基于CPLD的相机调焦控制系统的设计

    1 引言

    多光谱数字遥感相机已经逐渐成为航空以及航天对地观测的重要手段。在实际工作中,由于相机工作环境的变化,相机焦面有可能会发生小的变化。为了相机能够清晰地成像,必须由相机的调焦控制系统完成调整相机焦面的功能[1]。调焦控制系统一般由单片机作为主控芯片,驱动步进电机实现焦面调整功能。但是单片机有易受干扰,并且占用较多的软件和硬件资源等缺点。为此设计了基于复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Log-ic Device,CPLD)的调焦控制系统,具有使用灵活、可靠性高等优点。

    2 调焦控制系统组成

    通常相机的调焦是通过调整光学镜头的焦距来完成的,本文中讨论的多光谱相机的光学镜头是一个定焦镜头,体积很大,无法通过调整其位置来适应焦平面的变化,因此采用调整相机像面位置的方法来完成相机焦面调整的功能。

    系统结构框图如图1所示,串行接收模块接收上位机发送的调焦控制指令。控制模块完成电机的相序输出功能。电机驱动电路用来把控制模块产生的相序脉冲信号放大以驱动步进电机。步进电机带动调焦机构运动,进行调焦。

    调焦控制系统完成调焦任务的过程是:当需要调焦时,上位机发送调焦指令和调焦参数,调焦控制系统接收指令和参数,并且根据参数产生相序脉冲,通过控制接口驱动步进电机运行需要的步数,进行调焦。

    3 调焦控制系统的实现

    3.1 采用CPLD实现控制功能

    一般情况下系统的控制核心由单片机外扩一定的芯片实现,通过单片机自带的串口或者扩展串口接收上位机发送的调焦控制指令。接收到的指令由单片机进行校验、解析,再输出一定频率和数量的相序脉冲以控制电机的运动。但是这种方法占用软、硬件资源较多,并且由于单片机本身易受干扰而降低了系统的可靠性。而CPLD具有高集成度、高可靠性等特点,并且由于其在系统可编程的性能,使其应用极为灵活,硬件测试和实现比较快捷,开发效率高[2]。因此,该系统使用一片CPLD取代了单片机的控制功能。另外,由于系统对传输速度要求不高,数据量也不大,完全可以将串行接收模块也集成在CPLD里,进一步提高系统的集成度和可靠性。

    系统采用的CPLD是EPM7128SLC84-15,它属于ALTERA公司的MAX7000系列,基于第二代MAX结构,包含2 500个可用门, 128个宏单元。主要完成串行接收模块和控制模块的功能。

    3.2 串行接收模块的设计实现

    串行接收模块完成接收上位机发送的调焦指令和调焦参数的功能,上位机发送的信号时序如图2所示。CLK和GAT分别是发送数据的同步移位时钟信号和门控信号,当GAT由高电平变成低电平时,串行数据跟随CLK时钟信号一位一位地发送。CPLD设计一个串入并出的移位寄存器完成串行接收功能, CLK作为移位寄存器的移位时钟,当GAT信号拉高时,数据并行输出到控制模块。