基于FPGA的光电跟踪控制系统设计

　　0　引言

　　伺服控制是光电成像跟踪系统的一个关键环节,它要对目标的运动迅速做出响应,用尽可能短的时间来调整跟踪误差,这对控制系统的可靠性和实时性有很高的要求。在以往的应用中,伺服控制大多由单片机或DSP来完成,这种方案的优点是算法实现方便,编程简单。但它还是属于软处理技术,其简单易用的特性常常是以牺牲效率为代价的,在程序复杂度很高的情况下很难保证高可靠性和实时性[1]。FPGA(现场可编程门阵列)拥有用户可编程特性,配置灵活,只要通过编写代码就能实现相应的硬件电路,且能为设计者提供比DSP更高的并行性。因此,在国外,越来越多地将运动控制方案中的处理部分交给了FPGA,甚至独立的FPGA来专门处理运动控制[2]。本文重点讨论使用FPGA器件来实现两自由度跟踪转台伺服控制的方法。

　　1　系统组成及原理

　　光电成像跟踪系统主要由搭载红外/电视摄像机的伺服转台、以FPGA器件为核心的控制电路、跟踪器、上位机和外设组成,图1为跟踪系统框图。其中,伺服转台由直流力矩电机驱动;使用直流测速发电机作为速度反馈元件,速度信号经12位A/D转换后送入FPGA;使用增量式光电编码器作为角度反馈元件。跟踪器是误差检测单元,主要进行图像预处理、目标识别和跟踪误差计算。上位机上运行用户界面程序,是人机交互单元。外设包括一个8×8矩阵键盘和一个图形液晶LCD,前者用来控制转台的运动,后者用来显示控制系统的各种参数。控制电路主要由FPGA器件来实现,它作为下位机,是跟踪控制的主控元件,负责完成速度信号和角度信号的采集和处理,实现控制算法,生成脉宽调制方波,实现与上位机、跟踪器的串口通信,响应控制键盘信号,控制摄像机镜头调焦和图像显示等任务。SRAM是一片256 k×16 b的高速SRAM,直接与FPGA相连,作为其存储器,配合FPGA使用。

　　系统有计算机导引和目标自动跟踪两种工作方式[3],控制对象是一个两自由度转台,分为方位跟踪控制和俯仰跟踪控制两套系统,这两套系统在结构上基本相同。从控制原理角度来看,除了方位系统有正割补偿环节以外,两套系统的结构基本相同,都属于典型的带有速度回路的双闭环单输入单输出位置随动系统[4],因此下文均以方位伺服系统为例进行设计。

　　2　系统硬件设计

　　在本设计中,FPGA控制器可分为以下几个模块:传感器信号采集处理模块、控制算法实现模块、数据接口模块、PWM模块、外设模块和镜头控制模块等,下文将对前3个模块进行详细介绍。在进行FPGA开发时,首先进行各个模块设计,并将各模块定义为元件,然后进行顶层设计,用连线将这些元件的端口连接起来。本设计采用Xilinx FPGA芯片和ISE7. 0开发平台。使用ISE可以进行设计输入、综合、仿真、适配和编程等工作流程,但对一些特定的设计项目,这个流程就显得很不方便,甚至无能为力,例如涉及算法类(如DSP模块)的设计。System Generator则很好地解决了这些问题。它可以帮助用户通过Matlab/Smi ulink建模和设计基于FPGA的信号处理系统。用户可以在Smi-ulink中进行图形化设计和仿真,然后通过System Gen-erator将算法设计转换到硬件实现上,即将Smi ulink的模型设计文件(.mdl)转换为相应的VHDL设计文件(. vhd),生成的代码完全可信任、可综合并高效[5]。