新型的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要：提出一種新型的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 并在AsKania數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的改造中加以運(yùn)用。主要闡述AsKania數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的改造中，點(diǎn)陣控制模塊、點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)，以及方案實(shí)現(xiàn)過程中解決的問題。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了該方案的可行性、可靠性，提高了點(diǎn)陣的均勻性。

高速攝影機(jī)是用于靶場(chǎng)火箭彈道和姿態(tài)測(cè)量的光測(cè)設(shè)備。高速攝影機(jī)的電控系統(tǒng)主要由同步控制、數(shù)據(jù)記錄、自動(dòng)調(diào)光等系統(tǒng)組成，在攝影時(shí)統(tǒng)及攝影頻率控制下，實(shí)時(shí)、清晰地將目標(biāo)及相關(guān)信息記錄在膠片上，為事后處理提供原始數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)信息是以點(diǎn)陣的形式記錄在膠片上，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是在攝影時(shí)統(tǒng)控制下，同步地對(duì)方位角、俯仰角、時(shí)間、攝影頻率、同步信號(hào)、攝影編碼、站址、彈序等信息進(jìn)行采集、處理并按要求的格式進(jìn)行排列；最后，在攝影頻率控制下以分時(shí)掃描的方式逐行或逐列點(diǎn)亮點(diǎn)陣，將信息記錄在膠片上。如果因點(diǎn)陣亮度不夠或者其它原因而使膠片上某些點(diǎn)曝光不足，事后用判讀儀判讀時(shí)，可能造成錯(cuò)判或誤判，最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。用傳統(tǒng)的方法提高曝光不足點(diǎn)的亮度，同時(shí)會(huì)使該點(diǎn)同一行或同一列的其它點(diǎn)更亮，造成點(diǎn)與點(diǎn)之間邊緣不清晰，同樣會(huì)影響判讀。即便如此，有時(shí)某些曝光不足點(diǎn)的亮度仍不能滿足判讀要求。

基于上述問題，筆者提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，對(duì)點(diǎn)陣每一個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)亮?xí)r間單獨(dú)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣曝光時(shí)間的單點(diǎn)控制。此方案在ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２電影經(jīng)緯儀改造中得以實(shí)現(xiàn)。

    ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２高速攝影機(jī)是２０世紀(jì)７０年代由法國設(shè)計(jì)制造的。其點(diǎn)陣數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的點(diǎn)陣是５×２２的ＬＥＤ陣列，以ＬＥＤ作為光源，由光纖傳輸投影到膠片上完成數(shù)據(jù)記錄。如果采用傳統(tǒng)的控制方法，用這套點(diǎn)陣及投影系統(tǒng)所打點(diǎn)陣均勻性極差，判讀儀無法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其主要原因是：

（１）用ＬＥＤ作為光源，由于自身參數(shù)有差異，導(dǎo)致亮度不均勻；

（２）原先的光學(xué)投影系統(tǒng)中光纖有老化及斷絲現(xiàn)象，在傳輸過程中，光學(xué)投影系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)陣上每一個(gè)點(diǎn)的光能量的衰減不同，即使每個(gè)點(diǎn)的光照相同，仍不能保證每個(gè)點(diǎn)投影在膠片上的強(qiáng)度相同，所以不可能在膠片上產(chǎn)生相同的曝光量，即點(diǎn)的黑度不同，而且差異很大，點(diǎn)陣整體不均勻。

由于結(jié)構(gòu)方面的原因，對(duì)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)改造時(shí)必須延用這種方式不變，保留原先的光學(xué)投影系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的控制方法不能解決由于上述原因所帶來的點(diǎn)陣黑度不夠和不均勻的問題。所以在點(diǎn)陣數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的改造中，運(yùn)用了點(diǎn)陣曝光時(shí)間的單點(diǎn)控制方案，使點(diǎn)陣每一個(gè)點(diǎn)的曝光時(shí)間可以通過編程設(shè)定，大大提高了點(diǎn)陣的均勻性。

１ 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的原理與組成

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的原理與組成如圖１所示。

數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)主要由上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、點(diǎn)陣控制模塊、點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊、點(diǎn)陣模塊、光學(xué)投影模塊組成。

數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣信息的采集。主要是以８０３１單片機(jī)為核心的下位機(jī)，在攝影時(shí)統(tǒng)的控制下，實(shí)時(shí)地對(duì)時(shí)間、方位角、俯仰角、同步信息、頻率編碼等信息逐個(gè)采集，然后存放在雙口ＲＡＭ中，供上位機(jī)通過總線讀取。

    上位機(jī)：通過總線對(duì)雙口ＲＡＭ中的數(shù)據(jù)信息，按照要求的點(diǎn)陣排列格式進(jìn)行排列，并對(duì)每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行編程設(shè)定，最后由點(diǎn)陣控制模塊逐行輸出。

點(diǎn)陣控制模塊：在上位機(jī)的控制下，按上位機(jī)對(duì)每個(gè)點(diǎn)曝光時(shí)間的設(shè)定，以及點(diǎn)的亮與滅，逐行輸出點(diǎn)陣控制信號(hào)到點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊。

點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊：點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊輸出的控制信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣的ＬＥＤ，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮點(diǎn)陣的ＬＥＤ。

光學(xué)投影系統(tǒng)：將點(diǎn)陣ＬＥＤ的光能量傳輸?shù)侥z片，使膠片產(chǎn)生曝光，記錄數(shù)據(jù)。

點(diǎn)陣單點(diǎn)控制方案與傳統(tǒng)控制方案的主要區(qū)別在于點(diǎn)陣控制模塊不同。下面主要介紹點(diǎn)陣單點(diǎn)控制方案中，控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

２ 控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的點(diǎn)陣控制與驅(qū)動(dòng)模式有：

（１）一次點(diǎn)亮。即每一個(gè)ＬＥＤ的陰極和陽極分別有一個(gè)控制信號(hào)，一幅點(diǎn)陣一次點(diǎn)完。這種方式所用時(shí)間最短，但控制電路和驅(qū)動(dòng)電路都非常復(fù)雜，一般不采用。

（２）逐列掃描。逐列掃描即每次點(diǎn)亮其中的一列，一幅點(diǎn)陣分２２次點(diǎn)完。這種方式比一次點(diǎn)亮的電路簡(jiǎn)單，但所用時(shí)間比一次點(diǎn)亮?xí)r間長。

（３）逐行掃描。逐行掃描即每次點(diǎn)亮其中的一行，一幅點(diǎn)陣分５次點(diǎn)完。這種方式控制電路和驅(qū)動(dòng)電路都最簡(jiǎn)單，而且所占用時(shí)間界于前面兩者之間，一般多采用這種方式。

采用逐行掃描模式。為了確保點(diǎn)陣在膠片上的黑度和均勻性，若采用傳統(tǒng)的黑度調(diào)整方案存在以下問題：①減小串聯(lián)在ＬＥＤ中的限流電阻值，使通過ＬＥＤ的驅(qū)動(dòng)電流增加，從而提高其亮度，提高膠片上淡點(diǎn)的黑度。但一方面ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２點(diǎn)陣系統(tǒng)中，光學(xué)投影系統(tǒng)斷絲較多，點(diǎn)陣投影到膠片的過程中，對(duì)光能量損耗較大，一味地提高亮度會(huì)影響ＬＥＤ的壽命，而在極限電流范圍內(nèi)的亮度又不足以補(bǔ)償部分?jǐn)嘟z對(duì)能量的損耗；另一方面因?yàn)檫x用逐行掃描方式，調(diào)整一列限流電阻會(huì)影響到５個(gè)點(diǎn)的亮度，所以這種方法并不可取。②延長ＬＥＤ的點(diǎn)亮?xí)r間，也就是延長曝光時(shí)間，提高淡點(diǎn)的黑度。同樣因?yàn)檫x用逐行掃描方式，調(diào)整一行的點(diǎn)亮?xí)r間會(huì)影響２２個(gè)點(diǎn)的亮度。該方案設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣控制電路，能使點(diǎn)陣每一個(gè)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過編程控制，實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間的單點(diǎn)控制，從而實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)黑度的調(diào)整，確保點(diǎn)陣均勻性。

點(diǎn)陣的２２列對(duì)應(yīng)地由２２個(gè)８２Ｃ５４定時(shí)器控制。由于該方案選用逐行掃描模式，所以２２個(gè)８２Ｃ５４定時(shí)器分時(shí)控制著５行２２列點(diǎn)陣的每一個(gè)點(diǎn)。８２Ｃ５４是一個(gè)可編程減法計(jì)數(shù)器，它有六種不同的工作方式，其中方式１（可編程單穩(wěn)態(tài)特性）輸出單拍負(fù)脈沖信號(hào)，脈沖寬度可編程設(shè)定，滿足硬件電路的要求，其時(shí)序如圖２所示。在設(shè)定工作方式和寫入計(jì)數(shù)值后，輸出端輸出高電平；在觸發(fā)信號(hào)上升為高電平時(shí)，輸出為低電平，并開始計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器減為零時(shí)，輸出為高電平。定時(shí)器輸出負(fù)脈沖的寬度由定時(shí)器的計(jì)數(shù)值決定。

本方案中以列選信號(hào)作為定時(shí)器的觸發(fā)信號(hào)，定時(shí)器輸出為列控制信號(hào)，點(diǎn)陣２２列ＬＥＤ的選通時(shí)間分別由２２個(gè)定時(shí)器控制。點(diǎn)陣列控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)反向產(chǎn)生列驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在行控制及列控制共同有效的情況下，點(diǎn)亮ＬＥＤ。點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路如圖３。

如果是亮點(diǎn)，列選信號(hào)為“１”，觸發(fā)定時(shí)器計(jì)數(shù)，定時(shí)器輸出的控制信號(hào)為“０”，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為“１”，行選通后可以點(diǎn)亮點(diǎn)陣；如果不亮點(diǎn)，列選信號(hào)為“０”，定時(shí)器輸出的控制信號(hào)為“１”， 驅(qū)動(dòng)信號(hào)為“０”，即使有行選通信號(hào)也不能使ＬＥＤ點(diǎn)亮。

通過改變８２５４的計(jì)數(shù)值，可以改變列控制信號(hào)負(fù)脈沖的寬度，即改變驅(qū)動(dòng)該列點(diǎn)亮的時(shí)間（圖４中ｔ的大小）。采用這種方法既能避免使用復(fù)雜的控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣亮度的單點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)黑度的調(diào)整。時(shí)序及波形如圖４所示。

３ 控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上電后，程序首先初始化，然后根據(jù)ＬＥＤ亮度及光學(xué)投影系統(tǒng)斷絲情況的不同，對(duì)點(diǎn)陣中每一個(gè)點(diǎn)的曝光時(shí)間進(jìn)行編程設(shè)定，即給對(duì)應(yīng)的定時(shí)器賦不同的計(jì)數(shù)值。點(diǎn)陣在攝影頻率控制下，對(duì)應(yīng)每一幅畫面有一幅點(diǎn)陣，所以在攝影頻率上升沿到來之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和編排。最后將編排好的點(diǎn)陣以逐行掃描的方式輸出，控制驅(qū)動(dòng)模塊，點(diǎn)亮點(diǎn)陣。掃完一幅后，在判斷攝影頻率的下降沿到來之后，再準(zhǔn)備下一幅點(diǎn)陣的數(shù)據(jù)采集和控制。這樣一方面防止在同一幅畫面上點(diǎn)陣出現(xiàn)多次曝光，另一方面保證了每一幅畫面上數(shù)據(jù)記錄的實(shí)時(shí)性。軟件流程框圖如圖５所示。

４ 防串光措施

在實(shí)際中，為了減少故障，盡量簡(jiǎn)化硬件電路。把點(diǎn)陣控制硬件電路設(shè)計(jì)為：每掃一行，將每列所對(duì)應(yīng)的２２個(gè)定時(shí)器同時(shí)觸發(fā)。這樣就帶來一個(gè)問題：由于８２５４是減法計(jì)數(shù)器，它的最小計(jì)數(shù)值是１，對(duì)于不需要點(diǎn)亮的點(diǎn)即使計(jì)數(shù)值為最小，定時(shí)器也會(huì)有一個(gè)負(fù)脈沖輸出，對(duì)應(yīng)有一個(gè)ＬＥＤ點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，行選通后導(dǎo)致點(diǎn)陣中不需要點(diǎn)亮的ＬＥＤ點(diǎn)亮，最終在膠片上產(chǎn)生曝光即串光現(xiàn)象，造成事后點(diǎn)陣判讀時(shí)誤判。為了消除此現(xiàn)象，采取了以下措施：

（１）硬件措施，在點(diǎn)陣列控制信號(hào)前端加一級(jí)光電耦合器，其延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于一個(gè)時(shí)鐘周期，使得８２５４輸出的很尖的負(fù)脈沖信號(hào)由于光電耦合器的延時(shí)而被濾掉，相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，行選通后也因沒有列驅(qū)動(dòng)而不能使對(duì)應(yīng)ＬＥＤ 點(diǎn)亮，消除了串光現(xiàn)象的發(fā)生。

（２）軟件措施，在逐行掃描點(diǎn)亮點(diǎn)陣時(shí)，先用行選信號(hào)觸發(fā)８２５４，使不亮的點(diǎn)的列控制負(fù)脈沖輸出，并確保列控制電平已經(jīng)翻轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，再發(fā)出行選通信號(hào)，不該點(diǎn)亮的ＬＥＤ也不會(huì)被點(diǎn)亮。

采用防串光措施前后，點(diǎn)陣逐行掃描的時(shí)序?qū)φ杖鐖D６。

以上兩種方法可以選用其中一種，也可以同時(shí)使用。如只在硬件上采取措施，就必須選用延時(shí)足夠長的光電耦合器；如只在軟件上采取措施，則只需要在時(shí)間允許的情況下，在行選通之前加足夠的延時(shí)即可。

    經(jīng)在ＡｓＫａｎｉａ數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)改造運(yùn)用后證明：該方案對(duì)光學(xué)投影系統(tǒng)斷絲較多、光能量損耗較大的點(diǎn)的曝光補(bǔ)償行之有效，使一些用常規(guī)的方案幾乎不產(chǎn)生曝光的點(diǎn)能夠有充足的曝光，點(diǎn)陣質(zhì)量完全滿足判讀儀的要求。