侯丹，陳雷，何欣

（北京空間機(jī)電研究所 北京100094）

測繪相機(jī)調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯丹，陳雷，何欣

（北京空間機(jī)電研究所 北京100094）

隨著航天技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，使用高分辨率測繪相機(jī)對(duì)地觀測已成為獲取地理空間信息的一種重要手段。調(diào)焦控制電路對(duì)相機(jī)的調(diào)焦精度是影響測繪相機(jī)成像的重要因素。為保證調(diào)焦控制電路對(duì)調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)的控制精度，保證調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制的準(zhǔn)確性。文中提出一種測新型的繪相機(jī)調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)，利用新型中斷式信號(hào)采集方法從電機(jī)控制端檢測并監(jiān)視調(diào)焦控制電路輸出控制波形。介紹了檢測系統(tǒng)的原理、信號(hào)采集方式；給出該系統(tǒng)的組成，硬件軟件的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)為調(diào)焦電路準(zhǔn)確控制輸出提供可靠依據(jù)。

測繪相機(jī)；調(diào)焦控制；直線步進(jìn)電機(jī)；檢測與監(jiān)視

測繪相機(jī)是空間對(duì)地觀測的一種重要工具，為實(shí)現(xiàn)軍事情報(bào)現(xiàn)代化、預(yù)防自然災(zāi)害起了極其重要的作用[1-4]。某型號(hào)由于焦面體積較大，調(diào)焦可利用空間較小，在拼接基座的兩端各安裝一個(gè)直線步進(jìn)電機(jī)調(diào)焦的驅(qū)動(dòng)。由于該型號(hào)采用兩路調(diào)焦電路、存在調(diào)焦時(shí)間長，輸出脈沖給的個(gè)數(shù)較多，容易產(chǎn)生兩路調(diào)焦電路輸出脈沖的個(gè)數(shù)不一致，運(yùn)行時(shí)間不一致，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)輸出控制與預(yù)想產(chǎn)生偏差。目前國內(nèi)調(diào)焦機(jī)構(gòu)的精度探測檢測利用搭建機(jī)械機(jī)構(gòu)及超精細(xì)部件進(jìn)行檢測[5]或者利用“電源柜-電機(jī)-測功機(jī)”[6]的方式進(jìn)行檢測。首先這些方法體積大，成本高，外場檢測不易攜帶；另外并不能實(shí)際反應(yīng)調(diào)焦電路對(duì)電機(jī)的控制狀態(tài)監(jiān)控。

文中提出了一種新型的測繪相機(jī)調(diào)焦電機(jī)控制檢測系統(tǒng)，搭建了檢測平臺(tái)，通過利用新型中斷式信號(hào)采集方法對(duì)兩路調(diào)焦電路輸出波形實(shí)時(shí)檢測和處理，分析輸出方向和步數(shù)，并對(duì)比兩路輸出波形。本檢測系統(tǒng)從電機(jī)控制端精確采集控制輸出波形，從電機(jī)根本控制角度為測繪相機(jī)調(diào)焦實(shí)現(xiàn)精確控制的提供依據(jù)，并且具有體積小，成本低，方便外場檢測的優(yōu)點(diǎn)。

1　直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

直線步進(jìn)電機(jī)一種是能夠?qū)㈦娏髅}沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉街本€運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。直線步進(jìn)電機(jī)憑借其高效的高速定位、高可靠性以及高密度性的數(shù)字式直線運(yùn)動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在精確直線運(yùn)動(dòng)運(yùn)行的領(lǐng)域[7-8]。

直線步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)控制，每接收到一個(gè)脈沖控制信號(hào)，就改變一次勵(lì)磁狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器按設(shè)定方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)行駛一個(gè)固定步距。脈沖輸入越多，運(yùn)行步距越多，即運(yùn)行的距離越長；輸入脈沖頻率越高，速度越快；勵(lì)磁狀態(tài)改變的順序不同，電機(jī)運(yùn)行的方向就不同。因此通過控制脈沖有無，可控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止；通過控制脈沖個(gè)數(shù)可控制電機(jī)位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率可控制直線步進(jìn)電機(jī)的速度，達(dá)到調(diào)速的目的；通過控制勵(lì)磁狀態(tài)改變的順序，可控制電機(jī)的運(yùn)行方向[9]。

調(diào)焦電路采用脈沖激勵(lì)控制方式。直線步進(jìn)電機(jī)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，定子繞組中的周期變化的脈沖電流轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場耦合，內(nèi)聯(lián)螺桿的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)出力，可驅(qū)動(dòng)與螺桿配合的螺母實(shí)現(xiàn)直線方向的前后運(yùn)動(dòng)[10]。調(diào)焦控制電路設(shè)計(jì)電路，產(chǎn)生周期變化的脈沖，周期改變勵(lì)磁狀態(tài)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直線電機(jī)控制原理圖如圖1所示。勵(lì)磁狀態(tài)改變的方向控制直線步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，直線步進(jìn)電機(jī)控制輸出轉(zhuǎn)動(dòng)如圖2所示。

圖1　直線電機(jī)控制原理示意圖

圖2　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出波形示意圖

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)方案

測繪相機(jī)調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)的目的是準(zhǔn)確采集兩路調(diào)焦電路輸出的控制驅(qū)動(dòng)波形，并對(duì)采集到的兩路波形進(jìn)行分析對(duì)比，給出電機(jī)輸出步數(shù)和方向并記錄波形，為調(diào)焦電機(jī)控制提供檢測和提供依據(jù)[11-13]。為實(shí)現(xiàn)該功能，系統(tǒng)包含兩個(gè)部分，信號(hào)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分。信號(hào)采集部分來采集調(diào)焦電路輸出的控制波形；數(shù)據(jù)處理部分對(duì)采集的兩路波形對(duì)比分析。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　測繪相機(jī)調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)圖

2.2信號(hào)采集算法分析

調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)的最重要部分就是如何準(zhǔn)確的采集調(diào)焦機(jī)構(gòu)輸出的控制信號(hào)。目前常規(guī)的波形檢測方法為采樣型信號(hào)檢測方法，但是由于采樣型信號(hào)檢測方法的缺點(diǎn)，本文根據(jù)調(diào)焦電路的固有的控制特點(diǎn)，提出了一種新型的調(diào)焦電路控制波形檢測方法--中斷式信號(hào)采集方法。

1）采樣型信號(hào)采集方法

根據(jù)香農(nóng)采樣原理，為了不失真的恢復(fù)模擬信號(hào)，采樣頻率應(yīng)該不小于模擬信號(hào)頻率中最高頻率的2倍。即

若要采用這種方法，中央控制單元利用大于調(diào)焦電路輸出的波形的頻率2倍，將采集到的信號(hào)傳送到上位機(jī)處理，采集方式如圖4，中央控制單元定時(shí)讀取調(diào)焦電路輸出的電壓電平，并在固定時(shí)間將采集到的電平傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理，上位機(jī)用來恢復(fù)波形信號(hào)。

圖4　采樣信號(hào)采集示意圖

在本項(xiàng)目中，直線步進(jìn)電機(jī)輸出控制頻率在50～100 Hz，根據(jù)公式（1），要保證信號(hào)采集的完整性，采樣頻率不低于200 Hz。實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)控制單元按照500 Hz采集信號(hào)，判斷信號(hào)的高低狀態(tài)，記錄后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，這種采集方式通用性較強(qiáng)，但是這種方案占用較多的控制單元的定時(shí)器、內(nèi)存等資源，并且當(dāng)信號(hào)采集時(shí)剛與信號(hào)上下跳動(dòng)時(shí)重合，會(huì)判斷不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，以致判斷丟步。

2）中斷式采集方式

根據(jù)直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理，直線步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是靠信號(hào)給予的脈沖而產(chǎn)生的，即電機(jī)每走一步，都會(huì)有輸出信號(hào)的變動(dòng)[14-15]。利用調(diào)焦電路控制波形的特點(diǎn)，該系統(tǒng)采集點(diǎn)為信號(hào)變化的點(diǎn)，延時(shí)1 ms后采集信號(hào)電平。由于控制波形的頻率最大為100 Hz，故可以準(zhǔn)確采集信號(hào)的電平，采集示意圖如圖 5所示。這種控制方式并不需要頻繁的占用定時(shí)器中斷，當(dāng)外部信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，開啟計(jì)時(shí)功能，并采集電平，而且不會(huì)出現(xiàn)在信號(hào)電平與采樣時(shí)沖突的問題。該算法步進(jìn)準(zhǔn)確可靠，而且可以節(jié)省CPU資源。故采用該種方案來采集電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖5　中斷式信號(hào)采集示意圖

3　硬件電路設(shè)計(jì)

直線步進(jìn)電機(jī)高電平信號(hào)幅度在5 V±5%之間；每相電流負(fù)載能力1.3 A。為了保護(hù)調(diào)焦電路，采用高速光電隔離器接收信號(hào)。信號(hào)收到后利用74LS14器件對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行整形，直接將信號(hào)送往中央控制單元。中央控制單元捕捉脈沖沿后延時(shí)采集信號(hào)電平。

硬件部分分為電源模塊、調(diào)試模塊、中央控制模塊、信號(hào)隔離與整形模塊、CAN總線通訊模塊。

電源模塊主要將5 V電源轉(zhuǎn)換為CPU使用的3.3 V電源。電源將信號(hào)模擬地和數(shù)字地隔開。供電電路如圖6所示。

調(diào)試模塊為JTAG調(diào)試。為控制系統(tǒng)的成本和集成度，本文中央控制模塊采用ARM-Cortex系列LPC1700為核心控制器，該芯片支持32路的外部IO中斷，滿足該信號(hào)的采集精度要求。

信號(hào)隔離與整形模塊是采集的核心模塊。保證信號(hào)采集的準(zhǔn)確性并隔離保護(hù)調(diào)焦電路。在這里采用5 V高速光電隔離6N137器件，該芯片具有溫度、電流和電壓的補(bǔ)償功能，高速的輸入輸出隔離，5 mA的極小輸入電流。其中輸入的正端接調(diào)教信號(hào)的5 V電壓，負(fù)端接調(diào)焦驅(qū)動(dòng)的控制端。采集到的信號(hào)通過反相器SN74HC14D進(jìn)行整形后輸入到單片機(jī)的外部中斷口。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6　系統(tǒng)電源模塊電路圖

圖7　信號(hào)隔離和整形模塊電路圖

CAN總線通訊模塊，是將采集到信號(hào)處理后將信號(hào)的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。LPC1700單片機(jī)內(nèi)部含有CAN控制器，所以只要將CAN收發(fā)器CTM1050T與CAN總線接口的TXD 和RXD相連，就可以實(shí)現(xiàn)CAN通訊。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)處理軟件。

嵌入式軟件主要是信號(hào)采集、信號(hào)處理和CAN總線通訊功能。具體框圖如圖8所示。

圖8　嵌入式軟件框圖

上位機(jī)軟件主要作用是處理信號(hào)功能，分析給出信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)和正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，給出信號(hào)波形，并對(duì)兩路調(diào)焦電路輸出波形進(jìn)行對(duì)比，反應(yīng)調(diào)焦電路的控制精度。上位機(jī)利用Visual C++軟件進(jìn)行編程，屏幕包括開始測試，數(shù)據(jù)導(dǎo)出，轉(zhuǎn)速和方向和步數(shù)的顯示。

調(diào)焦裝置的步數(shù)即為驅(qū)動(dòng)波形變化次數(shù)，波形每次變化，電機(jī)運(yùn)行一步，也就是上位機(jī)軟件接收到一次CAN總線數(shù)據(jù)，步數(shù)N+1。當(dāng)長時(shí)間（2 s）沒有收到數(shù)據(jù)時(shí)，及認(rèn)為電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。上位機(jī)停止計(jì)數(shù)并給計(jì)數(shù)器清零。

調(diào)焦裝置的直線步進(jìn)電機(jī)每步1.8°，時(shí)間間隔為ΔT，步數(shù)為N及電機(jī)的轉(zhuǎn)速v如式（2）：

轉(zhuǎn)動(dòng)方向的判斷方式：

根據(jù)圖2的對(duì)比，觀測AB兩項(xiàng)電壓，若AB兩項(xiàng)電壓差為高，前半部分CD兩項(xiàng)電壓差為低，后半部分CD兩項(xiàng)電壓差為高，可以判斷步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若前半部分CD兩項(xiàng)電壓差為高，后半部分CD兩項(xiàng)電壓差為低，可以判斷步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止后，上位機(jī)對(duì)比采集到的兩路調(diào)焦控制信號(hào)，對(duì)比兩路轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度和步數(shù)，判斷電機(jī)運(yùn)行是否一致。為調(diào)焦電路精確控制直線步進(jìn)電機(jī)提供依據(jù)。

5　案例分析

在實(shí)踐應(yīng)用中，連接調(diào)焦控制電路與調(diào)焦控制檢測裝置，采集調(diào)焦信號(hào)，調(diào)焦電路實(shí)際發(fā)送電機(jī)為64步，但是檢測系統(tǒng)對(duì)對(duì)其中一路調(diào)焦電路檢測到的信號(hào)為走了65步。對(duì)比兩路調(diào)焦電路信號(hào)輸出，并利用示波器對(duì)改路調(diào)焦電路輸出信號(hào)進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)該路調(diào)焦控制電路在初始化過程中，將本來應(yīng)該低電平信號(hào)拉高，發(fā)生錯(cuò)誤。

6　結(jié)　論

實(shí)踐證明測繪相機(jī)調(diào)焦控制檢測系統(tǒng)體積小，成本低。并能準(zhǔn)確檢測到調(diào)焦控制電路對(duì)直線步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，并能準(zhǔn)確的對(duì)調(diào)焦控制信號(hào)進(jìn)行分析。為調(diào)焦控制電路裝置準(zhǔn)確控制電機(jī)，全面掌握步進(jìn)電機(jī)性能提供了有力的依據(jù)。

[1]唐新明，謝俊峰，張過.測繪衛(wèi)星技術(shù)總體發(fā)展和現(xiàn)狀[J].航天返回與遙感，2012，33（3）:17-24.

[2]胡長喜，賈碉.直線步進(jìn)電機(jī)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2008，298（6）:45-48.

[3]何紅艷，王小勇，曾湧.BERS-02B衛(wèi)星高分辨率相機(jī)的在軌調(diào)焦方法[J].航天返回與遙感，2008，29（6）:12-17.

[4]劉 威，航天相機(jī)快門裝置地面檢測系統(tǒng)研制[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[5]薛樂堂，陳濤，徐濤，等.一種高精度高可靠性調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（2）：9-11.

[6]王麗.電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京：中國科學(xué)院電工研究所，2006.

[7]金華松，孫永江，劉軍，等.航天測量船伺服直流電機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2013，40（3）:53-56.

[8]翁睛，陳鯉文.直流電機(jī)監(jiān)控閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用與設(shè)計(jì)，2007，6（6）:3-5.

[9]劉愛萍.基于C8051F005單片機(jī)的兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[10]肖龍，湯恩生.電機(jī)控制系統(tǒng)PID參數(shù)的遺傳算法優(yōu)化[J].航天返回與遙感，2006，27（2）:34-37.

[11]李治強(qiáng).基于DSP的直線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2011.

[12]陳洪達(dá)，陳永和，史婷婷，等.空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)誤差分析[J].光學(xué)精密工程，2013，21（5）:1350-1355.

[13]范磊磊，庹先國，王洪輝，等.L297+L298芯片在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[J].微特電機(jī)，2012，40（10）:58-61.

[14]肖龍，楊佩君，湯恩生.基于軟件鎖相環(huán)的電機(jī)速度控制系統(tǒng)[J].航天返回與遙感，2006，27（3）:41-46.

[15]王智，張立平，李朝輝，等.傳輸型立體測繪相機(jī)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2009，17（5）:1052-1055.

The design of focusing-circuits-controlling detecting system on mapping camera

HOU Dan，CHEN Lei，HE Xin
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

With the development of aerospace and information technology，high-resolution mapping camera has become important way to detect geography information.The resolution of focusing circuit affects the image quality of mapping camera. In order to control the resolution of focusing circuit，the paper brings out a system which can detect and monitor the wave of focusing circuit.And introduce the principle，the way of collecting signal.The paper also introduce constitutes of the system and how to design software and hardware.Experiments prove that this system gives reliable basis for exactly controlling the focusing circuit.

mapping camera；focusing-controlling；linear stepping motor；monitor and detection

V19

A

1674－6236（2016）22-0164-04

2015-11-20稿件編號(hào)：201511199

侯 丹（1985—），女，遼寧綏中人，碩士，工程師。研究方向：遙感器設(shè)計(jì)。