【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 處理器(DSP)的伺服控制卡數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)專(zhuān)為信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，是解決實(shí)時(shí)處理要求的單片可編程處理芯片。它使用靈活，在用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高的信號(hào)處理任務(wù)時(shí)，與一般微處理器相比，其速度更快、效率更高。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。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(tái)，以 DOS 或 WINDOWS 為軟件平臺(tái)，使用很方便。無(wú)論是基于單片機(jī)的伺服控制卡、基于專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片的伺服控制卡、還是基于 DSP 的伺服控制卡，它的一般構(gòu)成都不外乎以下幾部分，如圖 所示：10總線接口MCU 或 DSP 最小系統(tǒng)I/O接口反饋輸入調(diào)頻脈沖發(fā)生模塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖 運(yùn)動(dòng)控制器的一般構(gòu)成總線接口用于與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信；MCU 或 DSP 實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制；脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)；反饋輸入是指實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制時(shí)，檢測(cè)裝置的輸出；I/O 接口用于限位開(kāi)關(guān)、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)等信號(hào)的輸入以及外部使能等信號(hào)的輸出。 測(cè)角單元測(cè)角單元作為轉(zhuǎn)臺(tái)角位置的測(cè)量及反饋是轉(zhuǎn)臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，它在某種程度上決定了系統(tǒng)的性能 [8]。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。目前，角位置傳感器種類(lèi)很多。最常用的是按其工作原理來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，例如電位器式角度傳感器，光柵式角度傳感器，磁柵式角度傳感器 [9]等等。比較光柵、感應(yīng)同步器和碼盤(pán)這三種傳感器，其共同特點(diǎn)是：易數(shù)字化，適用于靜、動(dòng)態(tài)測(cè)角，精度較高，信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路復(fù)雜。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。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(hào)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(diǎn)，所以在各類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，常常采用光電編碼器作為角度反饋檢測(cè)元件。根據(jù)形成代碼的方式不同，光電軸角編碼器分為增量式和絕對(duì)式兩大類(lèi)：增量式編碼器的碼盤(pán)，其碼盤(pán)的刻線均一，對(duì)應(yīng)每一個(gè)分辨率區(qū)間，可輸出一個(gè)增量脈沖，計(jì)數(shù)器相對(duì)于基準(zhǔn)位置(零位)對(duì)輸出脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，正轉(zhuǎn)則加，反轉(zhuǎn)則減。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)小型化，響應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失，且有誤差累積現(xiàn)象；絕對(duì)式光電軸角編碼器一般使用二進(jìn)制碼盤(pán)，碼盤(pán)上的碼道按一定規(guī)律排列，對(duì)應(yīng)每一分辯串區(qū)間有唯一的二進(jìn)制數(shù)，因此在不同的位置，11可輸出不同的數(shù)字代碼。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)。絕對(duì)式光電軸角編碼器的缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)小型化。本系統(tǒng)采用整裝絕對(duì)式光電軸角編碼器，方位和俯仰各一個(gè)，通過(guò)精密聯(lián)軸節(jié)將光電軸角編碼器分別安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰軸和水平軸上。在選擇軸角編碼器時(shí)，要考慮被測(cè)元件的精度，要使它能與被測(cè)元件的精度相匹配，一般編碼器的精度要高于被測(cè)元件的精度。 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。本系統(tǒng)采用 CCD 光電探測(cè)器作為光電成像元件，CCD 攝像頭安裝在二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)上，CCD 攝像頭輸出的電視制式的圖像信號(hào)傳給計(jì)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(cè)，提取出被跟蹤目標(biāo)，確定出目標(biāo)在當(dāng)前幀觀測(cè)圖像中的精確坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)串行口下傳給下位機(jī) DSP 控制系統(tǒng)，DSP 控制系統(tǒng)計(jì)算得到目標(biāo)相對(duì)于攝像頭瞄準(zhǔn)線的偏差量，輸出控制信號(hào)控制轉(zhuǎn)臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上的 CCD 攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，使目標(biāo)始終處于視場(chǎng)中心。光電成像跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖 所示：PC 機(jī)圖像處理單元CCD 光電探測(cè)器光電圖像采集光電圖像預(yù)處理光電目標(biāo)檢測(cè)二維電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)DSP 處理器驅(qū)動(dòng)器光電編碼器圖 光電成像跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖PC 機(jī)圖像處理單元在光電成像跟蹤系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)處理，主要完成以下任務(wù)：（a）采集、存儲(chǔ)光電圖像，并進(jìn)行校正；（b）實(shí)現(xiàn)光電目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)；12（c）輸出目標(biāo)與探測(cè)器光軸的偏差；（d）實(shí)時(shí)錄取偵察過(guò)程的視頻錄像，采集重要的光電圖像；（e）完成系統(tǒng)故障自檢。上位機(jī)采用可視化語(yǔ)言（如 VB、VC++ ）容易建立良好的人機(jī)界面，便于用戶實(shí)現(xiàn)向下位機(jī)發(fā)送自檢信息，并在檢測(cè)到故障時(shí)進(jìn)行故障處理，設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，向下位機(jī)發(fā)送命令，接收下位機(jī)送回的信息，對(duì)出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警，以及數(shù)據(jù)的采集與處理等工作；基于 DSP 處理器的下位機(jī)是二維轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，它接受上位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行具體的控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法，比如變速控制、插補(bǔ)（用于兩軸或多軸轉(zhuǎn)臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制）等 【11】 ，此外下位機(jī)還要根據(jù)上位機(jī)的命令完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角系統(tǒng)（如：光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等）的實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)角數(shù)據(jù)的讀取、處理以及轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)的及時(shí)回傳等工作 【10】 。 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。早期電機(jī)控制與 PC 機(jī)的結(jié)合是通過(guò) ISA 總線實(shí)現(xiàn)的。ISA 總線是一種 8 位或 16 位非同步數(shù)據(jù)總線，工作頻率為 8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率在 8 位時(shí)為1MB/S，16 位時(shí)為 2MB/S。但是 ISA 總線的響應(yīng)速度較慢，并且在多任務(wù)的操作環(huán)境下占用太多的系統(tǒng)資源，這成為限制 ISA 總線發(fā)展的瓶頸。（2）PCI 總線。 PCI 總線是一種同步的獨(dú)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。并且 PCI 總線上的外圍設(shè)備可與 CPU并發(fā)工作，提高了系統(tǒng)的整體性，但是其協(xié)議規(guī)范較為復(fù)雜。（3）USB 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)。（4）串行總線。最常用的 PC 機(jī)外圍擴(kuò)展接口，規(guī)范協(xié)議較為簡(jiǎn)單，但是由于是串行通信，收發(fā)數(shù)據(jù)各自只通過(guò)一條線完成，其傳輸速率較低，適用于對(duì)傳輸速率要求不是很高的系統(tǒng)中。根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可以選用不同的總線擴(kuò)展下位機(jī)控制系統(tǒng)，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。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。ISA 總線傳輸速率慢，并且開(kāi)發(fā)周期也比較長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)基本上被PCI 總線所取代了。 PCI 總線可靠性高、傳輸速度快，但是其開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，它的總線規(guī)范也相當(dāng)復(fù)雜，不適合在短期開(kāi)發(fā)里采13用。剩下的 USB 總線和 RS232 串行總線，USB 總線的傳輸速率在 規(guī)范中可以和PCI 總線相比，其開(kāi)發(fā)周期也相對(duì)較短；RS232 串行總線的傳輸速率較低，但是它的開(kāi)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(kāi)始，以停止位結(jié)束 [12]。采用這種通信方式，硬件電氣連接簡(jiǎn)單，且在 PC 機(jī)上針對(duì)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(guò)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)臺(tái)的控制是通過(guò)選擇合理的水平和垂直旋轉(zhuǎn)角度 和 來(lái)實(shí)現(xiàn)的 [13]。??? 轉(zhuǎn)臺(tái)控制參數(shù)的計(jì)算在跟蹤系統(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（ 、 ） ，x?y先將其轉(zhuǎn)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(zhǎng)度為 ，垂直方向長(zhǎng)度為 。其中， 、 、 、 為己知，f wh?wh由于 沒(méi)有標(biāo)定，是未知量，見(jiàn)圖 ?，F(xiàn)以水平方向?yàn)槔?，說(shuō)明圖像坐標(biāo)系平移 與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。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。圖 圖像坐標(biāo)系平移 與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖x? 轉(zhuǎn)臺(tái)變速控制的提出在基于 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?lái)說(shuō)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?? xt場(chǎng)中心所需要的時(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(guò)大、 相對(duì)過(guò)小時(shí)，電機(jī)在水平方向運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，??x靈敏度差，反應(yīng)太慢，跟不上目標(biāo)；當(dāng) 過(guò)大、 相對(duì)過(guò)大，這樣得出的時(shí)間很小，xw造成轉(zhuǎn)臺(tái)反應(yīng)過(guò)于靈敏，抖動(dòng)性過(guò)大，目標(biāo)就不能準(zhǔn)確的回到視場(chǎng)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。 變速控制的原理依據(jù)自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂“不確定性”15是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知的因素和隨機(jī)因數(shù)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于被跟蹤目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)，所以其所在環(huán)境也在變化，適合采用自適應(yīng)控制方法。本文轉(zhuǎn)臺(tái)自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。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。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(duì)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】 。在系統(tǒng)中，給定了一個(gè)參考速度和參考偏差角，控制器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程是這樣的：當(dāng)經(jīng) DSP 處理后得到的偏差角與給定偏差角的比值絕對(duì)值大于 1 時(shí)，自適應(yīng)控制的輸入信號(hào) u 將隨著改變，調(diào)節(jié)偏差角與給定偏差角的比值絕對(duì)值小于等于 1，轉(zhuǎn)臺(tái)攝像頭將以參考速度動(dòng)作，直到目標(biāo)形心中心與圖像形心的坐標(biāo)重合。即：當(dāng)目標(biāo)形心坐標(biāo)與視場(chǎng)中心坐標(biāo)之差在某一設(shè)定值之內(nèi)時(shí)，此時(shí)，控制轉(zhuǎn)臺(tái)只需微調(diào)，使得形心坐標(biāo)和視場(chǎng)中心坐標(biāo)重合，轉(zhuǎn)臺(tái)以水平旋轉(zhuǎn)初速度 和垂直初速度 向視場(chǎng)中心移動(dòng)。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。16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(cè)與跟蹤的重要保證，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的分析以及目標(biāo)檢測(cè)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 DSP 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(duì)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(jiǎn)介 DSP 選型在光電成像跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)