采用dsPIC33F單片機和壓電陶瓷實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計

作者： 陳修濤;侯再紅;譚逢富

在試驗中，希望接收來自一公里的光斑在成像系統(tǒng)的中心，而由于大氣湍流的影響，光斑在成像系統(tǒng)中心附近抖動。目標跟蹤就是要通過改變傾斜鏡的角度使光斑始終在成像系統(tǒng)的中心。為此，使用位敏傳感器采集光斑的位置，微處理器處理數(shù)據(jù)，得到光斑的的偏移量，最后通過驅(qū)動壓電陶瓷晶體改變傾斜鏡角度。

激光在大氣傳輸時，由于與大氣湍流的相互作用，導致光波振幅和相位的起伏。其抖動頻率主要是低頻成分，壓電陶瓷晶體的響應(yīng)頻率在1000Hz 以上，能滿足消除大氣湍流帶來的光斑抖動的影響。在光學跟蹤系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用于目標跟蹤器件為CCD。由于CCD 采集的數(shù)據(jù)量很大，對后面的數(shù)據(jù)處理單元的要求很高，并且處理大量的數(shù)據(jù)增加了處理的復雜性和處理時間。本跟蹤系統(tǒng)采用PSD 位敏傳感器采集光斑位置信息，輸出只有四路信號，只需要五次加法運算、一次減法運算和一次除法運算，運算量大大減少。并且本系統(tǒng)的微處理器采樣dsPIC33F系列單片機，它有40M 的指令周期。其內(nèi)部加減運算為單指令周期，除法只需要19 個指令周期，大大提高了計算速度。

1.校正系統(tǒng)的組成與原理

校正系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，來自一公里之外的光束，經(jīng)激光雷達系統(tǒng)接收，通過傾斜鏡反射，光束經(jīng)分光鏡分光，一部分進入成像系統(tǒng)，一部分進入PSD 位敏傳感器。由位敏傳感器采集光斑位置，形成四路電流信號，經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換放大之后，由單片機進行A/D 轉(zhuǎn)換并計算出光斑的偏移量，并根據(jù)光斑的偏移量計算出驅(qū)動壓電陶瓷所需要的電壓。最后將驅(qū)動電壓值進行D/A 轉(zhuǎn)換，并通過高壓驅(qū)動器驅(qū)動PZT（壓電陶瓷晶體）改變傾斜鏡的角度，從而使光斑始終在成像系統(tǒng)的中心。

圖1 跟蹤系統(tǒng)框圖

2.總體系統(tǒng)設(shè)計

2.1位敏傳感器系

位敏傳感器是由Si 光電二極管組成，輸出信號為電流信號。電流大小與光斑位置和光強強弱有關(guān)。其初級電路必須是電流電壓轉(zhuǎn)換電路。四路輸出信號與光斑位置的關(guān)系為：

其中i1， i2 ， i3， i4 為四路輸出信號。上式求x， y 時用到除法運算，消除了光強變化對位置的影響，從而獲得與光強無關(guān)的位置信號。

2.2單片機控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用dsPIC33F 系列單片機實現(xiàn)12 位的高速A/D 轉(zhuǎn)換、PID 控制、與D/A 轉(zhuǎn)換器的通信及與計算機的通信。

系列單片機的A/D 部分采用逐次比較式A/D 轉(zhuǎn)換，最多有32 路轉(zhuǎn)換通道，可實現(xiàn)自動通道選擇模式采樣，擁有16個結(jié)果緩沖器。在本系統(tǒng)中我們用125K 的采樣速率進行四路模擬信號采樣，當16 個結(jié)果緩沖器都滿之后，產(chǎn)生一次中斷，并對每路信號取四次的平均值。逐路采樣延長了每一路信號的采樣時間，并采取四次采樣取平均值的方法，一方面可以減小采樣誤差，另一方面，可以起到濾波的作用。

目標精跟蹤系統(tǒng)需要實現(xiàn)快速反應(yīng)，這要求我們的算法必須實現(xiàn)快速收斂。我們采用PID（比例-積分-微分）增量算法，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速收斂。其中P 項為比例項，當誤差大的時候，P 的系數(shù)也大，可以實現(xiàn)快速調(diào)整；當誤差小的時候，P 的系數(shù)也小，可以實現(xiàn)小幅度的調(diào)整。隨著時間的消失，P 項有利于減小系統(tǒng)的總誤差。但總有一個靜態(tài)誤差。I 項為積分項，對誤差進行積分，可以實現(xiàn)誤差的精度調(diào)整，使靜態(tài)誤差積累到一定的值乘以I 項的增益因子之后輸出，消除靜態(tài)誤差的影響。D 項為微分項，用來實現(xiàn)快速調(diào)整，，它對誤差信號的變化率進行響應(yīng)。

增量算法推導如下：

其增量式為：

微分項的系數(shù)。由（2）式可以看出，由于PID 輸出與歷史狀態(tài)有關(guān)，計算工作量很大，需要對偏差信號進行累加。而采用增量式PID 算法，既（2）的算法，輸出量為誤差的增量，可以減小計算量。

轉(zhuǎn)化采用的是SPI 通信方式，D/A轉(zhuǎn)換器選用的時TLV5638，它是雙路輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器，其輸出的最高電壓是參考電壓的2 倍，其飽和電壓為電源電壓VDD -0.4v ，也是說參考電壓不應(yīng)該大于V DD -0.4v ，另外，D/A 轉(zhuǎn)換必須在片選信號CS 的下降沿。而對運放偏移量、PID 系數(shù)的確定等都是通過計算機控制，MAX232 串口與計算機的通信，很多資料都有介紹，在這里不再累述。

2.3對高壓電路的要求

壓電陶瓷是利用其在外加電場作用下，具有逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生形變。壓電陶瓷致動器的驅(qū)動電源應(yīng)具有輸出電流大，文波小的特點。我們采用達林頓管構(gòu)成有源濾波電路，可以實現(xiàn)小文波，大電流的輸出。在整流電路中，需要使用高壓大電容，需要放電回路，但是使用大電阻放電時間過長；使用小電阻，在工作過長中，電阻上的電流過大，導致電阻發(fā)熱過大。為此，我們采用兩級放電的辦法，可以解決以上放電時間長，或電阻功耗過大的問題。兩級放電回路原理圖如圖2 所示。當電容電壓很高時，比較器U1 輸出低電平，Q1 截止，電容只能通過，大電阻R1，R2 放電，當電容電壓低于某個臨界值時，U1 輸出高電平，電容通過小電阻R3 放電。

如圖3 為高壓驅(qū)動電路及放電回路。輸入由D/A 轉(zhuǎn)換輸出的信號與反饋信號比較，若輸入D/A 轉(zhuǎn)換信號大，U1 輸出低電平，截止，電源對壓電陶瓷晶體充電。其中T2、構(gòu)成達林頓管。U2 構(gòu)成比較放大電路，輸出電壓與壓電陶瓷的電壓相比較，若壓電陶瓷晶體的電壓高，U2 輸出高電平，導通，壓電陶瓷晶體放電。反之，壓電陶瓷晶體充電。

2.4壓電陶瓷微位移裝置

壓電陶瓷（PZT）在外電場的作用下，內(nèi)部的正負電荷中心產(chǎn)生相對位移，該位移使壓電體產(chǎn)生形變，表現(xiàn)為壓電陶瓷有一定的伸縮能力。利用壓電陶瓷（PZT）的伸縮能力可以實現(xiàn)對傾斜鏡的角度控制。其原理如圖4：

其中，O 為支點，A，B 為壓電陶瓷（PZT）。大圓圈代表傾斜鏡。壓電陶瓷（PZT）的平衡點為驅(qū)動器工作在100V 的工作電壓下。這樣，當驅(qū)動電壓升高時，傾斜鏡向一個方向運動；當驅(qū)動電壓降低時，傾斜鏡向相反的方向運動。

本系統(tǒng)的壓電陶瓷（PZT）在200V 電壓下可以伸長30μm，即壓電陶瓷（PZT）的前后變化范圍為15 μm 。OA、OB 的長為5 cm 。計算可知，傾斜鏡前后變化范圍為0.3 mrad 。又由于望遠鏡的放大倍數(shù)為10倍，

所以，本系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)抖動在3 mrad 以內(nèi)的光斑。完全能滿足我們的要求。

3.試驗結(jié)果與結(jié)論

試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)40Hz以內(nèi)大氣擾動的校正，并且有很好的校正效果。下面我們給出具體的分析結(jié)果：采集數(shù)據(jù)是在下午3 點到4 點，當時的大氣相干長度為5.5-7 之間。圖5 光斑抖動情況。圖中帶圓圈線反映的是光斑抖動情況，從圖中我們可以看出光斑抖動的范圍比較大，并且包含高頻成分和低頻成分。不帶圓圈線反映的是跟蹤之后的光斑抖動圖像。從圖可以看出光斑的抖動范圍非常的小，并且以高頻成分為主，也含有一定的低頻成分。這是因為：一方面由于大氣湍流引起一公里光斑抖動是微弧度量的，光斑抖動非常的小，超出PSD的分辨率，另一方面由于機械抖動引起的光斑抖動。

下一步的工作：改進系統(tǒng)的機械性能、提高系統(tǒng)的分辨率并進一步提高系統(tǒng)的帶寬。

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