王青強(qiáng)，敦煌俊秋，陸留平，王 偉

（南京醫(yī)科大學(xué) 江蘇 南京 210029）

基于CCD傳感器的點(diǎn)光源動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)

王青強(qiáng)，敦煌俊秋，陸留平，王 偉

（南京醫(yī)科大學(xué) 江蘇 南京 210029）

系統(tǒng)是以TI公司的低功耗微控制器MSP430F149為核心，基于CCD傳感器OV7670對(duì)點(diǎn)光源所在平面進(jìn)行采樣，利用微控制器將圖像信息存儲(chǔ)并進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖像處理，顯示在液晶上，再通過無線傳輸系統(tǒng)將信息反饋到追蹤臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)在細(xì)分器的驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)控制追蹤臺(tái)進(jìn)行X/Y方向移動(dòng)，以達(dá)到動(dòng)態(tài)追蹤點(diǎn)光源的目的。經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試和分析，CCD傳感器采集信息準(zhǔn)確，伺服控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)，最終證實(shí)了系統(tǒng)的有效性和可行性。

MSP430；CCD傳感器；自動(dòng)跟蹤；步進(jìn)電機(jī)

隨著人們對(duì)能源的需求，以及軍事發(fā)展的需要，使點(diǎn)光源追蹤成為一種發(fā)展迅速，較為成熟的技術(shù)。目前點(diǎn)光源追蹤技術(shù)多種多樣，使用較為廣泛的有基于光敏三極管的點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)，基于光敏電阻，光電池的點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)，跟基于攝像頭的點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)。該技術(shù)應(yīng)用前景非常廣泛，例如太陽追蹤發(fā)電系統(tǒng)，目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%[1]。其次在軍事演練中，要求對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確打擊，在導(dǎo)彈上裝有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的作用下，對(duì)點(diǎn)光源目標(biāo)進(jìn)行精確地跟蹤打擊，能大大提高命中率。而CCD傳感器具有性價(jià)比高，線性范圍好，敏感度高，可檢測(cè)較遠(yuǎn)距離，受外界其他因素影響較小的優(yōu)點(diǎn)。在奧運(yùn)打靶，道路監(jiān)控，醫(yī)療行業(yè)中已廣泛應(yīng)用。針對(duì)該系統(tǒng)有如此廣泛的應(yīng)用，以及優(yōu)良的性能，因此下面給出一種基于CCD傳感器的點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

基于CCD傳感器的點(diǎn)光源自動(dòng)跟蹤裝置由高亮度LED模擬點(diǎn)光源，CCD傳感器由OV7670的攝像頭模塊組成，圖像處理單元由一片TI公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149組成，無線通信模塊由兩片NRF905組成，主控器以及人機(jī)接口由一片MSP430F149單片機(jī)與12864液晶組成，用步進(jìn)電機(jī)控制平臺(tái)模擬追蹤臺(tái)。

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是在有點(diǎn)光源的情況下，CCD傳感器探測(cè)到點(diǎn)光源并獲取原始圖像數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)進(jìn)行灰度化，濾波，二值化等圖像處理后，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，通過NRF905傳輸坐標(biāo)信息到主控制模塊，一方面通過人機(jī)接口進(jìn)行顯示，另一方面控制追蹤臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器及人機(jī)接口模塊

主控制器由TI的超低功耗單片機(jī)MSP430F149組成，該單片機(jī)采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍最大可以達(dá)到64K，并且可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器；片內(nèi)有精密硬件乘法器、2個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)12路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且擁有較多端口，可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載[2]。同時(shí)，其為FLASH型，可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，方便實(shí)用并且速度高，功耗低，可以在超低功耗模式下工作[3]。在本設(shè)計(jì)中利用其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，直接向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及液晶輸出控制信號(hào)，可以很好地完成任務(wù)。

人機(jī)接口模塊是由一塊12864液晶組成，F(xiàn)YD12864_0402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單的、方便地操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。該模塊用于顯示當(dāng)前點(diǎn)光源的位置坐標(biāo)信息。

2.2 追蹤模塊控制電路

點(diǎn)光源所在平面距離控制平臺(tái)的距離為3 m，采用64分的細(xì)分器驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)控制追蹤臺(tái)的方向，單一可調(diào)節(jié)最細(xì)的角度為0.028度，由于最大角度基本小于五度，那么正弦函數(shù)和正切函數(shù)近似相等。在有效移動(dòng)區(qū)域內(nèi)的最精細(xì)控制，可以達(dá)到0.147 Cm。并且細(xì)分驅(qū)動(dòng)器輸出電流穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)[4]。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精細(xì)調(diào)速控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。細(xì)分是通過驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無關(guān)。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級(jí)近似階梯波），則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置（形成N個(gè)步距角）。SM-202A細(xì)分驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)從1至64細(xì)分，系統(tǒng)選用64細(xì)分[4]。如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)與細(xì)分器的連接圖Fig.2 Connection diagram of the stepper motor and subdivision

2.3 無線傳輸電路

無線傳輸采用NRF905，nRF905突出的優(yōu)點(diǎn)就是收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。nRF905是挪威Nordic公司推出的一款單片射頻發(fā)射器芯片，采用32引腳5 mm×5 mmQFN封裝，工作于 433、868、915 MHz 3 個(gè) ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，其中國(guó)內(nèi)433頻段可以免費(fèi)使用。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能組成不需要外加聲表濾波器也可以有良好的通信效果。nRF905使用SPI接口可以和任何MCU進(jìn)行通信，其中地址、輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，所以可以用于多機(jī)通信。nRF905融合了ShockBurstTM技術(shù)，可以自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包字頭，且內(nèi)置CRC校驗(yàn)功能，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。nRF905功耗很低在以-10dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有11 mA而對(duì)應(yīng)接收機(jī)的工作電流只有12.5 mA，芯片可以軟件設(shè)置空閑模式、關(guān)機(jī)模式，易于節(jié)能設(shè)計(jì)。適合工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)等諸多領(lǐng)用。

利用NRF905實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行傳送，在CCD傳感器處與追蹤臺(tái)處各安置一個(gè)NRF905。

2.4 CCD傳感器驅(qū)動(dòng)電路

CCD傳感器驅(qū)動(dòng)采用芯片AL422B，AL422B是Averlogic公司的專用視頻的FIFO，最大存儲(chǔ)為384K X 8 bits，同時(shí)支持VGA，CCIR，NTSC，PAL等視頻制式，兩端獨(dú)立的讀寫操作，支持不同速率的讀寫.根據(jù)CCIR.601協(xié)議，一場(chǎng)圖像數(shù)字化后最大的數(shù)據(jù)量是220K X 16 bit，因此，采用的AL422B足夠可以容納完整的一場(chǎng)視頻圖像的數(shù)據(jù)量.采用這種大的FIFO的設(shè)計(jì)可以降低DSP對(duì)視頻FIFO讀寫控制時(shí)序的復(fù)雜度，使整個(gè)視頻圖像處理流程簡(jiǎn)捷，同時(shí)減少控制信號(hào)[5]。其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成。特別適合高速攝像頭與單片機(jī)的對(duì)接，使得低速的單片機(jī)能夠讀取到圖像信號(hào)。如圖3所示。

2.5 圖像處理模塊

由一片TI公司的C2000系列的DSP進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖像處理，在CCD傳感器采集到圖像信息之后，DSP與傳感器進(jìn)行通信，獲取原始圖像信息，將圖像進(jìn)行灰度化，濾波，以及二值化處理后，提取出坐標(biāo)信息，最后將坐標(biāo)通過NRF905無線傳輸至主控制器。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集及處理單元

點(diǎn)光源檢測(cè)由CCD傳感器模塊對(duì)點(diǎn)光源所在平面進(jìn)行識(shí)別，在沒有點(diǎn)光源的情況下，CCD傳感器先采集一幀原始圖像，進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，即提取一定的像素點(diǎn)，并將其灰度化后，取出平均值最為此后圖像處理的閾值，達(dá)到減小誤差的目的。當(dāng)出現(xiàn)點(diǎn)光源時(shí)，CCD傳感器再次采集圖像，采集的圖像在從站的控制下存入閃存卡內(nèi)，通過NRF950無線傳輸將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)進(jìn)行處理。

單片機(jī)先將圖像進(jìn)行灰度化處理，灰度化的方法有分量法，最大值法，平均法，以及加權(quán)平均法，在這里選用加權(quán)平均法進(jìn)行處理，根據(jù)重要性及其它指標(biāo)，將3個(gè)分量以不同的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均。由于人眼對(duì)綠色的敏感最高，對(duì)藍(lán)色敏感最低，因此，按公式 f（i，j）=0.30R（i，j）+0.59G（i，j）+0.11B（i，j）對(duì)RGB三分量進(jìn)行加權(quán)平均能得到較合理的灰度圖像。其次因?yàn)閳D像主要是以椒鹽噪聲為主，所以對(duì)灰度化之后的圖像進(jìn)行中值濾波，通過從圖像中的某個(gè)采樣窗口取出奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，用排序后的中值取代要處理的數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行二值化處理，即設(shè)定一個(gè)全局的閾值，將圖像的數(shù)據(jù)分成兩部分，將大于閾值的像素群的像素值設(shè)定為黑色，小于閾值的像素群的像素值設(shè)定為白色。經(jīng)過圖像處理后獲得點(diǎn)光源坐標(biāo)，隨后液晶顯示當(dāng)前點(diǎn)光源的位置，并控制追蹤進(jìn)行有效地跟蹤。圖4是圖像采集處理流程圖。

圖3 CCD傳感器驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 CCD sensor driving circuit

圖4 圖像采集處理流程圖Fig.4 Flow diagram of image acquisition and processing

3.2 追蹤臺(tái)控制單元

在主控制器獲取點(diǎn)光源位置坐標(biāo)后，通過軟件控制液晶以并行方式顯示當(dāng)前點(diǎn)光源位置坐標(biāo)[5]，并輸出一定脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行X/Y方向移動(dòng)，粗調(diào)至點(diǎn)光源附近，然后在進(jìn)行細(xì)調(diào)，使追蹤臺(tái)精確指向點(diǎn)光源。圖5是追蹤臺(tái)控制單元流程圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差分析

圖5 追蹤臺(tái)控制單元流程圖Fig.5 Tracking control unit flow chart

由自制的10環(huán)靶紙，且由圓心出發(fā)分成8等分扇形區(qū)域模擬點(diǎn)光源所在平面以便更好地描述位置信息，追蹤臺(tái)此此時(shí)所指方位由液晶顯示。測(cè)試點(diǎn)光源所在位置與追蹤臺(tái)指向位置，計(jì)算誤差。如表1所示。

表1 點(diǎn)光源位置與追蹤臺(tái)實(shí)際指向位置Tab.1 Test result of the dynamic tracking system

經(jīng)過實(shí)際測(cè)測(cè)，該系統(tǒng)在追蹤時(shí)相對(duì)誤差為0.25環(huán)，絕對(duì)誤差為0.3%，平均刷新時(shí)間為2.3 s。誤差主要產(chǎn)生在步進(jìn)電機(jī)的自身特性，以及點(diǎn)光源平面的平整度，其次追蹤臺(tái)的物理結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)X方向移動(dòng)為弧形，如果其運(yùn)動(dòng)為直線，則會(huì)產(chǎn)生誤差[6]。

5 結(jié) 論

系統(tǒng)總體性能較好，追蹤迅速，準(zhǔn)確，由于采用了自動(dòng)校準(zhǔn)[7]，所以環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響很小，能適應(yīng)各種外界的復(fù)雜條件。由于時(shí)間和知識(shí)的欠缺，系統(tǒng)在某些方面還是有待改進(jìn)。在追蹤臺(tái)控制方面會(huì)有較小的誤差，此誤差可以通過軟件設(shè)計(jì)解決，其次步進(jìn)電機(jī)自身的物理特性，可以通過使用高精度的伺服系統(tǒng)[8]進(jìn)行代替，則會(huì)有跟好的表現(xiàn)。

點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)在未來的發(fā)展中會(huì)起到不可替代的作用，在能源利用，軍事打擊，醫(yī)療行業(yè)中均有涉及，而基于CCD傳感器的點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)將會(huì)以高性價(jià)比，高響應(yīng)速度，超高精度的特點(diǎn)在諸多領(lǐng)域中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

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Dynamic tracking system of a point light source based on CCD sensor

WANG Qing-qiang， DUNHUANG Jun-qiu， LU Liu-ping， WANG Wei
（Nanjing Medical University， Nanjing 210029， China）

System is based on the low power MCU MSP430F149 of TI，Sampling point light by a CCD sensor OV7670.Then store the image in the flash memory card with the MSP430F149 and make simple processing to the graph，then display on the screen，after that through a wireless transmission system，the information fed back to the stepper motor control platform.With the subdivision drive，stepper motor automatically controlled the moment along the X/Y direction of tracking station so that the system achieve the purpose of dynamic tracking of the point light source.After the actual testing and analysis，information that the CCD sensor collected is accurate， movement of servo control system is precise， all these proved the effectiveness and feasibility of the system ultimately.

MSP430； CCD sensor； tracking； step motor

TP27

A

1674－6236（2013）04-0071-04

2012-10-16稿件編號(hào)201210105

王青強(qiáng)（1991—），男，江蘇南京人。研究方向：電子醫(yī)療儀器。