趙廣元，汪志偉

（西安郵電大學 陜西 西安 710021）

一種改進的點光源跟蹤系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

趙廣元，汪志偉

（西安郵電大學 陜西 西安 710021）

提出一種改進的點光源跟蹤方案，采用MSP430F149作為主控制器，分光源發(fā)送端和光源跟蹤端兩部分研究。發(fā)送端發(fā)送1KHz頻率的光，跟蹤端用光敏三極管檢測點光源信號，對其進行1KHz的帶通濾波和A/D轉換，然后分析點光源的移動方向，并控制舵機跟蹤點光源。軟件部分用基本控制和中心控制兩種算法互相補充、交叉控制，提升了系統(tǒng)性能。測試結果表明，系統(tǒng)跟蹤快速且準確、運行穩(wěn)定。

點光源跟蹤；光信號檢測；巴特沃茲濾波器；MSP430

光推動著人類的社會進步，對光的有效利用，一直是科研人員的努力方向。在自動化技術高速發(fā)展的今天，對光信號的檢測與跟蹤有著廣泛的應用價值。文[1]和文[2]所設計的點光源跟蹤系統(tǒng)，均能基本實現(xiàn)對點光源的基本跟蹤，但是它們的檢測部分采用了靈敏度不高的光敏二極管。文[3]通過光敏三極管檢測光信號，在一定程度上提升了光源跟蹤系統(tǒng)的精度。但上述文獻均片面地對光強度進行分析，導致系統(tǒng)受外界光線影響較大，特別是在某些需對特殊光信號進行精確跟蹤的情況下，這些裝置的應用有局限。文[4]設計了一種自適應帶通濾波器，能用來對特定頻率的信號進行自動跟蹤，但并未將帶通濾波技術應用到光源跟蹤系統(tǒng)中。為此，本文擬利用帶通濾波器實現(xiàn)對特定頻率點光源信號的提取，通過光敏三極管檢測光信號，設計一種改進的點光源跟蹤裝置，并在此基礎上提出對應的控制算法，期望達到在抑制外界光線的干擾的同時，實現(xiàn)對點光源精確跟蹤的效果。

1 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)由光源發(fā)送端和光源跟蹤端兩部分組成，兩部分均以TI公司的MSP430F149單片機作為主控制器[5-6]。發(fā)送端采用4片TPS61062芯片并聯(lián)，使驅動電流達到350 mA以驅動1W的LED發(fā)出頻率為1KHz的方波光信號。跟蹤端選用光敏三極管檢測光信號，然后將其進行帶通濾波處理，將獲取主要頻率為1 kHz的信號進行A/D轉換和分析，最終控制舵機跟蹤點光源的移動。這樣便能從混雜的信號中分離出點光源信號，然后進行分析控制，達到抑制外界光干擾的效果。系統(tǒng)結構如圖1所示。

需要指出的是，跟蹤端采用3個光敏三極管分3通道檢測點光源信號，對每一通道檢測到的信號分別進行帶通濾波和A/D轉換，通過比較不同通道的峰峰值（此處峰峰值指單通道多次A/D轉換的峰峰值）來判斷點光源移動方向，然后控制舵機轉動。

2 硬件設計

2.1 光信號濾波

文中選用MAX260[7]芯片實現(xiàn)帶通濾波。MAX260是MAXIM公司推出的CMOS雙二階通用開關有源濾波器。他由2個二階濾波器（A和B兩部分）組成，中心頻率 的范圍為75 KHz，可通過微處理器接口配置各種類型的濾波器。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

在本文的設計過程中，帶通濾波器的技術指標為：中心頻率 f0=1 kHz，通帶頻率fp1=950 Hz、fp2=1 050 Hz，阻帶頻率 fs1=800 Hz、fs2=2 000 Hz ，通帶最大衰減αp=0.7 dB ，阻帶最小衰減 αs=18 dB，系統(tǒng)為MAX260提供的時鐘頻率fclk=120 kHz。基于此，設計一個模擬四階巴特沃茲帶通濾波器，并通過MAX260芯片實現(xiàn)，則其編程參數(shù)為：濾波器A，模式1，NF=17，Q=121；濾波器B，模式1，NF=8 ，Q=121。將濾波器A與B級聯(lián)組成一個四階帶通濾波器，可實現(xiàn)本文需要的濾波效果。單片MAX260濾波效果如圖2所示。圖中三角波表示光敏三極管感應到的信號，正弦波表示經(jīng)MAX260帶通濾波后的信號。可以看出，文中MAX260的這些參數(shù)起到了很好的濾波效果。

圖2 MAX260帶通濾波前后波形比較Fig.2 Comparison of band pass filter with MAX260

文中用主控制器模擬PWM方波為MAX260提供外部時鐘，這種方法可通過軟件改變?yōu)V波器芯片的輸入時鐘，便于調試和修改濾波器的各項參數(shù)。光源跟蹤端3片MAX260的時鐘共用，數(shù)據(jù)和地址線分時復用，通過每一通道的寫使能管腳選通。

2.2 光電檢測電路

跟蹤端采用光敏三極管對點光源信號進行檢測，其應用電路如圖3所示。其中滑動變阻器R1用于調節(jié)傳感器的感光靈敏度。傳感器在檢測線處成“一”字形均勻排列，使光敏傳感器采集到最多的點光源信息。從左至右分別為每個傳感器編號為1#、2#和3#。當點光源在正中間時，調節(jié)傳感器的靈敏度，使2#采集到光信號的峰峰值最大，1#和3#相等，且比2#小100～150個A/D采樣精度。則當點光源移動時，可根據(jù)傳感器的最大值出現(xiàn)在哪一通道，迅速判斷出點光源的移動方向，從而控制舵機跟蹤。光敏三極管的排列和編號如圖4所示。

圖3 光敏三極管應用電路Fig.3 Application circuit of phototransistor

圖4 光敏三極管的排列和序號Fig.4 The arrangement and sequence number of phototransistors

2.3 舵機驅動

系統(tǒng)所使用舵機的工作頻率為100 Hz，此時占空比可在4％～24％內連續(xù)變化，相應的轉動角度在0～200度的范圍內變化，即占空比每變化1％，舵機轉動10度。在硬件連接中，占空比為20％時，舵機指向中心位置，當占空比變小時，舵機右轉，占空比變大時，舵機左轉。軟件環(huán)境下，可控制占空比在18.00％～22.00％內變化，舵機的角度在40度范圍內變化。本文為獲得最大的跟蹤精度，使占空比的每次變化都不超過0.01％，相應舵機每次約變化1度。顯然，舵機的緩慢變化影響了系統(tǒng)的跟蹤時間，本文正是犧牲系統(tǒng)的跟蹤時間，換取更大的跟蹤精度。

3 軟件設計

軟件設計部分包括初始化編程和跟蹤控制算法等。光源跟蹤端采用了基本控制和中心控制兩種算法進行控制，兩種算法互相補充、交叉控制，實現(xiàn)了快速、準確的點光源跟蹤。其中基本控制算法用于實現(xiàn)簡單的點光源跟蹤；中心控制算法用于確定點光源位置，抑制激光筆抖動。

跟蹤端軟件流程框架如圖5所示。需要說明的是，點光源硬件中心為舵機占空比為20％時所指向的位置，而中心控制算法中討論的光源中心是指以點光源為參考點的中心位置，兩者不是同一概念。

3.1 初始化編程

初始化主要是主控制器的初始化。主控制器上電首先關閉看門狗，并配置時鐘MCLK和SMCLK的輸出頻率為8MHz。A/D轉換選用多通道多次轉換模式，每通道采樣32個點，然后通過各通道的峰峰值判斷點光源的移動方向，控制舵機跟蹤。需要注意的是，多通道多次轉換模式下停止A/D轉換，須先修改控制寄存器到多通道單次轉換模式，然后清零ADC12CTL0的ENC位，否則會導致轉換數(shù)據(jù)的不可靠[4]。本文A/D轉換初始化程序如下。

圖5 跟蹤端軟件流程Fig.5 Software flow of LR

定時器初始化包括Timer_A和Timer_B兩部分。其中Timer_B主要產(chǎn)生頻率為120 kHz、占空比為50％的方波。Timer_A產(chǎn)生頻率為100 Hz的方波；另外須使能Timer_A的溢出中斷，用于喚醒下一輪的A/D轉換，以使系統(tǒng)達到不間斷跟蹤的效果。

3.2 基本控制算法

基本控制算法用于實現(xiàn)簡單的點光源跟蹤。其方法是求每一通道A/D轉換的峰峰值，然后求這3路峰峰值中的最大值，即若1#或3#通道的峰峰值最大，則相應的控制舵機在當前角度的基礎上向左或向右轉動1度；若2#通道的最大，則保持舵機當前角度不變。本輪控制完成后，等待10 ms定時中斷的到來，在中斷服務子程序中喚醒下一輪A/D轉換，當這一輪A/D轉換數(shù)據(jù)完成后，繼續(xù)執(zhí)行如上控制。這樣當2#的峰峰值不是最大時，舵機便會一直轉動，直到2#的峰峰值最大為止，如此便保證了系統(tǒng)持續(xù)的跟蹤點光源?；究刂扑惴ㄋ枷肓鞒倘鐖D6所示。

然而采用上述控制思想只能基本完成跟蹤功能，跟蹤效果并不理想。如峰峰值的誤差較大，這會導致激光筆在點光源左右連續(xù)的抖動，本文采用中心控制算法解決該問題。

3.3 中心控制算法

中心控制算法用于確定點光源位置，并抑制激光筆的抖動。仔細觀察激光筆的抖動問題，發(fā)現(xiàn)其實系統(tǒng)已經(jīng)找到點光源的位置，只是各通道峰峰值的最大值在1#與3#之間來回跳變，才導致這種不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

中心控制算法主要判斷1#與3#通道峰峰值的差值，每當它們相差小于或等于1時，記下此時舵機角度，當差值第18次到達這種情況時，便認為已經(jīng)找到點光源的位置，此時先給光源中心位置上鎖（即標志位置位），再對這18個轉角進行軟件濾波（剔除最大值和最小值，求余下16個數(shù)的平均值），得到角度Central作為點光源的中心位置。一旦光源中心位置上鎖，則并行的通過如下兩種軟件補償方法抑制激光筆的抖動：1）在每次求得各通道峰峰值后，給2#通道峰峰值加50，以保證2#通道的峰峰值最大；2）控制舵機在Central左右1度范圍內變化，即若1#通道峰峰值最大，則舵機在位置Central基礎上向左轉動1度，若3#通道峰峰值最大，則舵機在位置Central基礎上向右轉動1度。這樣便保證了舵機一直在跟蹤光源，但激光筆的抖動卻不會很大。因為若光源中心位置上鎖，則光源當前位置的Central值便保持不變，如果2#通道峰峰值的補償能保證其最大，舵機就不會抖動，即使2#通道峰峰值不是最大，舵機也只是在Central左右1度范圍內波動而已。

當然，為保證系統(tǒng)的連續(xù)跟蹤，還需在點光源離開當前位置時給光源中心位置解鎖（即標志位清零）。經(jīng)過實際調試，當1#與3#通道的峰峰值相差大于200時，相當于點光源向左或右移動距離超過了3 cm，此時即認為光源已經(jīng)離開當前位置，須給光源中心位置解鎖。然后再次運用如上所討論的方法，找到新的點光源位置。中心控制算法流程如圖6所示，由圖可知，兩種算法確實是互相補充、交叉控制的。

4 測試數(shù)據(jù)

跟蹤端傳感器呈“一”字形排布，且只采用了一個舵機對點光源的左右軌跡進行跟蹤，因此本文主要測試點光源沿圓弧運動的相關參數(shù)。激光與點光源垂直距離表示兩點的垂直距離，而非其直線距離；抖動時間表示激光筆跟蹤點光源到達不再抖動所用的時間，是中心控制算法調節(jié)的時間，而非跟蹤速度的性能指標。

在本文所設計的點光源B（占空比為10％的光照強度）旁放一個相同型號的點光源C，點光源C由直流電源驅動，其發(fā)出的光不是以1 kHz為主要頻率，但是亮度比點光源B大。經(jīng)測試，跟蹤端能完全屏蔽點光源C的干擾，依然跟蹤點光源B的移動而移動。具體測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 兩個點光源比較Tab.1 Comparison of two different light sources

依本文的設計思路，激光筆在跟蹤過程中會產(chǎn)生抖動，抖動的時間直接影響著系統(tǒng)的性能。表2所示為點光源B在占空比為10％的光照強度時，不同位置的跟蹤端對其跟蹤性能比較。

表2 兩個點光源比較Tab.2 Comparison of two different light sources

以上數(shù)據(jù)的測試環(huán)境為：1）所有數(shù)據(jù)均為3次以上的平均值；2）陽光明媚的上午，實驗室內，A/D轉換的峰峰值約為900個轉換精度；3）電池都充滿電為7.8 V；4）發(fā)送端與跟蹤端的中心距離為（268±5）cm。

5 結 論

文中提出了一種改進的點光源跟蹤方案，并在1 kHz頻率的基礎上完成了系統(tǒng)的軟硬件功能。系統(tǒng)由光源發(fā)送端和跟蹤端兩部分組成，采用MSP430F149單片機作為主控制器，發(fā)送端通過1 W的LED燈發(fā)出1 kHz頻率的光，跟蹤端用光敏三極管分3路采集點光源信號，用MAX260濾波器實現(xiàn)有源帶通濾波，通過分析比較每通道A/D轉換的峰峰值，控制舵機轉動大小和方向，跟蹤點光源。軟件部分采用基本控制算法連續(xù)跟蹤點光源，用中心控制算法確定點光源位置，并抑制激光筆的抖動。兩種算法在程序中互相補充，交叉控制，達到了快速、準確跟蹤點光源位置的效果。經(jīng)實際測試，系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力和跟蹤精度，且跟蹤精度一般在1.5 cm以內。系統(tǒng)設計思想可用于提升太陽能熱水器或太陽能電池等產(chǎn)品的能效。

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An improved light source tracking system

ZHAO Guang-yuan，WANG Zhi-wei
（Xi'an University of Posts ＆ Telecommunications，Xi'an 710021，China）

This paper presents an improved light source tracking scheme，which consists of two parts-Light Transmitter（LT）and Light Receiver（LR），and adopts MSP430F149 MCU as its main controller.LT sends out light of 1 KHz，LR detects the signal of source light by using phototransistor，gets the signal to go through analog band-pass filter and A/D converter；then analyzes the move direction of light source and controls the servo to track it.Two control algorithms are used complementally to improve the system's performance in part of software.Tested results show that the system is stable and can track the LT rapidly and accurately.

light source tracking；light detection；butterworth filter；MSP430

TN713

A

1674-6236（2014）11-0035-04

2014-03-26 稿件編號：201403291

陜西普通本科高等學校重點教學改革研究項目（11BZ56）；陜西省教育廳自然科學研究專項基金項目（2013JK1087）；第二批國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（教高司函[2013]8號）

趙廣元（1975—），男，山西山陰人，碩士，副教授。研究方向：智能交通信息檢測、系統(tǒng)仿真、嵌入式系統(tǒng)設計。