基于TMS320F240的CCD相机消旋控制器

    在激光/电视吊仓系统中,需要对光学探测器所获取的目标图像进行实时反旋转变换,消除由于探测器的姿态变化而引起的图像旋转,恢复图像的稳定状态,以便于人眼观看以及对目标图像的自动识别跟踪。

    到目前对图像消旋有三种方式:机械消旋、光学消旋[1]以及电子消旋三种。其中机械式消旋是指直接驱动成像器件沿其轴心转动,从而去旋正图像。它一般专用于CCD像机成像系统中,因为CCD成像器件质量较小,容易形成较好的动态性能[2]。

    在激光/电视吊仓中,要求消旋控制系统占用体积小,结构紧凑,消旋动态性能好;而TMS320F240能实现复杂算法,又集成了可编程PWM输出等控制中用的外围设备,以它为核心开发CCD消旋控制系统满足上述要求,适合于在激光/电视吊仓中的应用。

    1 基于TMS320F240的CCD像机消旋控制系统

    TMS320F240是为满足以控制为基础的工业应用而设计的。采用集成高性能的DSP技术内核及微控制器片内的外围设备设计技术于一身的设计方案。它非常适合于处理控制信号,可进行16位字的两个独立于CPU的移位寄存器,该设计减小了量化误差和截断误差,从而能实现滤波及较为复杂的控制算法等功能。TMS320F240还集成了计时器、事件管理器、串行通讯口等在控制中常用的外围设备。其中事件管理器中的可调脉宽波的发生功能,适用于实现CCD像机的消旋控制功能[3]。这些功能块的集成使得实际控制电路板的设计变得简捷而紧凑。

    图1表示用TMS320F240开发CCD像机消旋控制系统的硬件结构。该系统以成像器件相对载机偏转角Hi作为消旋控制系统的输入信号,光电轴角编码器作为消旋控制系统中的测角元件。以检测角为依据,通过校正运算,推出调宽波,控制力矩电机带动CCD像机快速稳定地达到消旋指令角位置,从而实现图像消旋。

    2 程序流程

    图2~图6表示主控制程序流程、位置校正子程序流程、速度环校正子程序流程、读编码器输出值中断子程序及串行通讯中断子程序流程图。

    整个控制软件共有两个中断源,一个是400Hz中断源,由TMS320F240的GP定时器产生,用以读取编码器角度值;另一个是串行通讯中断源,用以接收100Hz的上位机发来的消旋指令角,其中以串行通讯中断源级别为最高。控制算法在主控程序中实现,PWM更新频率为400Hz,位置指令角更新频率为串行通讯频率100 Hz。

    控制系统工作流程如下:系统上电复位后,TMS320F240首先进行初始化,光电轴角编码器进行寻零过程,寻零之后,进入数字引导工作状态,程序以上位机发来的消旋指令角作为给定位置信息,以编码器测得的角码值作为位置反馈值,构成位置外环;同时以编码器实测角度值前后两拍之差作为实测速度值,再乘以一系数作为速度环反馈值,按照性能指标要求构成速度内环。速度内环采用三阶超前滞后算法,位置环采用一维模糊算法。