侯啟真，楊博恩

(1.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理研究基地，天津300300;2.中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300)

0 引言

隨著我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展，機(jī)場(chǎng)對(duì)助航設(shè)施的性能和運(yùn)行可靠性要求不斷提高，并使我國(guó)機(jī)場(chǎng)助航設(shè)施的設(shè)置更加符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在飛機(jī)著陸作業(yè)中，機(jī)場(chǎng)助航燈光對(duì)飛行員的地面引導(dǎo)可以歸結(jié)為2個(gè)基本內(nèi)容:定向引導(dǎo)和方位指示，燈具出射光參數(shù)的合格性將直接影響飛機(jī)著陸時(shí)飛行員對(duì)其姿態(tài)和方位的正確判斷和飛機(jī)的安全著陸。為此國(guó)際民航組織對(duì)助航燈具的相關(guān)參數(shù):主光軸內(nèi)傾角和仰角給出了具體量化標(biāo)準(zhǔn)［1］，并規(guī)定當(dāng)燈具的光軸方向不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)必須調(diào)整［2］。但目前我國(guó)民航系統(tǒng)助航燈具光軸檢測(cè)儀器尚欠缺，燈具的出射角只能由廠家調(diào)整、標(biāo)出，最后要靠飛機(jī)校飛過程中飛行員的目測(cè)來(lái)獲得，過程繁瑣并且耗資較大。

本文提出了一種基于FPGA與 CCD相結(jié)合的助航燈具光軸檢測(cè)方法。常用的感光元件光電池是基于單點(diǎn)測(cè)量的，速度較慢，不能滿足本系統(tǒng)測(cè)量要求。為提高檢測(cè)速度，本系統(tǒng)選用線陣CCD作為光電敏感元件，可實(shí)現(xiàn)一列信號(hào)一次成像。數(shù)據(jù)采集部分以FPGA為控制邏輯核心的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)工作穩(wěn)定性得到大大提高，采集精度高，而且易于擴(kuò)展，具有很強(qiáng)的通用性。最后提出運(yùn)用質(zhì)心算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得主光軸的角度參數(shù)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要求和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，搭建的測(cè)量系統(tǒng)是暗室進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)［3］，圖1為檢測(cè)系統(tǒng)原理示意圖(俯視圖)。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾大部分組成:CCD驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA邏輯控制與輸出模塊、PCI總線數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理等，具體的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)原理示意圖Fig 1 Principle diagram of detecting system

圖2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖Fig 2 Overall design block diagram of system

檢測(cè)開始時(shí)，先利用激光準(zhǔn)直儀進(jìn)行校準(zhǔn)使檢測(cè)裝置中透鏡曲率中心、CCD中心和燈具幾何中心處于同一基準(zhǔn)上［4］。通過磨砂玻璃均勻處理可使朗泊輻射體作為測(cè)試屏幕，由于燈具到光接收面的距離R遠(yuǎn)大于燈具出射口的尺寸，可視為點(diǎn)光源。點(diǎn)光源出射光投射到測(cè)量屏幕上形成光斑，然后再經(jīng)過衰減片、濾光片和透鏡組組成的鏡頭后成像在CCD光敏面上，通過調(diào)節(jié)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)垂直移動(dòng)燈具，使CCD探頭檢測(cè)能測(cè)到整個(gè)光斑對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，然后通過由放大和濾波電路構(gòu)成的調(diào)理電路處理CCD輸出的模擬信號(hào)，將其調(diào)理成準(zhǔn)確的像元信號(hào)成分，再經(jīng)過以FPGA為控制邏輯核心的信號(hào)采集檢測(cè)系統(tǒng)采集得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值，最后將數(shù)據(jù)通過利用PCI總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理。

為使CCD檢測(cè)探頭能夠便于檢測(cè)到一定范圍的點(diǎn)光源的出射光線，在CCD前加上適宜焦距的透鏡組使其光斑成像變小。而且系統(tǒng)還需根據(jù)飛行員的可視光譜選用紫外/紅外截止濾光片來(lái)對(duì)CCD相應(yīng)光譜進(jìn)行校正，使光譜響應(yīng)曲線符合國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)人眼視見函數(shù)曲線。如圖3所示分別為點(diǎn)光源光軸在朗泊體上的坐標(biāo)和CCD探測(cè)平面上的坐標(biāo)。在計(jì)算機(jī)里利用質(zhì)心算法處理數(shù)據(jù)，可以得到CCD探測(cè)面上光軸坐標(biāo)，再通過幾何關(guān)系得到測(cè)量屏幕上對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，就可以得到光軸的內(nèi)傾角和仰角。

圖3 光軸的坐標(biāo)Fig 3 Coordinates of optical axis

2 系統(tǒng)感光元件的選取與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)［5］

系統(tǒng)選用的CCD是日本SONY公司的ILX521A芯片。ILX521A的動(dòng)態(tài)范圍很高，達(dá)到了2666。飽和輸出電壓0.8 V，在芯片的結(jié)構(gòu)中，它的光敏陣列共有273，其中前面12個(gè)和后面5個(gè)為啞元，中間的256個(gè)光電二極管為有效的光敏單元。每個(gè)光敏單元的尺寸為14μm×14μm，成像長(zhǎng)度為L(zhǎng)=256×0.014=3.58 mm。

另外，芯片內(nèi)置了放大電路，集成了時(shí)序產(chǎn)生器和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，光敏單元下面是讀出門，旁邊為模擬移位寄存器簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。典型時(shí)鐘脈沖信號(hào)頻率為1MHz，最大不超過2 MHz。該CCD有2種工作模式:有采樣保持和無(wú)采樣保持，由引腳S/H-SW控制。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用無(wú)采樣保持模式，將引腳S/H-SW接工作電壓，如圖4為外圍電路圖。

圖4 ILX521A的外圍電路Fig 4 Peripheral circuit of ILX521A

芯片正常工作只需要2條控制信號(hào):φCLK和φROG，其中，φCLK為芯片正常工作輸入脈沖，φROG為轉(zhuǎn)移柵輸入脈沖，控制著電荷的轉(zhuǎn)移和積分時(shí)間。當(dāng)φROG信號(hào)為高時(shí)，芯片上的光敏單元進(jìn)行光積分，實(shí)現(xiàn)光電荷的積累;當(dāng)φROG為低時(shí)，全部光敏單元上的信號(hào)電荷同時(shí)并行地轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器中，再被拉高，光敏單元繼續(xù)進(jìn)行光積分，而模擬移位寄存器中存儲(chǔ)的信號(hào)電荷則在時(shí)鐘中φCLK驅(qū)動(dòng)下逐個(gè)輸出到輸出極，輸出極產(chǎn)生信號(hào)電壓輸出。

以往CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生經(jīng)常采用的驅(qū)動(dòng)方法主要偏重硬件的實(shí)現(xiàn)，調(diào)試?yán)щy，靈活性較差。而單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法雖編程靈活，但存在資源浪費(fèi)較多、頻率較低的缺陷。為了克服這些問題產(chǎn)生系統(tǒng)中用到的時(shí)序，設(shè)計(jì)了基于FPGA的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器，并且節(jié)省PCB板的空間，可移植性好，使用靈活［6］。CCD的輸出信號(hào)含有無(wú)用的噪聲信號(hào)，而且信號(hào)的峰值不能與A/D轉(zhuǎn)換器電壓輸入范圍匹配，所以，在采集信號(hào)之前需先經(jīng)過調(diào)理電路處理，調(diào)理電路包括信號(hào)放大電路和濾波電路兩部分。由于CCD的輸出信號(hào)具有高速、高上升率特點(diǎn)，同時(shí)數(shù)據(jù)輸出速率可達(dá)1 MHz，需選用寬帶寬和高轉(zhuǎn)換率，而且不降低直流性能的放大器，本系統(tǒng)選用的是OPA2227運(yùn)算放大器。濾波電路采用低通濾波器濾除高頻干擾，采用低通和減法電路抑制和克服低頻電源噪聲和紋波影響，以及暗電流和背景光對(duì)信號(hào)的影響，系統(tǒng)采用超前—滯后LPF構(gòu)成的二階Butterworth低通濾波器。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)FPGA模塊化設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集和傳輸單元主要由A/D轉(zhuǎn)換和FPGA控制邏輯，PCI總線數(shù)據(jù)傳輸三大部分組成。

3.1 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

考慮到檢測(cè)光軸參數(shù)要求和電路要求，在此系統(tǒng)中選用的是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的8bit串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片TLC549，芯片可以工作在3.3 V和5.0 V電壓下，具有4 MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)17μs，芯片允許的最高轉(zhuǎn)換速率為45500次/s，典型功耗值為6 mW。其FPGA控制ADC采樣程序流程如圖5所示。

圖5 FPGA控制ADC采樣程序流程圖Fig 5 Flow chart of FPGA controlling ADC sampling program

3.2 數(shù)據(jù)采集控制邏輯實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制邏輯主要依靠狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的［7］。開始數(shù)據(jù)采集單元處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完成后，開啟數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換。最后，存儲(chǔ)串并轉(zhuǎn)換結(jié)果，再回到起始狀態(tài)準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)采集。具體數(shù)據(jù)采集控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示，enable是信號(hào)采集使能信號(hào)，cs為A/D轉(zhuǎn)換器控制信號(hào) ;rec-done是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào);temp-date［8］為串并轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào);data-sram為sram的數(shù)據(jù)輸入輸出總線;oe-sram，ce-sram，we-sram，lb-sram，ub-sram分別為 sram 的輸出使能信號(hào)、片選信號(hào)、寫使能信號(hào)、低字節(jié)控制信號(hào)和高字節(jié)控制信號(hào)，低電平有效。

圖6 數(shù)據(jù)采集控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig 6 State transition diagram of data acquisition controlling state machine

實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果證明:這種高速數(shù)據(jù)采集控制邏輯工作是可靠的，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集功能。

3.3 PCI總線數(shù)據(jù)傳輸

此系統(tǒng)采用的是專用PCI接口芯片PCI9054實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹骺啬K和目標(biāo)模塊，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的I/O接口，盡管只用到了部分PCI接口功能，但是可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，并提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性［8］。在設(shè)計(jì)中由于專用的PCI接口芯片為PCI接口的開發(fā)提供了一種簡(jiǎn)潔的方法，所以，只需要設(shè)計(jì)出本地總線接口就可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑頌?PCI9054的控制總線全部連接到FPGA芯片上，存儲(chǔ)單元SRAM的控制總線也連接到FPGA芯片上，這樣就可以通過FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI9054局部總線的各種功能，可以進(jìn)行PCI總線操作的各種命令;上位機(jī)也可以通過PCI接口芯片向邏輯控制單元發(fā)送命令，實(shí)時(shí)地讀取數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)的標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

系統(tǒng)采集得到的信號(hào)都是沒有明確物理意義的光信號(hào)，必須通過標(biāo)定的方法將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的具有明確意義的物理量。具體方法如下:

系統(tǒng)采集的模擬量是電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，其滿量程00～FF對(duì)應(yīng)參考電壓0～VREF。其電壓計(jì)算公式為Vadin=VREF×CODE/256，即為各電壓值對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值。這樣就建立了采樣數(shù)據(jù)與電壓信號(hào)之間的標(biāo)定關(guān)系。

另外，需要對(duì)系統(tǒng)中CCD采集到的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)國(guó)際民航組織文件對(duì)目視助航設(shè)施的相關(guān)規(guī)定［1］中，可以知道在所有的助航燈具中，其燈具中安裝要求的內(nèi)傾角最大為17°，要求的仰角也不會(huì)超過10°，因此，為提高測(cè)量的精度，可以標(biāo)定采集的光斑范圍為水平度數(shù)-20°～20°，垂直度數(shù)為0°～10°。在水平方向上系統(tǒng)利用256像元線陣CCD對(duì)水平方向進(jìn)行采集，在垂直方向利用測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)利用CCD對(duì)范圍內(nèi)光斑進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)標(biāo)定為燈具出射光光強(qiáng)為一組矩形數(shù)據(jù)

上位機(jī)得到數(shù)據(jù)后再利用質(zhì)心算法處理數(shù)據(jù)。在角度坐標(biāo)軸中x軸代表水平角度，y軸代表垂直角度，其中，光軸點(diǎn)坐標(biāo)為(xc，yc)，xc代表燈具的內(nèi)傾角，yc代表燈具的仰角，xi為像元i的位置，yi為CCD靶面采集到光斑的垂直位置，I(x，y)為采集到的對(duì)應(yīng)光斑各點(diǎn)的光強(qiáng)。最后用質(zhì)心算法［9］可以表示計(jì)算公式為

計(jì)算前用平滑算子對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理以消除抑制背景和CCD自身噪聲的影響，還可將數(shù)據(jù)中光強(qiáng)值小于某一閾值的像素的光強(qiáng)置為零，進(jìn)一步消除背景光強(qiáng)的影響，平滑算子可取為

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)離線燈具進(jìn)行檢測(cè)，采集的數(shù)據(jù)在MatlabR2009a軟件中處理，測(cè)得的光軸內(nèi)傾角和仰角結(jié)果與燈具標(biāo)準(zhǔn)值比較如表1，通過分析表可以看出:通過設(shè)計(jì)的系統(tǒng)計(jì)算得到的測(cè)量值與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值比較接近，且相對(duì)誤差比較小，說(shuō)明系統(tǒng)可以滿足測(cè)試要求［10］。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab 1 Result of experimental test

5 結(jié)論

本文測(cè)得一組對(duì)應(yīng)的光信號(hào)參數(shù)的矩形數(shù)據(jù)組，經(jīng)過質(zhì)心算法處理數(shù)據(jù)得到光軸的角度參數(shù)。通過系統(tǒng)測(cè)得值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較分析，測(cè)量分析的誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，這說(shuō)明本系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。系統(tǒng)的測(cè)量對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)控制精度等方面的要求要高，并影響最終的測(cè)量精度，本系統(tǒng)測(cè)得結(jié)果都在允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明具有良好的測(cè)試精度。

另外，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)改變垂直和水平測(cè)試范圍，擴(kuò)大測(cè)得的數(shù)據(jù)組信息量，然后經(jīng)過相關(guān)算法可以得到光強(qiáng)等值線或進(jìn)行燈光色度分析，將檢測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)可以測(cè)量助航燈具多種光度參數(shù)。

［1］國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和建議措施機(jī)場(chǎng)民用航空公約附件十四［S］.5版.國(guó)際民航組織，2009:1-10.

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