【文章內(nèi)容簡介】 范也相當(dāng)復(fù)雜，不適合在短期開發(fā)里采用。剩下的 USB總線和 RS232串行總線，USB 總線的傳輸速率在 PCI總線相比，其開發(fā)周期也相對較短；RS232 串行總線的傳輸速率較低，但是它的開發(fā)是最容易的。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。在串行通信中，系統(tǒng)選用了異步通信，其特點(diǎn)是通信雙方以一個(gè)字符作為數(shù)據(jù)傳輸單位，且發(fā)送方傳送字符的間隔時(shí)間是不定的，在傳輸一個(gè)字符時(shí)總是以起始位開始，以停止位結(jié)束 [12]。采用這種通信方式，硬件電氣連接簡單，且在 PC 機(jī)上針對串口編程接口方便，通常最高波特率設(shè)定在 9600bps 左右。如果用串行同步方式可提高傳輸率，但需在 PC 機(jī)上擴(kuò)展設(shè)備。故本系統(tǒng)采用的通信方式為串行異步通信方式。串行接口標(biāo)準(zhǔn)采用 RS232接口標(biāo)準(zhǔn)。 轉(zhuǎn)臺(tái)的控制方案設(shè)計(jì)光電成像跟蹤系統(tǒng)視野的平移是通過對轉(zhuǎn)臺(tái)的控制來實(shí)現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)臺(tái)的控制是通過選擇合理的水平和垂直旋轉(zhuǎn)角度 和 來實(shí)現(xiàn)的 [13]。???在跟蹤系統(tǒng)中，圖像處理單元送出目標(biāo)形心與圖像中心的位移偏差（ 、 ） ，先將其轉(zhuǎn)x?y換成轉(zhuǎn)臺(tái)控制參數(shù)( 、 )，其中 為轉(zhuǎn)臺(tái)水平方位角移動(dòng)量， 為轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰角移動(dòng)量。??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 。設(shè)圖像水平方向長度為?f，垂直方向長度為 。其中， 、 、 、 為己知，由于 沒有標(biāo)定，是未知量，見圖whwh?，F(xiàn)以水平方向?yàn)槔?，說明圖像坐標(biāo)系平移 與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系。圖像成像在焦平面x?上，所以有 （）tan(/2)/fw??? （）gx解之得 （）2arctn[(/)]tw????同理得 t[t(/)]yrh??? （）基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)研究9一般情況下， 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)偏差通過串口協(xié)議下傳給 DSP控制系統(tǒng)，DSP 控制系統(tǒng)經(jīng)過運(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。圖 與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系圖x?在基于 DSP的轉(zhuǎn)臺(tái)控制算法中，主要實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的水平軸和俯仰軸電機(jī)速度和方向的控制。若采用水平軸和俯仰軸電機(jī)速度不可變的控制算法，這樣存在著一定的缺陷。下面以水平方向?yàn)槔齺碚f明： （）/xxtw???式中， 是水平方位角移動(dòng)量， 是水平旋轉(zhuǎn)角速度， 是目標(biāo)在水平方向回到視場中心所需?? xt要的時(shí)間，由上式可知，根據(jù)水平方位角移動(dòng)量和水平旋轉(zhuǎn)角速度得出其相應(yīng)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，當(dāng) 過大、 相對過小時(shí)，電機(jī)在水平方向運(yùn)行時(shí)間過長，靈敏度差，反應(yīng)太慢，跟不上目標(biāo)；xw當(dāng) 過大、 相對過大，這樣得出的時(shí)間很小，造成轉(zhuǎn)臺(tái)反應(yīng)過于靈敏，抖動(dòng)性過大，目標(biāo)就??不能準(zhǔn)確的回到視場中心。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。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件平臺(tái)是完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測與跟蹤的重要保證，通過對實(shí)驗(yàn)場景的分析以及目標(biāo)檢測和跟蹤算法的研究，根據(jù)性能要求和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件，本文設(shè)計(jì)研制了一套硬件平臺(tái)：采用基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)研究10DSP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要的硬件處理器；選定了用于獲取圖像的 CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和二維精密電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)；以及轉(zhuǎn)臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光電編碼器、光電耦合器等；圖像輸出設(shè)備采用了實(shí)驗(yàn)室里己有的顯示器。本章將對本系統(tǒng)主要的硬件部分的構(gòu)成及功能做詳細(xì)的介紹。 DSP 選型及 TMS320LF2407 簡介在光電成像跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，處理器件接受高層控制級的指令，計(jì)算和輸出控制信號，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，因此系統(tǒng)要求處理器具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力、較短的運(yùn)行周期及高度可靠的性能。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，成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心芯片的最佳選擇之一 [15]。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。TMS320LF2407A為本系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)最終確定的微處理器。TMS320LF2407A是一種高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)，具有強(qiáng)大的指令系統(tǒng)、高速處理能力、改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)(程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器具有各自的總線)、多級流水線、靈活方便的接口、集成片內(nèi)外設(shè)、片內(nèi)存儲(chǔ)器等優(yōu)點(diǎn) [16]。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)專用的算術(shù)單元，用來作數(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)；4）程序控制（a）4 級管道操作；（b）8 級硬件堆棧；（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；基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)研究11（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處理算法[17]。 基于 DSP 的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)功能分析根據(jù)系統(tǒng)控制要求，DSP 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主體部分相互之間的關(guān)系如圖 ：DSPTMS320LF2407RS232串口單元電源單元上位機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊被控電機(jī)光電編碼器I/O 單元光電隔離模塊電機(jī)控制接口圖 DSP的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)功能模塊（1）RS232 串口單元：通過串行通信接口（SCI）從上位 PC機(jī)讀取控制指令，以及向上位 PC機(jī)發(fā)送測角信號。（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。（3）I/O 單元：該模塊主要采集光電編碼器測角信號。（4）電機(jī)控制接口：由該接口輸出控制脈沖信號和方向信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。（5）光電隔離模塊：對光電編碼器測角信號與 DSP檢測模塊進(jìn)行光電隔離。（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轉(zhuǎn)換成各電機(jī)轉(zhuǎn)角和方向控制信號。 步進(jìn)電機(jī)及其工作原理在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，有直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，以及實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。目前在光電成像跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)研究12機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。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)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)及其功率驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成一個(gè)開環(huán)的定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度即步距角。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就越多，輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。因此可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)的種類根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)不同，可分為常用三大類：反應(yīng)式（也稱磁阻式） 、永磁式、混合式。其中混合式步進(jìn)電機(jī)兼有反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用也越來越廣泛。本系統(tǒng)俯仰和方位轉(zhuǎn)軸的電機(jī)均為 57型混合式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表 32所示：表 32步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)型號 相數(shù) 步距角/STEP電壓V電流A電阻Ω電感mH最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量重量kg57BYGH8022 176。 260 光電隔離模塊由于本系統(tǒng)使用的光電編碼器電源電壓為 12V，輸出信號是電壓信號，而 DSP 要求接收 TTL 電平，所以在采集光電編碼器輸出信號時(shí)，要使用光電耦合器件進(jìn)行電路隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，接收信號經(jīng) DSP 處理后，通過串行方式上傳給 PC 機(jī)。采用光電耦合器對光電編碼器測角信號進(jìn)行隔離既能起到抗干擾的作用，又能對系統(tǒng)起到安全保護(hù)作用[27]。光電隔離模塊采用光電耦合器 TLP5214。TLP5214 是發(fā)光二極管與光電晶體管封裝的光電耦合器，結(jié)構(gòu)為雙列直插 4 引腳塑封，內(nèi)部帶有 4 個(gè)相同的光電耦合電路，主要用于開關(guān)電源電路中，其原理圖如圖 所示?；?DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)研究2圖 TLP5214 內(nèi)部耦合電路基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)研究14第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 完整、可靠的、符合系統(tǒng)性能要求的硬件電路設(shè)計(jì)是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條件，而完善的軟件設(shè)計(jì)則是發(fā)揮硬件資源潛能，最終達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)不可或缺的必要條件。在前一章中主要介紹了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，本章將主要介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工作。 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，系統(tǒng)自檢、中斷配置等功能 [28]。主程序完成初始化后，進(jìn)入循環(huán)等待中斷，中斷程序完成對上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)的接收，并依據(jù)控制算法將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 PWM的脈沖的生成和步數(shù)計(jì)數(shù)。主程序流圖如圖 ： 系統(tǒng)初始化設(shè)置程序開始運(yùn)行時(shí)要進(jìn)行初始化，只有正確的初始化各寄存器，系統(tǒng)才能正確中斷和讀寫數(shù)據(jù)[29]。系統(tǒng)初始化函數(shù) void sys_ini()完成了以下工作：禁止所有可屏蔽中斷，并將中斷標(biāo)志位清零；設(shè)置 CLKOUT=4*CLKIN=40M，并且使能 EVA、SCI 外設(shè)。初始化設(shè)置如下：void sys_ini(){ asm( setc INTM)。 /*關(guān)總中斷*/基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)研究15 asm( clrc SXM)。 /*抑制符號位擴(kuò)展*/ asm( clrc OVM)。 /*累加器中結(jié)果正常溢出*/ asm( clrc CNF)。 /*B0被配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間*/ * SCSR1=0X0005。 /*CLK