基于P89C668单片机的航空数码相机控制系统

    0 引 言

    航空相机是以飞机(包括无人机)为平台，对海上、陆地目标进行照相以获取直接图像信息的重要设备，其在军事情报领域和民用资源开发方面具有重要的意义。它是一种自动化程度很高，工作要求稳定的光学、机械和电子技术结合的精密光学仪器[1-2]。根据实际控制的要求，本文介绍的数码相机是一具有自动调光，单幅拍摄、连续拍摄，图像数据记录，实时传输指定数据信息功能的照相设备。

    1 控制策略

    航空数码相机在飞行拍照过程中通过相机控制系统解析拍摄指令，并计算相关的拍摄参数，控制相机工作状态和拍摄过程。相机控制系统需要完成以下功能：

    (1)开机后 (或根据串行指令)，完成系统自检(包括光阑机构自检、快门机构自检)；

    (2) 采集背景光强度，根据标定结果，计算曝光参数 (光圈大小、曝光时间)，完成自动调光控制；

    (3)接收飞控计算机的开拍指令等参数，完成曝光控制；

    (4)通过 I2C 对 CCD 驱动模块(SAA8103)进行参数配制。

    分析以上控制要求和相机的结构特点，控制系统可分解为通讯、镜头控制、CCD 驱动模块配置 3 部分。

    通讯模块以中断方式响应外部通讯请求，在有新命令到来时，启动一次拍摄任务。镜头模块的控制对象是光阑和幕帘式快门，根据光阑反复开合的特点采用 FL20STH30-0604A步进电机控制光阑位置，而快门采用了 MAXON 微型直流电动机完成幕帘的上弦，微型电磁铁完成释放动作。因此，应用单片机通用 I/O 口就可实现镜头的控制功能[3]。考虑硬件接口实现 I2C 通信方式的诸多优点和器件 SAA8103 的快速特性，控制系统以硬件 I2C 方式实现对 CCD 驱动模块的参数配置。另外，为满足 60%拍摄重叠率要求，即最小的拍摄间隔不小于3 s，控制系统要尽量压缩调光和快门拍摄的过程控制。因此在调整光圈的同时完成上弦和释放的准备工作。

    基于以上控制特点，相机控制系统的控制芯片选用单片机 P89C668HFA，P89C668 HFA 是一款高性能、低功耗的带片内 64KFLASH的微控制器，内部主要集成了字节方式的I2C 总线、UART通信接口、实时时钟、EEPROM、ISP/IAP在线编程和远程编程方式等一系列有特色的功能部件；其可用I/O口资源为 32 个[4]。有足够的硬件资源完成采光量的 8 位数字量采集，光阑、快门机构的位置控制，对外的异步通讯控制和 CCD 驱动模块的配置。

    2 控制系统的硬件设计

    系统根据该单片机多 I/O 口的特点展开对镜头机构控制并输出 CCD 同步脉冲信号，同时应用该单片机的串行接口(RXD, TXD) 和飞控计算机进行通讯，I2C 总线 (SCL, SDA) 对CCD 驱动模块进行配置。图 1 是以 P89C668 单片机为控制核心的航空数码相机硬件结构图。