【正文】 * SCICTL2=0x0003。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)送一個任務(wù)已完成的信號。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。 /*B0 被配置為數(shù)據(jù)存儲空間*/ * SCSR1=0X0005。 主程序設(shè)計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、定時器等的初始化） ，各標(biāo)志位的置位與復(fù)位，計數(shù)器周期寄存器初值的計算，設(shè)置中斷標(biāo)志，接收光電編碼器信號，系統(tǒng)自檢、中斷配置等功能 [28]。驅(qū)動器光隔 OPTO+5V 電源由 DSP 實驗系統(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)動器的脈沖信號 PUL 端，俯仰軸和方位軸步進(jìn)電機(jī)的方向信號分別由電機(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，故不接該線。步距角細(xì)分功能可使電機(jī)運轉(zhuǎn)平滑，振動減少，噪聲降低，精度提高。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)過若干個均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升到額定值I A，下降時又經(jīng)同樣的階梯從額定值I A下降至0 。驅(qū)動器針對每一個步進(jìn)脈沖，按一定的規(guī)律向電機(jī)各相繞組通電勵磁，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。如果轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，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)生的同步力距無法令轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步或不運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)運動控制器、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)運動控制器環(huán)形分配器功率放大器脈沖信號方向信號方式信號步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)運動控制器是運動控制系統(tǒng)的核心部分，它根據(jù)驅(qū)動器的要求為其提供控制信號，包括：脈沖信號、方向信號、方式信號。通過改善驅(qū)動器的性能，可以減小運行中失步的可能。（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)下無脈沖信號輸入時，仍具有勵磁保持力矩，故即使不靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。因此可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。圖 電機(jī)控制接口信號定義ELDSPEXP III 實驗系統(tǒng)提供了一組電機(jī)控制接口，該接口的信號定義如圖22。12V（177。一般的上位機(jī)(PC 機(jī))的串行口符合 RS232 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。（6）驅(qū)動模塊：由電機(jī)驅(qū)動器組成，負(fù)責(zé)把控制脈沖和方向信號轉(zhuǎn)換成各電機(jī)轉(zhuǎn)角和方向控制信號。主要特點如下：1）40MIPS 的執(zhí)行速度，幾乎所有指令都可以在一個 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）三個定標(biāo)移位寄存器；（c）8 個 16 位輔助寄存器，帶有一個專用的算術(shù)單元，用來作數(shù)據(jù)存儲器的間接尋址；3）存儲器（a）片內(nèi) 16K 字 x16 位閃速 EEPROM 程序存儲器；（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 級管道操作；（b）8 級硬件堆棧；（c）6 個外部中斷：電源驅(qū)動保護(hù)中斷、復(fù)位、NMI 和三個可屏蔽中斷；5）單周期的乘/加法指令；（a）程序/數(shù)據(jù)管理的存儲器塊移動指令；（b）雙十位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；（c）28 個獨立可編程的多路復(fù)用 I/O 引腳；（d）基于鎖相環(huán)的時鐘模塊；（e）帶實時中斷 (RTI)的看門狗 (WD)定時器模塊；（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)及高速運算能力，使得在 TMS320F2407A 上可以很容易地實現(xiàn)實時性要求較高的各種控制和信號處理算法 [17]。當(dāng)目標(biāo)形心坐標(biāo)與視場中0xw0yw心坐標(biāo)之差在某一設(shè)定值之外時，根據(jù)運動目標(biāo)形心和視場中心的偏移量，相應(yīng)的改變水平速度 和垂直速度 ，這樣轉(zhuǎn)臺的水平速度 和垂直速度 ，動態(tài)地改變，xy xyw使轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)對目標(biāo)的實時跟蹤。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。假設(shè)視野水平視角和垂直視角分別為 和 ，成像時的攝像頭焦距?為 。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，能否滿足電機(jī)連續(xù)運行的要求，如果可以就選擇 RS232 串行總線，如果不行就采用 USB 總線。USB 總線支持即插即用，可擴(kuò)充至 127 個外部設(shè)備，因此可以實現(xiàn)多臺電機(jī)同時的多自由度的復(fù)雜運動，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)。 PC 機(jī)與 DSP 的通信設(shè)計上位 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。絕對式光電軸角編碼器同增量式相比，具有固定零點，輸出代碼是軸角的單值函數(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，掉電后再啟動無須重新標(biāo)定，無累積誤差等優(yōu)點，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)。測角單元可將檢測到的實際位移反饋給控制設(shè)備，控制設(shè)備根據(jù)檢測到的運動部件的實際位移和速度狀態(tài)，來調(diào)整輸入控制量，使轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定在正常運行狀態(tài)，并使運動部件的實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。基于專用運動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間，同時也提高了伺服系統(tǒng)的可靠性。（d）轉(zhuǎn)臺負(fù)重：10Kg 轉(zhuǎn)臺控制設(shè)備轉(zhuǎn)臺跟蹤控制設(shè)備是實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺隨動控制的核心部件。兩軸轉(zhuǎn)臺的軸系均采用精密機(jī)械軸承支撐、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、絕對式8光電編碼器作為角度測量和反饋元件。（3）轉(zhuǎn)臺限位告警轉(zhuǎn)臺限位有軟限位和硬限位兩種：轉(zhuǎn)臺的軟限位是在控制器面板上任意設(shè)定限位值，當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角大于軟限位值時，由軟件程序處理發(fā)出限位告警指示和指令；轉(zhuǎn)臺硬限位由安裝在臺體的限位開關(guān)實現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角大于硬限位，限位開關(guān)閉合，接通轉(zhuǎn)臺的保護(hù)與告警電路，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)入保護(hù)動作。考慮到 CCD 成像設(shè)備無掃描畸變、信息處理容易，并且便于與計算機(jī)接口的突出特點 【5】 ，本系統(tǒng)采用 CCD 成像設(shè)備完成光信號采集、并通過視頻采集卡將數(shù)字化信號送往計算機(jī)的重要工作。5第二章 光電成像跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計方案實時光電成像跟蹤系統(tǒng)的主要任務(wù)是從目標(biāo)的圖像序列中檢測運動信息，估計運動及參數(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)特征的運動軌跡。首先在確立轉(zhuǎn)臺核心控制器件（TMS320LF2407）的基礎(chǔ)上對 DSP 實驗系統(tǒng)（該實驗系統(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。上位 PC 機(jī)除完成對 CCD 采集的視頻圖像的存儲、處理外，還要完成和下位機(jī) DSP 的實時通信和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測等。如 何 在 現(xiàn) 有 設(shè) 備 上 不 斷 提 高 光 電 跟 蹤 精 度 有 多 種 技 術(shù) 途 徑 ， 如 提 高 機(jī) 械 系 統(tǒng) 諧 振頻 率 ， 提 高 探 測 系 統(tǒng) 采 樣 頻 率 ， 組 成 復(fù) 合 軸 系 統(tǒng) （ 二 級 或 多 級 跟 蹤 系 統(tǒng) ） 等 方 案 ； 這些 方 案 中 提 高 機(jī) 械 系 統(tǒng) 諧 振 頻 率 會 受 限 于 設(shè) 計 的 極 限 ， 提 高 探 測 系 統(tǒng) 采 樣 頻 率 受 限 于單 元 技 術(shù) 水 平 ， 組 成 復(fù) 合 軸 系 統(tǒng) （ 二 級 或 多 級 跟 蹤 系 統(tǒng) ） 是 一 個 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 跟 蹤 精 度 要 求 很 高 。許多國際性刊物，如 IEEE on AES，IEEE on PAMI，IEEE on AC，Pattern ecognition,Proceedings of SPIE 等成了許多專家、學(xué)者學(xué)術(shù)交流的重要園地。近年來，光電成像跟蹤系統(tǒng)在許多領(lǐng)域獲得日益廣泛和重要的應(yīng)用，為國家現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)揮著重要的作用。這一先進(jìn)的技術(shù)為人類有效地擴(kuò)展了自身的視覺能力。 針對跟蹤系統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)指標(biāo)要求，確定了跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩級控制系統(tǒng)組成，上位 PC 機(jī)對 CCD 相機(jī)采集的圖像進(jìn)行光電圖像處理并提供人機(jī)界面，下位機(jī)采用基于 DSP 芯片的實驗系統(tǒng)實現(xiàn)二維轉(zhuǎn)臺的實時控制，二者之間通過 RS232 通信協(xié)議進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的通訊。 課題研究目的本 課 題 來 源 于 實 驗 室 學(xué) 科 建 設(shè) 項 目 ， 旨 在 研 制 一 套 光 電 成 像 跟 蹤 系 統(tǒng) ， 該 系 統(tǒng) 能在 實 驗 室 條 件 下 實 現(xiàn) 對 動 目 標(biāo) 的 實 時 跟 蹤 。進(jìn)入 70 年代以來，隨著相關(guān)2理論與技術(shù)的不斷發(fā)展，成像跟蹤技術(shù)無論從理論研究、還是從應(yīng)用研究上都取得了巨大的進(jìn)展。 這 些 新 型 的 控 制方 法 包 括 廣 義 預(yù) 測 控 制 (GPC)、 復(fù) 合 控 制 、 共 軸 跟 蹤 、 智 能 控 制 、 模 糊 控 制 、 多 模 控制 、 自 適 應(yīng) 控 制 、 變 結(jié) 構(gòu) 控 制 、 魯 棒 控 制 、 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 以 及 它 們 之 間 相 互 滲 透 形 成的 混 合 控 制 。（2）本文光電成像跟蹤系統(tǒng)采用上位 PC 機(jī)和基于 DSP 的下位機(jī)兩級式系統(tǒng) 【4】 。首先論述了光電成像跟蹤系統(tǒng)的工作原理，介紹光電成像跟蹤系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了各組成部分的功能，在分析論述各組成部分功能的基礎(chǔ)上確定本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。本章首先介紹了 DSP 的軟件開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer studio)的整體特點以及 CCS 內(nèi)所集成的開發(fā)工具。典型光電成像跟蹤系統(tǒng)主要由以下幾個設(shè)備組成，每個設(shè)備有若干單元，見圖 ：6光 電 成 像 跟 蹤 系 統(tǒng)轉(zhuǎn)臺跟蹤設(shè)備轉(zhuǎn)臺控制設(shè)備目標(biāo)探測設(shè)備（紅外/電視/CCD ）垂直軸系單元水平軸系單元測角單元信號處理單元功率電源單元信號采集單元功率驅(qū)動單元數(shù)字控制單元圖 光電成像跟蹤系統(tǒng)組成框圖 目標(biāo)探測設(shè)備目標(biāo)探測設(shè)備是光電成像跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，其任務(wù)是對目標(biāo)進(jìn)行光電探測，監(jiān)視和記錄。 轉(zhuǎn)臺跟蹤設(shè)備跟蹤轉(zhuǎn)臺設(shè)備是光電成像跟蹤系統(tǒng)中最核心的重要基礎(chǔ)設(shè)備，可在其上安裝用于目標(biāo)探測的 CCD/紅外跟蹤測量頭、激光測距測量頭等重要設(shè)備，完成對目標(biāo)的跟蹤探測。2）轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究轉(zhuǎn)臺框架的主要結(jié)構(gòu)有封閉的 O 型，敞開式的 U 型和 T 型 3 種：O 型結(jié)構(gòu)對稱性好、整體剛度大、易于實現(xiàn)整圈旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、結(jié)構(gòu)頻率高，適于高速旋轉(zhuǎn)，一般用于內(nèi)框架和中框架；U 型和 T 型結(jié)構(gòu)對稱性差、整體剛度差、用于低速擺動運動、應(yīng)考慮配重問題、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、要實現(xiàn)較高的結(jié)構(gòu)頻率時，結(jié)構(gòu)笨拙，一般用于外框架和中框架。/S俯仰： 0~10176。目前在國內(nèi)主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。許多公司研制了以 DSP 為微處理器的伺服控制卡，這些卡一般以 PC 機(jī)為硬件平臺，以 DOS 或 WINDOWS 為軟件平臺，使用很方便。光電軸角編碼器是一種應(yīng)用廣泛的編碼式數(shù)字傳感器，它利用光電轉(zhuǎn)換原理直接將位移或角度的模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有分辨率高、體積小、精度高、工作可靠和接口數(shù)字化等優(yōu)點，所以在各類運動控制系統(tǒng)中，常常采用光電編碼器作為角度反饋檢測元件。本系統(tǒng)采用 CCD 光電探測器作為光電成像元件，CCD 攝像頭安裝在二維跟蹤轉(zhuǎn)臺上，CCD 攝像頭輸出的電視制式的圖像信號傳給計算機(jī)（PC 機(jī)） ，由 PC 機(jī)圖像處理單元完成圖像預(yù)處理、目標(biāo)檢測，提取出被跟蹤目標(biāo)，確定出目標(biāo)在當(dāng)前幀觀測圖像中的精確坐標(biāo)，經(jīng)過串行口下傳給下位機(jī) DSP 控制系統(tǒng)，DSP 控制系統(tǒng)計算得到目標(biāo)相對于攝像頭瞄準(zhǔn)線的偏差量，輸出控制信號控制轉(zhuǎn)臺步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動以帶動轉(zhuǎn)臺上的 CCD 攝像頭轉(zhuǎn)動，使目標(biāo)始終處于視場中心。 PCI 總線是一種同步的獨立于 CPU 的 32 位或 64 位局部總線，最高工作頻率 33MHZ，數(shù)據(jù)傳輸率為 132MB/S。ISA 總線傳輸速率慢，并且開發(fā)周期也比較長，現(xiàn)在已經(jīng)基本上被PCI 總線所取代了。串行接口標(biāo)準(zhǔn)采用 RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)。圖 圖像坐標(biāo)系平移 與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系圖x? 轉(zhuǎn)臺變速控制的提出在基于 DSP 的轉(zhuǎn)臺控制算法中，主要實現(xiàn)二維轉(zhuǎn)臺的水平軸和俯仰軸電機(jī)速度和方向的控制。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成，即參考模型、被控對象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)等幾部分 【14】 。不但能完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復(fù)雜算法，而且簡化了硬件結(jié)構(gòu)和體積，提高了系統(tǒng)可靠性。（3）I/O 單元：該模塊主要采集光電編碼器測角信號?？紤]到通信接口不涉及外部設(shè)備，所以選擇 SCI。因此，要通過串行口與上位機(jī)進(jìn)行通信，