摘要：在光電探測領(lǐng)域中以往對相機(jī)調(diào)焦變倍多采用單片機(jī)(MCU)控制完成，其優(yōu)點(diǎn)在于易于編程實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐髮?shí)時控制相機(jī)的變倍、調(diào)焦，其程序的編寫多采用查詢方式實(shí)現(xiàn)，這就使單片機(jī)始終處于十分繁忙的狀態(tài)，利用率降低，此外當(dāng)調(diào)焦、變倍電機(jī)到達(dá)限位位置時，由于單片機(jī)是采用查詢方式工作，這就導(dǎo)致電機(jī)到達(dá)限位與實(shí)際停止電機(jī)轉(zhuǎn)動之間存在時間差，這種時間差導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，容易把電機(jī)或調(diào)焦變倍驅(qū)動機(jī)構(gòu)燒毀。文章采用單片機(jī)+FPGA方式進(jìn)行調(diào)焦變倍控制，單片機(jī)負(fù)責(zé)通信，F(xiàn)PGA根據(jù)命令實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍控制。FPGA實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍的優(yōu)勢在于響應(yīng)速度更快、此外能夠真正實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)同時進(jìn)行，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到限位位置能夠及時停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，有效避免堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；現(xiàn)場可編程門陣列；調(diào)焦變倍；限位點(diǎn)

0 引言
    在光電測量領(lǐng)域中，常常需要使用長焦距、大口徑的光學(xué)相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)探測。這種相機(jī)由于變倍比比較大，為了使不同距離的目標(biāo)均能在像面成清晰的像，除了需要控制倍率的變化外，還需要對聚焦位置進(jìn)行微調(diào)。以往對這種光學(xué)相機(jī)變倍調(diào)焦的控制比較常用的方法是采用單片機(jī)來完成。采用單片機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)在于編程方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)在于由于需要控制監(jiān)測的信號有變倍電機(jī)的驅(qū)動信號、調(diào)焦電機(jī)的驅(qū)動信號、變倍電機(jī)分別走到兩頭的兩個限位信號、調(diào)焦電機(jī)分別走到兩頭的兩個限位信號，這些信號均要實(shí)時控制監(jiān)測，因此通常需要采用查詢的方法進(jìn)行編程處理，這種方法的好處在于能夠及時地控制相機(jī)的變倍調(diào)焦，缺點(diǎn)在于由于頻繁的查詢硬件狀態(tài)，使得單片機(jī)始終處于繁忙的工作狀態(tài)，工作效率低。此外由于單片機(jī)是以固定周期進(jìn)行查詢，這常常導(dǎo)致檢測到電機(jī)運(yùn)行到限位狀態(tài)與停止電機(jī)運(yùn)動存在時間差，該時間差可導(dǎo)致電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，易于損壞電路板及電機(jī)。
    本文設(shè)計(jì)了一種光學(xué)相機(jī)調(diào)焦變倍控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)以FPGA+單片機(jī)(MCU)為核心芯片，其中控制電機(jī)運(yùn)行的命令通過中斷的方式發(fā)出，保證電機(jī)實(shí)時接到命令即運(yùn)動起來，當(dāng)電機(jī)到達(dá)限位位置FPGA得到限位狀態(tài)，馬上發(fā)出停止信號，斷掉電機(jī)管腳上的電，使電機(jī)馬上停止下來。此方法同以往方法相比的好處在于控制電機(jī)的實(shí)時性更強(qiáng)，能夠有效地控制相機(jī)變倍調(diào)焦機(jī)構(gòu)的運(yùn)動、停止，同時避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)，以致燒毀電機(jī)或電路板。

1 硬件組成
    基于FPGA+單片機(jī)的調(diào)焦變倍系統(tǒng)主要包括MCU、通信模塊、FPGA(可編程邏輯器件)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、光耦模塊、電機(jī)組成，其組成框圖如圖1所示。其中MCU采用AD公司的ADU812，該款芯片除具有單片機(jī)的通用功能外，還具有AD轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)光學(xué)鏡頭需要實(shí)時回傳當(dāng)前位置信息時，可通過把電位計(jì)同電機(jī)連接到一起，把電位計(jì)的輸出端接到該MCU的AD輸入口，通過程序可讀到當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)到的位置；通信模塊采用16C650，該通信模塊可把MCU的并行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)榇行盘杺鬟f出去；FPGA采用EP1K100-208I，電機(jī)驅(qū)動模塊采用L298，該芯片具有兩路電機(jī)驅(qū)動信號輸出，可同時驅(qū)動兩路電機(jī)；光耦模塊采用歐姆龍的EP470，該光耦模塊接法簡單，并且模塊上具有燈光指示，通過燈光可知道當(dāng)前狀態(tài)；電機(jī)采用瑞士電機(jī)。

1．1 工作原理
    人機(jī)交互模塊通過通信模塊向MCU發(fā)送調(diào)焦變倍命令，MCU通過中斷接收到命令，實(shí)時傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA接到命令后，依照命令向調(diào)焦變倍驅(qū)動電路發(fā)送相應(yīng)的邏輯電平，調(diào)焦變倍驅(qū)動電路接到相應(yīng)邏輯后，向相應(yīng)的控制電機(jī)發(fā)送正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)電壓，使電機(jī)根據(jù)命令正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到限位位置時，光耦模塊作為傳感器檢測到相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)到限位位置，把限位狀態(tài)傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA接到限位信號立刻向調(diào)焦變倍驅(qū)動電路發(fā)送信號，使其輸出為零電壓，電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動。這里使用FPGA完成控制的優(yōu)點(diǎn)在于通過對FPGA編程即可實(shí)現(xiàn)調(diào)焦變倍；監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)動位置；實(shí)時停止電機(jī)轉(zhuǎn)動并行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動到限位位置能及時迅速地使電機(jī)停止。
1．2 FPGA控制模塊及電機(jī)驅(qū)動模塊
    FPGA具有高集成度、高可靠性以及開發(fā)工具智能化等特點(diǎn)，目前逐步成為復(fù)雜數(shù)字電路設(shè)計(jì)的理想首選。此外FPGA可以通過編程實(shí)現(xiàn)硬件的邏輯功能，大大減少了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。因此本文以FPGA為核心器件進(jìn)行調(diào)焦變倍驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，這里選用ALTERA公司的EP1K100 -208I，采用VHDL語言編程生成調(diào)焦變倍控制信號、限位信號檢測邏輯、電機(jī)驅(qū)動模塊使能控制信號。系統(tǒng)上電后，當(dāng)MCU接收到人機(jī)交互機(jī)構(gòu)發(fā)來的調(diào)焦變倍控制命令后，立即把該命令傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA接到控制命令，轉(zhuǎn)換成實(shí)際控制信號傳遞給電機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊接到控制信號，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)相機(jī)調(diào)焦變倍的控制。FPGA對電機(jī)驅(qū)動模塊的控制原理圖如圖2所示。其中MFOCUS STOP、FOCUS STOP分別為FPGA向電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)出的變倍電機(jī)和調(diào)焦電機(jī)控制使能信號；MFOCUS+、MFOCUS-為FPGA發(fā)送的變倍控制信號，F(xiàn)OCUS+、FOCUS-為FPGA發(fā)送的調(diào)焦控制信號；變倍電機(jī)+和變倍電機(jī)-為電機(jī)驅(qū)動模塊輸出的控制變倍電機(jī)轉(zhuǎn)動的電壓，調(diào)焦電機(jī)+和調(diào)焦電機(jī)-為電機(jī)驅(qū)動模塊輸出的控制調(diào)焦電機(jī)轉(zhuǎn)動的電壓。當(dāng)相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)到限位點(diǎn)時，F(xiàn)PGA向?qū)?yīng)使能端發(fā)送低電平信號，則無論相應(yīng)的電機(jī)控制信號是何種狀態(tài)，對應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動模塊中的電壓輸出信號均為零電平，電機(jī)停止運(yùn)動。當(dāng)電機(jī)沒有運(yùn)動到限位點(diǎn)時，對應(yīng)的使能端被FPGA置為高電平，F(xiàn)PGA通過向變倍控制端和調(diào)焦控制端發(fā)送相應(yīng)信號，控制電機(jī)驅(qū)動模塊輸出相應(yīng)電壓。FPGA發(fā)送的使能信號、電機(jī)控制信號及電機(jī)驅(qū)動模塊輸出的電壓的對應(yīng)關(guān)系如表1和表2所示。其中X表示為任意電平。

1．3 MCU模塊及通信模塊
    在本設(shè)計(jì)中MCU主要作為通信管理芯片，實(shí)現(xiàn)與人機(jī)交互模塊進(jìn)行通信。操作者通過人機(jī)交互模塊向通信模塊發(fā)送變倍調(diào)焦命令，通信模塊把該命令轉(zhuǎn)發(fā)給MCU，MCU以中斷方式接收命令實(shí)時傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA對電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)變倍調(diào)焦控制。FPGA對光耦模塊的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并把該狀態(tài)通過MCU模塊和通信模塊傳遞給人機(jī)交互模塊，使操作者能掌握當(dāng)前相機(jī)狀態(tài)。因?yàn)槿藱C(jī)交互模塊發(fā)送數(shù)據(jù)較頻繁，為了防止MCU出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，這里沒有直接應(yīng)用人機(jī)交互模塊的通信口與MCU的串口連在一起，而是通過通信模塊把二者聯(lián)系起來。這里通信模塊采用了一片16C650，該芯片優(yōu)點(diǎn)在于內(nèi)部具有32字節(jié)的FIFO，可起到數(shù)據(jù)緩存的作用，使MCU能夠穩(wěn)定可靠地接收數(shù)據(jù)。
1．4 光耦模塊
    光耦模塊主要起到實(shí)時檢測當(dāng)前電機(jī)是否運(yùn)行到限位點(diǎn)的作用，如果電機(jī)沒有運(yùn)行到限位點(diǎn)，光耦模塊向FPGA輸出0電平，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到限位點(diǎn)時光耦模塊向FPGA輸出1電平。為了便于觀察和調(diào)試，這里選用歐姆龍的EX470P型光耦，該光耦通過指示燈，可指示出光耦當(dāng)前輸出狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)
    本文軟件設(shè)計(jì)主要對MCU和FPGA進(jìn)行編程。其中對MCU編程主要應(yīng)用C語言進(jìn)行，對FPGA主要應(yīng)用VHDL語言編寫。其中MCU程序框圖如圖3所示。FPGA程序流程框圖如圖4所示。

3 結(jié)論
    本文介紹了一種基于FPGA的連續(xù)可變焦距相機(jī)的變倍調(diào)焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)同以往單純使用MCU完成變倍調(diào)焦功能的系統(tǒng)相比，采用FPGA控制調(diào)焦、變倍，能夠更快地實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)運(yùn)動、停止，對于防止電機(jī)因?yàn)檫\(yùn)動到限位位置沒有及時發(fā)出停止操作而產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，進(jìn)而造成電機(jī)毀壞或控制系統(tǒng)毀壞具有一定效果，因此具有一定應(yīng)用價值。