以MSP430單片機(jī)為控制運(yùn)算核心的CCD可選調(diào)光電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.引言

自我國(guó)研制出第一臺(tái)大型經(jīng)緯儀以來(lái)，攝影一直是電影經(jīng)緯儀用于對(duì)飛行器（導(dǎo)彈，火箭，宇宙飛船）的主要測(cè)量記錄手段。攝影膠片記錄的內(nèi)容在判讀時(shí)能否被發(fā)現(xiàn)，與目標(biāo)相對(duì)背景的對(duì)比度有極重要的關(guān)系。調(diào)光的目的在于使膠片的曝光量保持在膠片感光特性曲線的直線段所規(guī)定的范圍之內(nèi)：

（r為底片反差系數(shù)），而不受外界背景亮度變化的影響。以前經(jīng)緯儀傳統(tǒng)的攝影調(diào)光是采用變換平衡電橋參數(shù)的方法來(lái)控制像面照度，檢測(cè)元件為光敏電阻。為了適應(yīng)膠片感光度、攝影頻率和天空背景亮度等各種攝影條件。就要由操作人員來(lái)裝定數(shù)種不同，并按一定關(guān)系排列的背景照度值。每次攝影時(shí)，預(yù)先用照度計(jì)測(cè)出天空背景照度值，還要查曝光列表，選擇合適的電阻裝定在檢測(cè)電橋的一個(gè)臂上，用來(lái)設(shè)定背景照度值。模擬信號(hào)經(jīng)過伺服放大驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)密度盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光。這樣的系統(tǒng)，調(diào)光精度差，不穩(wěn)定環(huán)節(jié)多，調(diào)整方法復(fù)雜，很難滿足現(xiàn)代高速寬范圍攝影系絨調(diào)光要求。

八十年代中期，針對(duì)1~200幀/秒，高速寬范圍攝影系統(tǒng)的要求，研制一種新型調(diào)光系統(tǒng)。仍然采用變密度盤調(diào)節(jié)像面照度，同時(shí)可連續(xù)地75.~120.調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)式快門的開口角，精確控制曝光時(shí)間，系統(tǒng)中應(yīng)用了單片微型計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能型自動(dòng)控制，只要將攝影頻率、膠片感光度給定，單片機(jī)就代替操作人員自動(dòng)選擇背景照度，同時(shí)根據(jù)計(jì)算和邏輯斷準(zhǔn)確控制照度值和曝光時(shí)間，從而達(dá)到攝影全自動(dòng)調(diào)光目的。

靶場(chǎng)經(jīng)緯儀在經(jīng)過CCD改裝后，其調(diào)光方法一般是根據(jù)天氣與航路光線情況設(shè)置相機(jī)積分時(shí)間，然后手動(dòng)調(diào)整5檔可變密度盤，在進(jìn)行攝影時(shí)，由于相機(jī)曝光量也不能連續(xù)調(diào)整，使得CCD攝影達(dá)不到理想的效果。

根據(jù)此種情況與現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的CCD攝影自動(dòng)調(diào)光電控系統(tǒng)，在CCD攝影過程中能根據(jù)監(jiān)視器的效果進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)或半自動(dòng)像面光強(qiáng)調(diào)整，使目標(biāo)與背景的對(duì)比度高，從而達(dá)到理想的攝影成像效果。

2.調(diào)光系統(tǒng)的組成及工作原理

調(diào)光系統(tǒng)主要由可變密度盤，光敏元件，處理電路，步近機(jī)及其功率機(jī)組成，其組成關(guān)系如圖1所示。

在攝影過程中，CCD靶面上的曝光量為：

其中：

E為像面照度；T為CCD攝影積分時(shí)間。

像面照度的表達(dá)式為：

由（3）可見：當(dāng)0 B ， 1 K ， 2 K 和τ 的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，則CCD靶面照度隨天空背景亮度而改變。

曝光時(shí)間T即為CCD相機(jī)的攝影積分時(shí)間，可以根據(jù)攝影頻率和光路情況選擇一個(gè)合適的參數(shù)，其大小一般為1~100mS.

從系統(tǒng)原理框圖見，自動(dòng)調(diào)光由單片機(jī)控制一對(duì)中性可變密度盤來(lái)控制像面照度。中性可變密度盤是裝在望遠(yuǎn)物鏡攝影系統(tǒng)會(huì)聚光路中的一對(duì)中性濾光片，這對(duì)濾光片的透過率是隨其轉(zhuǎn)角按一定函數(shù)關(guān)系連續(xù)變化的。其總的變化量相當(dāng)于六級(jí)光圈32倍。光圈的示值刻在調(diào)光手鈕上。調(diào)光手鈕裝在可折卸的自動(dòng)調(diào)光調(diào)焦操面板上，中間通過聯(lián)軸節(jié)與中性可變密度盤步進(jìn)電機(jī)相連。

像面照度的檢測(cè)元件為光敏三極管，它置于攝影CCD靶面面前視場(chǎng)的邊緣。接收主光路進(jìn)來(lái)的背景光，經(jīng)像面照度值檢測(cè)電路進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得出像面照度。

當(dāng)選擇自動(dòng)調(diào)光方式時(shí)，根據(jù)控制面板上參數(shù)設(shè)置旋鈕的設(shè)置照度參數(shù)值，設(shè)定CCD靶面照度。然后像面照度值，照度設(shè)置參數(shù)由多路開關(guān)按地址分時(shí)經(jīng)過樣保持器由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量讀入單片機(jī)內(nèi)存。單片機(jī)根據(jù)光敏三極管檢測(cè)的照度值，照度設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出檢測(cè)照度與輸入?yún)?shù)設(shè)定的曝光標(biāo)準(zhǔn)量比較，得出照度誤差。單片機(jī)根據(jù)此誤差量。選擇最佳照度值控制量，由步進(jìn)機(jī)帶動(dòng)中性可變密度盤，控制照度誤差逐漸減少，直至誤差趨近于零，步進(jìn)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如背景光不斷變化，此調(diào)整也不斷進(jìn)行。

當(dāng)選擇半自動(dòng)工作方式，操作人員根據(jù)監(jiān)視器效果來(lái)控制步進(jìn)機(jī)使變密度盤前進(jìn)或后退，從而使透光量比較連續(xù)增加或減少，得到理想的成像效果。若是變化的光路，操作人員可以根據(jù)監(jiān)視器成像不斷調(diào)整。

3.控制電路

主要控制電路由像面照度檢測(cè)電路，照度設(shè)置電路，多路開關(guān)與采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)及功率機(jī)模塊等組成。

像面照度檢測(cè)電路由光敏三板管接收主光路射入的天空背景光，并轉(zhuǎn)換成與天空的背景亮度成正比的電壓值，輸出0~10V直流電壓。

照度設(shè)置電路主要由采樣電位器與10V基準(zhǔn)電壓組成，10V電壓給電位器供電，旋轉(zhuǎn)電位器便得到一定的采樣電壓信號(hào)輸入至多路開關(guān)。

多路開關(guān)與采樣保持器分別由芯片AD7501與AD583組成。

A/D轉(zhuǎn)換電路使用的芯片是A/D574.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路分別將多路開關(guān)選通的兩個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，并行讀入單片機(jī)內(nèi)存。模擬電壓在10V為A/D參考電壓時(shí)，則最小分辨率為2.44mV.

MSP430單片機(jī)具有功耗低，處理能力強(qiáng)大，豐富的外圍模塊，方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。選用MSP430F149型號(hào)，它是16位的單片機(jī)，具有8MIPS的處理速度，60kB的存儲(chǔ)容量，2kB的RAM，多個(gè)定時(shí)器及48個(gè)I/O口。可以勝任對(duì)該系統(tǒng)的控制。

MSP430組成的控制電路原理如圖2所示。

MSP430通過P1.0~P1.3對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的控制分別讀取采集照度值與設(shè)置照度值，通過P1.4接收限位開關(guān)的信號(hào)來(lái)進(jìn)行限位信息顯示，通過P1.6~P2.1來(lái)讀取面板控制按鈕的信息來(lái)進(jìn)行相關(guān)的操作。

主光路射入的天空背景光，并轉(zhuǎn)換成與天空的背景亮度成正比的電壓值，輸出0~10V直流電壓。

照度設(shè)置電路主要由采樣電位器與10V基準(zhǔn)電壓組成，10V電壓給電位器供電，旋轉(zhuǎn)電位器便得到一定的采樣電壓信號(hào)輸入至多路開關(guān)。

多路開關(guān)與采樣保持器分別由芯片AD7501與AD583組成。

A/D轉(zhuǎn)換電路使用的芯片是A/D574.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路分別將多路開關(guān)選通的兩個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，并行讀入單片機(jī)內(nèi)存。模擬電壓在10V為A/D參考電壓時(shí)，則最小分辨率為2.44mV.

MSP430單片機(jī)具有功耗低，處理能力強(qiáng)大，豐富的外圍模塊，方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。選用MSP430F149型號(hào)，它是16位的單片機(jī)，具有8MIPS的處理速度，60kB的存儲(chǔ)容量，2kB的RAM，多個(gè)定時(shí)器及48個(gè)I/O口?？梢詣偃螌?duì)該系統(tǒng)的控制。

MSP430組成的控制電路原理如圖3所示。

MSP430通過P1.0~P1.3對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的控制分別讀取采集照度值與設(shè)置照度值，通過P1.4接收限位開關(guān)的信號(hào)來(lái)進(jìn)行限位信息顯示，通過P1.6~P2.1來(lái)讀取面板控制按鈕的信息來(lái)進(jìn)行相關(guān)的操作。

當(dāng)使用半自動(dòng)調(diào)光方式時(shí)，面板上有步進(jìn)機(jī)前進(jìn)與后退的按鈕，且）還有快與慢的按鈕，單片機(jī)根據(jù)面板按鈕信息來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)，操作人員通過監(jiān)視器的反饋來(lái)不斷調(diào)整，從而達(dá)到調(diào)光的目的。

該系統(tǒng)程序使用多個(gè)模塊化的子程序編寫。如雙精度乘法程序。除法程序、雙字節(jié)、單字節(jié)的加法和減法程序，步進(jìn)機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)程序，延時(shí)，定時(shí)程序，長(zhǎng)短焦距的修正程序，系統(tǒng)誤差修正程序。由于程序設(shè)計(jì)采用模塊化，簡(jiǎn)化了主程序，使人機(jī)對(duì)話更為方便，就系統(tǒng)軟件功能而言，通用性強(qiáng)，使系統(tǒng)控制更加靈活。

4.結(jié)束語(yǔ)

這種智能型調(diào)光系統(tǒng)具有使用方便，操作靈活，調(diào)光控制精度高，速度快等優(yōu)點(diǎn)。而且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制功能，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，并具有溫度特性好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該調(diào)光電控系統(tǒng)在經(jīng)緯儀CCD攝影系統(tǒng)加裝后具有普遍的應(yīng)用前景。