對(duì)焦穩(wěn)定控制算法試驗(yàn)平臺(tái)的搭建和研究測(cè)試

1 引言

如今市場(chǎng)對(duì)于手機(jī)拍照功能的需求可謂是日新月異，這對(duì)于手機(jī)攝像頭的數(shù)量及質(zhì)量都提出了更高、更復(fù)雜的要求。在攝像頭驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，如何控制鏡頭實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)定的對(duì)焦至關(guān)重要。手機(jī)中控制鏡頭對(duì)焦的器件為音圈電機(jī)（VCM）。

音圈電機(jī)（VCM）基于安培定理工作，即當(dāng)線圈導(dǎo)電，其中的電流產(chǎn)生的作用力推動(dòng)固定在載體上的鏡頭移動(dòng)，從而改變對(duì)焦距離?？梢钥吹剑琕CM器件對(duì)于對(duì)焦距離的控制實(shí)際上是通過對(duì)線圈中電流的控制來實(shí)現(xiàn)的[2]。常見的 VCM 驅(qū)動(dòng)電路。

VCM 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)帶控制算法的 DAC電路。它可以將 I2C 總線上傳來的包含數(shù)字位置信息的 DAC code 轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的輸出電流（DAC code 對(duì)應(yīng)的輸出電流）；再通過 VCM 器件將輸出電流轉(zhuǎn)化為對(duì)焦距離[3]。不同的輸出電流經(jīng)過音圈電機(jī)形成回路，產(chǎn)生不同的安培力，該力推動(dòng)音圈電機(jī)上面的 Lens 運(yùn)動(dòng)。音圈電機(jī)上 Lens 鏡頭的運(yùn)動(dòng)在停止前會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩，而阻尼震蕩的大小直接影響到 Lens 的穩(wěn)定性。阻尼震蕩越大，Lens 穩(wěn)定性越差，因此鏡頭在對(duì)焦過程中不易捕捉清晰點(diǎn)，容易產(chǎn)生失焦。反之，阻尼震蕩越小，Lens 的穩(wěn)定性越好，從而鏡頭在對(duì)焦過程中更加容易穩(wěn)定在焦點(diǎn)處。如果鏡頭是自由的阻尼振蕩，對(duì)焦的時(shí)間將相當(dāng)漫長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定地對(duì)焦，需在 VCM 驅(qū)動(dòng)電路數(shù)字系統(tǒng)中加入抑制阻尼震蕩的算法。這個(gè)算法對(duì)于手機(jī)攝像頭效果至關(guān)重要，只有使用最優(yōu)化的對(duì)焦快速穩(wěn)定控制算法，才能保證快速而精準(zhǔn)的手機(jī)拍照對(duì)焦。

2 對(duì)焦穩(wěn)定控制算法試驗(yàn)平臺(tái)的搭建和配置

為驗(yàn)證和試驗(yàn)不同算法的效果，找出最優(yōu)算法，可搭建試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。

在的測(cè)試平臺(tái)中，主要由應(yīng)用系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成。應(yīng)用系統(tǒng)中，用 VC 語言編程送出指令給 MCU 產(chǎn)生 I2C 信號(hào)；經(jīng) FPGA 后產(chǎn)生包含對(duì)焦穩(wěn)定控制算法的時(shí)間間隔可控的并行數(shù)字控制信號(hào)；再經(jīng)過 DAC 將這些并行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同時(shí)序的電壓；最后經(jīng)過 DRIVER 將不同時(shí)序的電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的不斷變化的驅(qū)動(dòng)電流。由此來控制攝像頭模組中的 VCM 器件不斷地變化鏡頭位置以進(jìn)行對(duì)焦。

測(cè)試系統(tǒng)中，主要是利用帶電流探頭的多通道示波器，分別對(duì) FPGA 輸出的數(shù)字指令，DAC 輸出的電壓以及驅(qū)動(dòng)輸出的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最后通過激光測(cè)距儀來監(jiān)測(cè)鏡頭的位置移動(dòng)情況。在對(duì)焦控制的研究中，通常采用激光測(cè)距儀來探查鏡頭位置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和細(xì)微變化,激光測(cè)距儀可以將鏡頭的位移距離轉(zhuǎn)化為電壓值輸出。

在驗(yàn)證系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)中，我們具體選擇的配置如下。

（1）MCU 單片機(jī)，32 位單片機(jī)。

（2）FPGA，可采用 XILINX Spartan-6 FPGA 核心板。

（3）DAC，選用 10-bit DAC 芯片。

（4）DRIVER：DRIVER 的設(shè)計(jì)可以采用一個(gè)放大器和一個(gè)功率 MOSFET 外加采樣電阻構(gòu)成。

（5）攝像頭模組，常見的攝像頭模組分為單端開環(huán)，雙端中置，近年來還有帶霍爾校準(zhǔn)和帶光學(xué)防抖的。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用基礎(chǔ)的單端開環(huán)音圈電機(jī)，然而這些方法也可以擴(kuò)展到其他電機(jī)上。

（6）帶電流探頭的多通道示波器，需要四通道示波器，其中一個(gè)通道接電流探頭。

（7）激光測(cè)距儀，可采用基恩士激光測(cè)距儀，它的轉(zhuǎn)化倍率是 10 mV/μm。

這一算法試驗(yàn)平臺(tái)的主體部分的具體硬件配置如圖 4 所示。

在試驗(yàn)平臺(tái)的具體硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先 MCU 可以采用 32 位單片機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對(duì) 32 位單片機(jī)使用 VC 語言進(jìn)行編程控制，產(chǎn)生符合格式要求的I2C 數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)要包括控制模式和十位位移數(shù)據(jù)。I2C 數(shù)據(jù)再通過 XILINX Spartan-6 FPGA 核芯處理后生成帶一定時(shí)序控制的并行的十位位移數(shù)據(jù)（D0-D9）。接著，通過一個(gè) 10-bit DAC 轉(zhuǎn)成帶有一定時(shí)序控制的控制電壓信號(hào) VC。之后，通過運(yùn)放驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 產(chǎn)生帶一定時(shí)序控制的控制電流信號(hào) IL。最后，IL 通過由 VCM 模組構(gòu)成的負(fù)載（VCM 模組的構(gòu)成如本文前述的圖 1 所示），負(fù)載將在控制電流信號(hào) IL 的控制下按照既定的時(shí)序和安培力移動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)焦。

3 對(duì)焦穩(wěn)定控制算法的研究與測(cè)試

搭建好上述對(duì)焦穩(wěn)定控制算法試驗(yàn)平臺(tái)后，便可以對(duì)不同算法的對(duì)焦速度和精度進(jìn)行詳細(xì)的研究。在對(duì)焦穩(wěn)定時(shí)，如果能夠施加一定的對(duì)焦控制策略，在不同的時(shí)刻給予不同的電流，即給予不同的安培力，就可以有效地減小鏡頭穩(wěn)定所需的時(shí)間，使鏡頭位置快速落入焦點(diǎn)深度內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)鏡頭的快速精確對(duì)焦。接下來研究三種對(duì)焦穩(wěn)定控制模式。

3.1 直接對(duì)焦控制模式

如果沒有控制算法，直接送出目標(biāo)電流值，也就是常說的直接對(duì)焦模式，通過激光測(cè)距儀可以觀測(cè)到鏡頭的阻尼振蕩的測(cè)試波形如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，如果沒有控制算法，鏡頭的阻尼振蕩大概需要 20 個(gè)周期甚至更長(zhǎng)才能落入焦點(diǎn)深度以內(nèi)[3,4]，實(shí)現(xiàn)清晰對(duì)焦。當(dāng)鏡頭目標(biāo)位移點(diǎn)為 100 μm 時(shí)，鏡頭對(duì)焦落入有效的焦點(diǎn)深度的時(shí)間往往需要 150 ms 以上。

3.2 線性對(duì)焦控制模式

線性對(duì)焦穩(wěn)定控制算法是一種比較常見的對(duì)焦控制算法。其做法是驅(qū)動(dòng)電流線性增加，最終達(dá)到全目標(biāo)電流，從而實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定對(duì)焦的目的。如圖 6 所示，經(jīng)過這一算法的控制后，過阻尼振蕩的幅度大幅衰減，有效提高了對(duì)焦速度[5]。但到達(dá)穩(wěn)定點(diǎn)后的幅度較大，對(duì)焦精度的控制有所欠缺。從圖 6 可以看出，在鏡頭目標(biāo)位移點(diǎn)為 50 μm 時(shí)，鏡頭對(duì)焦落入有效的焦點(diǎn)深度的時(shí)間大概需要 11.2 ms 以上。

3.3 雙階對(duì)焦控制模式

目前，業(yè)界最常用的優(yōu)化對(duì)焦控制算法為雙階對(duì)焦控制模式。它的做法是先給出一半目標(biāo)電流，當(dāng)線圈振蕩過目標(biāo)位移點(diǎn)，達(dá)到最大位移點(diǎn)時(shí)，此時(shí)，線圈的速度接近于 0。馬上切換成全目標(biāo)電流。線圈的力正好在這一點(diǎn)達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定對(duì)焦的目的。這一對(duì)焦模式的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確控制電流的精度和切換的時(shí)間。保持和切換的時(shí)間要取決于線圈欠阻尼振蕩的周期[5]。從圖 7 中可以看出，在鏡頭目標(biāo)位移點(diǎn)為 50 μm 時(shí)，鏡頭對(duì)焦落入有效的焦點(diǎn)深度的時(shí)間只需要 5.4 ms。

4 結(jié)語

本文通過所搭建的對(duì)焦穩(wěn)定控制算法試驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)不同算法所產(chǎn)生的不同對(duì)焦模式進(jìn)行了詳細(xì)的研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，在目前業(yè)界通用的對(duì)焦穩(wěn)定控制算法中，使用雙階對(duì)焦穩(wěn)定控制算法可使鏡頭穩(wěn)定于焦深范圍內(nèi)所需的時(shí)間最短。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是最優(yōu)化的對(duì)焦模式。

近年來，人們研究了多種多階的對(duì)焦模式，但是這些研究主要集中于建模計(jì)算和仿真驗(yàn)證中[4,6]，本文提供的對(duì)焦穩(wěn)定控制算法研究試驗(yàn)平臺(tái)正好可以作為這些研究的試驗(yàn)和驗(yàn)證工具。借助這一工具，可以具體實(shí)際地看到各個(gè)對(duì)焦穩(wěn)定控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，為這一領(lǐng)域的研究提供了直觀便利的觀測(cè)平臺(tái)。

本文只是提供一種手機(jī)對(duì)焦快速穩(wěn)定算法研究與驗(yàn)證的方法和示例，基于這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以驗(yàn)證更多的對(duì)焦穩(wěn)定控制算法。對(duì)焦算法的研究需要結(jié)合力學(xué)，電磁學(xué)和各種數(shù)字和模擬電路的知識(shí)才能實(shí)現(xiàn)，本文為這一研究提供了工具和實(shí)例以方便更多的人對(duì)此進(jìn)行探索，找到最優(yōu)化的手機(jī)對(duì)焦穩(wěn)定控制算法。