基于数字信号处理技术的连续变焦镜头控制系统设计

　　0　引言

　　变焦距光学系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定的光学系统，广泛应用于精密光机电一体化设备的头部[1].为了快速得到稳定、清晰的图像数据，就必须对光学系统进行连续变焦.变焦距镜头控制系统的稳定性、可靠性、精确性与设备本身的性能息息相关，国内外都在设计与研究控制灵活、准确度高、通用能力强的变焦距控制系统[2].新型电动变焦镜头已经在高精尖产品中崭露头角，其原理与传统变焦镜头没有本质差别，但其设计思想，首先减少中间机械传动数量，采用光机电一体化技术，电机直传技术等综合方法，基于数字信号处理器(DigitalSignal　Processing，DSP)的控制系统和高准确度直线导轨的使用，都促进变焦镜头向着体积小、传动精密、结构简单方向发展[3-4].目前的电动变焦镜头多采用单片机作为数据处理，存储空间有限，数据处理能力较弱，无法实现多级共享、多通道控制的通信需求与控制系统准确度保证，需要对控制系统性能升级.

　　本文主要介绍基于TI公司数字信号处理器TMS320F2812为核心的控制单元，设计电动变焦镜头及其控制系统，扩展了控制系统的通用性和接口能力，大大提高了变焦距系统控制准确度.

　　1　变焦系统工作原理

　　传统的变焦补偿方式有光学补偿和机械补偿两种.参照光学设计部分，采用机械式补偿方式，就是由精密机械驱动变倍组做移动，补偿组做相对少量的非线性运动，通过变倍组与补偿组的相对运动，来控制变焦距系统的焦距变化[5].机械补偿的光学系统模型如图1.“前固定组Ⅰ”和“后固定组Ⅳ”位置保持不变，由调焦机构驱动“变倍组Ⅱ”做线性移动，“补偿组Ⅲ做”相对少量的非线性运动，“变倍组”与“补偿组”的相互运动，从而达到变焦目的而不改变成像平面位置.

　　系统在进行焦距调整时，通过变倍组与补偿组的相对位移运动，用以实现连续变焦.由光学设计数据带入式(1)和(2)，得到变焦距系统变倍组与补偿组位移数据，变倍组和补偿组的位移曲线如图2.只要严格保证变倍组与补偿组按照曲线所对应位移变化，就可以达到按预期目的变焦。

　　2　变焦系统控制系统设计

　　变焦镜头是以各种电机作为执行元件的动力源来改变镜头的焦距与光亮等光学指标.对于变焦镜头的连续焦距变化，只需要准确控制执行机构位移，就会为成像系统提供焦距连续变化的图像源，因此，合理选择电控芯片与执行机构是镜头控制系统设计的关键.

　　TMS320F2812是世界上主流的高性能运动控制芯片，内部集成众多资源：存储资源Flash、RAM;通信接口SCI、SPI、eCAN总线接口;事件管理器、定时器、看门狗以及大量的GPIO供开发使用.