基于FPGA+单片机的调焦变倍系统设计

    0 引言

    在光电测量领域中，常常需要使用长焦距、大口径的光学相机进行目标探测。这种相机由于变倍比比较大，为了使不同距离的目标均能在像面成清晰的像，除了需要控制倍率的变化外，还需要对聚焦位置进行微调。以往对这种光学相机变倍调焦的控制比较常用的方法是采用单片机来完成。采用单片机控制的优点在于编程方法简单、易于实现。缺点在于由于需要控制监测的信号有变倍电机的驱动信号、调焦电机的驱动信号、变倍电机分别走到两头的两个限位信号、调焦电机分别走到两头的两个限位信号，这些信号均要实时控制监测，因此通常需要采用查询的方法进行编程处理，这种方法的好处在于能够及时地控制相机的变倍调焦，缺点在于由于频繁的查询硬件状态，使得单片机始终处于繁忙的工作状态，工作效率低。此外由于单片机是以固定周期进行查询，这常常导致检测到电机运行到限位状态与停止电机运动存在时间差，该时间差可导致电机处于堵转状态，易于损坏电路板及电机。本文设计了一种光学相机调焦变倍控制系统，此系统以FPGA+单片机（MCU）为核心芯片，其中控制电机运行的命令通过中断的方式发出，保证电机实时接到命令即运动起来，当电机到达限位位置FPGA得到限位状态，马上发出停止信号，断掉电机管脚上的电，使电机马上停止下来。此方法同以往方法相比的好处在于控制电机的实时性更强，能够有效地控制相机变倍调焦机构的运动、停止，同时避免电机堵转，以致烧毁电机或电路板。

    1 硬件组成

    基于FPGA+单片机的调焦变倍系统主要包括MCU、通信模块、FPGA(可编程逻辑器件)模块、电机驱动模块、光耦模块、电机组成，其组成框图如图1所示。其中MCU采用AD公司的ADU812，该款芯片除具有单片机的通用功能外，还具有AD转换功能，当光学镜头需要实时回传当前位置信息时，可通过把电位计同电机连接到一起，把电位计的输出端接到该MCU的AD输入口，通过程序可读到当前电机转到的位置；通信模块采用16C650，该通信模块可把MCU的并行数据信号转变为串行信号传递出去；FPGA采用EP1K100-208I，电机驱动模块采用L298，该芯片具有两路电机驱动信号输出，可同时驱动两路电机；光耦模块采用欧姆龙的EP470，通过灯光可知道当前状态；电机采用瑞士电机。

    1.1 工作原理

人机交互模块通过通信模块向MCU发送调焦变倍命令，MCU通过中断接收到命令，实时传递给FPGA，FPGA接到命令后，依照命令向调焦变倍驱动电路发送相应的逻辑电平，调焦变倍驱动电路接到相应逻辑后，向相应的控制电机发送正转反转电压，使电机根据命令正转或反转。当电机转到限位位置时，光耦模块作为传感器检测到相应电机转到限位位置，把限位状态传递给FPGA，FPGA接到限位信号立刻向调焦变倍驱动电路发送信号，使其输出为零电压，电机立即停止转动。这里使用FPGA完成控制的优点在于通过对FPGA编程即可实现调焦变倍；监测电机转动位置；实时停止电机转动并行实现，当电机转动到限位位置能及时迅速地使电机停止。