局空間)；174）程序控制（a）4 級(jí)管道操作；（b）8 級(jí)硬件堆棧；（c）6 個(gè)外部中斷：電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷、復(fù)位、NMI 和三個(gè)可屏蔽中斷；5）單周期的乘/加法指令；（a）程序/數(shù)據(jù)管理的存儲(chǔ)器塊移動(dòng)指令；（b）雙十位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；（c）28 個(gè)獨(dú)立可編程的多路復(fù)用 I/O 引腳；（d）基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊；（e）帶實(shí)時(shí)中斷 (RTI)的看門(mén)狗 (WD)定時(shí)器模塊；（f）串行通訊接口(SCl)；（g）串行外部設(shè)備接口(SPI)；總之，基于寄存器的結(jié)構(gòu)、龐大的地址空間、功能強(qiáng)大的尋址方式、靈活的指令系統(tǒng)及高速運(yùn)算能力，使得在 TMS320F2407A 上可以很容易地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求較高的各種控制和信號(hào)處理算法 [17]。（2）電源單元：為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及光電編碼器提供直流電源。（6）驅(qū)動(dòng)模塊：由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，負(fù)責(zé)把控制脈沖和方向信號(hào)轉(zhuǎn)換成各電機(jī)轉(zhuǎn)角和方向控制信號(hào)。本系統(tǒng)中，通信模塊涉及到 DSP和上位機(jī)(PC 機(jī)) 之間的雙向通信，主要任務(wù)是接收上位機(jī)的指令，向上位機(jī)傳送轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前轉(zhuǎn)角信息。一般的上位機(jī)(PC 機(jī))的串行口符合 RS232 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。而 TMS320LF2407 的串行口的輸入輸出信號(hào)電壓符合 的高低電平標(biāo)準(zhǔn)， 的高低電平標(biāo)準(zhǔn)與 RS232 規(guī)范的電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容。12V（177。此外還提供了 2 號(hào)孔和一個(gè)四針插座，可以方便為板卡以及外設(shè)供電。圖 電機(jī)控制接口信號(hào)定義ELDSPEXP III 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了一組電機(jī)控制接口，該接口的信號(hào)定義如圖22。本系統(tǒng)二維電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰軸和方位軸運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件都是混合式步進(jìn)電機(jī)。因此可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 260 步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來(lái)有：（1）位置及速度控制簡(jiǎn)便步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制位置控制。（4）具定位保持力矩永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，仍具有勵(lì)磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車(chē)，也能做到停止位置的保持。（3）輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。通過(guò)改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以減小運(yùn)行中失步的可能。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機(jī)的自由振蕩頻率時(shí)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻共振，甚至失步導(dǎo)致無(wú)法工作。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器、環(huán)行分配器、功率放大器、步進(jìn)電機(jī)組成，如圖 所示：24步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器環(huán)形分配器功率放大器脈沖信號(hào)方向信號(hào)方式信號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，它根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的要求為其提供控制信號(hào)，包括：脈沖信號(hào)、方向信號(hào)、方式信號(hào)。但在一般情況下，步進(jìn)電機(jī)的極限起動(dòng)頻率是很低的，而要求的速度往往較高。如果轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即低于換相速度，則輸入電機(jī)的電能不足，在步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力距無(wú)法令轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步或不運(yùn)轉(zhuǎn)。環(huán)行分配器的作用是使電機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化，從而控制電機(jī)按一定方式運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)器針對(duì)每一個(gè)步進(jìn)脈沖，按一定的規(guī)律向電機(jī)各相繞組通電勵(lì)磁，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。IAia/A圖 步進(jìn)電機(jī) A 相繞組階梯電流波形圖由圖可以看出,電流波形是從0 經(jīng)過(guò)若干個(gè)均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升到額定值I A，下降時(shí)又經(jīng)同樣的階梯從額定值I A下降至0 。 本系統(tǒng)電控轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸和方位軸的步進(jìn)電機(jī)均是 57 型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角為 176。步距角細(xì)分功能可使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，振動(dòng)減少，噪聲降低，精度提高。 1）MA335B 特性MA335B 可以接受交流輸入(1029VAC) ，也可以接受 1242VDC 直流輸入。驅(qū)動(dòng)器光隔 OPTO+5V 電源由 DSP 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電機(jī)接口 26 管腳+5V 提供，俯仰軸和方位軸的步進(jìn)電機(jī) PWM 脈沖信號(hào)分別由電機(jī)接口的第 7（XPWM1）腳、11(XPWM4)腳引出接至兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào) PUL 端，俯仰軸和方位軸步進(jìn)電機(jī)的方向信號(hào)分別由電機(jī)接口的第 9 腳和 13 腳提供，本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)不使用使能信號(hào)，故不接該線。光電隔離模塊采用光電耦合器 TLP5214。 主程序設(shè)計(jì)主程序是控制程序的核心，主要完成系統(tǒng)的初始化（SCI 串行通信接口、I/O 口、定時(shí)器等的初始化） ，各標(biāo)志位的置位與復(fù)位，計(jì)數(shù)器周期寄存器初值的計(jì)算，設(shè)置中斷標(biāo)志，接收光電編碼器信號(hào)，系統(tǒng)自檢、中斷配置等功能 [28]。初始化設(shè)置如下：30void sys_ini(){ asm( setc INTM)。 /*B0 被配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間*/ * SCSR1=0X0005。 /*禁止所有中斷*/ * IFR=0XFFFF。通信任務(wù)主要完成的工作是接收上位機(jī)的命令并執(zhí)行。（3）LF2407在接收到上位機(jī)的命令后，接受到有效命令，便進(jìn)行發(fā)數(shù)據(jù)或進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作，任務(wù)完成后，再向上位機(jī)發(fā)送一個(gè)任務(wù)已完成的信號(hào)。LF2407在發(fā)送接到命令后，發(fā)送轉(zhuǎn)角信息，若不是連續(xù)發(fā)送，則在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送一個(gè)任務(wù)已完成的信號(hào)。以下程序段是串行口初始化子程序：void SCI_ini(){ * SCICCR=0x000F。 * SCICTL2=0x0003。 /*使能PWM1,PWM2,SCI模塊的SCITXD,SCIRXD引腳*/ }通訊時(shí)，要求上位機(jī)和下位機(jī)的通訊協(xié)議相同，即通訊波特率、起止