胡安平

摘要：為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)的電路控制，提出了以ATMega16L單片機(jī)及CPLD邏輯電路XC95288為核心的電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0.1微秒精度的時(shí)間控制和1MHz的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量，并在某系統(tǒng)高速攝影機(jī)中得到應(yīng)用，效果良好。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/164397.htm

關(guān)鍵詞：高速攝影；單片機(jī)；CPLD；轉(zhuǎn)速測(cè)量

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018

引言

超高速攝影與一般攝影最根本的區(qū)別，在于它能以極快的速度進(jìn)行拍攝，有很高的時(shí)間分辨率，能夠?qū)⒖焖僮兓倪^(guò)程記錄下來(lái)，可以廣泛應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究、瞬態(tài)光譜物理、高能物理、炸藥爆轟參數(shù)測(cè)量等領(lǐng)域。

超高速攝影有超高速光電相機(jī)、轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影等。轉(zhuǎn)鏡式高速攝影有較高的分辯力，轉(zhuǎn)鏡式高速攝影掃描系統(tǒng)的掃描速度可達(dá)0.375km/ s～15km/s，系統(tǒng)分辯力可達(dá)80lp/ mm，高速攝影分幅系統(tǒng)的攝影頻率可達(dá)104fps～107fps，系統(tǒng)分辨力可達(dá)35lp/mm，可滿足速度最高可達(dá)幾十千米每秒的高速運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)試需求。

轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)是一個(gè)涉及光學(xué)、機(jī)械、電子等技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜精密系統(tǒng)，主要由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，這里主要對(duì)某項(xiàng)目中用到的轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)的電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

超高速攝影電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影電路控制系統(tǒng)使高速攝影機(jī)各部分按程序工作，保證高速攝影機(jī)以500萬(wàn)幀/秒的速度準(zhǔn)確可靠地高速拍攝。超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)是保證攝影機(jī)準(zhǔn)確可靠工作、提供分析所需數(shù)據(jù)的指揮機(jī)構(gòu)。控制系統(tǒng)性能的好壞是衡量高速攝影機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)志。

超高速攝影電路控制系統(tǒng)主要由控制箱、電源、計(jì)算機(jī)等組成。電控系統(tǒng)主要功能為：（1）快門開啟和關(guān)閉的控制；（2）調(diào)整和控制轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)速度；（3）轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量和指示；（4）引發(fā)脈沖光源；（5）安全保護(hù)功能，包括電機(jī)的過(guò)流保護(hù)、傳感器斷電保護(hù)等。超高速攝影電控系統(tǒng)工作流程示意如圖1所示。

單片機(jī)ATMega16L通過(guò)RS485通信接受計(jì)算機(jī)的指令并完成對(duì)其它各個(gè)分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。電機(jī)脈沖信號(hào)放大板將轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速測(cè)量板的信號(hào)放大并送給CPLD邏輯電路XC95288進(jìn)行測(cè)速，并與轉(zhuǎn)鏡速度控制單元的測(cè)速值進(jìn)行比較，用于判斷是否達(dá)到設(shè)定的速度；脈沖氙燈控制器用于開啟脈沖氙燈和引發(fā)目標(biāo)信號(hào)，機(jī)械快門控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)攝影機(jī)的保護(hù)，外部觸發(fā)及同步信號(hào)單元用來(lái)獲取外部的同步信號(hào)，并根據(jù)到達(dá)拍攝區(qū)域的時(shí)間確定零時(shí)信號(hào)。系統(tǒng)各控制模塊（除電機(jī)控制器外）和電源等都裝配在控制機(jī)柜中，并通過(guò)電纜與對(duì)應(yīng)的快門、電機(jī)、氙燈、傳感器和液晶顯示模塊等連接起來(lái)。

邏輯電路XC95288的功能設(shè)計(jì)

XC95288是Xilinx公司的在系統(tǒng)可編程CPLD器件，主要用來(lái)完成邏輯控制和轉(zhuǎn)鏡速度測(cè)量等功能，其控制的內(nèi)容包括轉(zhuǎn)鏡速度和外部同步信號(hào)的讀取、控制機(jī)械快門、脈沖氙燈以及觸發(fā)目標(biāo)，同時(shí)也控制MAX485等芯片實(shí)現(xiàn)與上位控制計(jì)算機(jī)的半雙工通信。

XC95288與MAX485的連接電路如圖3所示。

超高速攝影機(jī)需要將轉(zhuǎn)鏡加速到預(yù)定的拍攝速度，并能夠維持?jǐn)?shù)秒（維持時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則將損壞電機(jī)），以等待拍攝目標(biāo)的到來(lái)。因此要設(shè)定拍攝速度的自動(dòng)選擇環(huán)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡速度達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，它能自動(dòng)給出信號(hào)以穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)攝影頻率為500萬(wàn)幀/秒=5×106fps時(shí)，拍攝320個(gè)畫幅對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)角度為120°，此時(shí)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速n為：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。

為了測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這里設(shè)計(jì)一個(gè)速度測(cè)量電路，其參數(shù)如下：（a）頻率測(cè)量范圍：10Hz～1MHz；（b）測(cè)量分辨率：1Hz；（c）測(cè)量通道靈敏度：50mVpp；（d）通道輸入阻抗：≥100kΩ。

（1）電機(jī)信號(hào)整形電路

電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入的速度頻率信號(hào)是方波，并且信號(hào)的測(cè)量通道靈敏度為50mVpp，為此需要將速度信號(hào)放大整形成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平的方波信號(hào)，便于XC95288對(duì)信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)，放大電路需要將最小為Vpp=50mV的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后變成Vpp=5V電平，并且前向通道電阻≥100kΩ，則放大電路的電壓放大倍數(shù)為：

第一級(jí)射級(jí)跟隨器提高了輸入阻抗，使其滿足Ri≥100kΩ的要求，使得信號(hào)基本上送入后級(jí)，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)的放大使信號(hào)放大，最后經(jīng)施密特觸發(fā)器整形成比較好的方波信號(hào)，為后面的處理提供信號(hào)。

（2）電機(jī)速度頻率測(cè)量電路

XC95288主要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行處理，并通過(guò)串口發(fā)送到PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。這里采用有源晶振40MHz進(jìn)行分頻得到計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘為電機(jī)速度頻率測(cè)量提供精度相對(duì)較高的時(shí)基信號(hào)，其時(shí)間的穩(wěn)定性和精度將會(huì)直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。

用XC95288實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度測(cè)量的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在XC95288內(nèi)部電路中，F(xiàn)0、F1輸入端口分別輸入標(biāo)準(zhǔn)脈沖和待測(cè)的速度脈沖信號(hào)（經(jīng)過(guò)整形放大以后的信號(hào)），計(jì)數(shù)器0和1分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖F0和待測(cè)信號(hào)F1進(jìn)行計(jì)數(shù)，鎖存器0和1分別對(duì)計(jì)數(shù)器0和1的計(jì)數(shù)值進(jìn)行保存，16位的輸入端口NP作為預(yù)置閘門時(shí)間的設(shè)定端口，設(shè)其輸入值為NP，則預(yù)置閘門時(shí)間T0為T0=NP/f0。

在電路剛開始工作時(shí)，由清零信號(hào)CLR對(duì)所有的計(jì)數(shù)器、鎖存器和D觸發(fā)器清零。這樣，計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值NN0的初值為0，故此時(shí)NP>NN0，比較器輸出為1，但此時(shí)DFF0觸發(fā)器的輸出F2仍保持此初值0，由于F2作用在計(jì)數(shù)器0和1的使能端，此時(shí)計(jì)數(shù)器沒有開始計(jì)數(shù)，直到信號(hào)F1的上升沿到來(lái)后，DFF0觸發(fā)器的輸出F2才翻轉(zhuǎn)為1，允許兩計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。隨著計(jì)數(shù)值的增加，當(dāng)NN0>NP時(shí)，比較器輸出等于0，不過(guò)此時(shí)兩個(gè)計(jì)數(shù)器仍在計(jì)數(shù)，直到信號(hào)F1的又一上升沿到來(lái)后，F(xiàn)2=0，兩個(gè)計(jì)數(shù)器都停止計(jì)數(shù)，利用F2的下降沿（F3的上升沿）將此時(shí)的計(jì)數(shù)值NN0和NN1分別通過(guò)鎖存器0和1鎖存起來(lái)。然后利用此時(shí)F2=0，經(jīng)D1觸發(fā)器延時(shí)到信號(hào)F0的上升沿到來(lái)后，對(duì)計(jì)數(shù)器0、1清零。延時(shí)清零的原因是為了避免鎖存器鎖存數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器清零同時(shí)進(jìn)行，從而使存儲(chǔ)數(shù)據(jù)出錯(cuò)。但由于延時(shí)清零，使實(shí)際門控信號(hào)的上升沿比速度信號(hào)F0的上升沿滯后，滯后時(shí)間為信號(hào)F0的一個(gè)周期。為使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，將計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值加1即可。F2實(shí)質(zhì)上就是實(shí)際門控信號(hào)。

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮計(jì)數(shù)器溢出的情況。例如，在電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢的情況下，兩個(gè)速度脈沖信號(hào)上升沿間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，這使實(shí)際閘門時(shí)間變得很長(zhǎng)，在該段時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器0可能會(huì)出現(xiàn)溢出情況。在該情況下，可用3種方法來(lái)解決計(jì)數(shù)：一是增加計(jì)數(shù)器0的位數(shù)；二是通過(guò)增加計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)溢出次數(shù)另行讀數(shù)；三是一旦計(jì)數(shù)器溢出，便認(rèn)為此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速約等于0。這里采用的方法是：在電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢的時(shí)候延時(shí)2秒種后再進(jìn)行測(cè)量，而且計(jì)數(shù)器都采用16位寬度。

單片機(jī)ATMega16L的功能設(shè)計(jì)

ATMega16L單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集，具有預(yù)取指令功能，指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，處理速度快。在高速攝影電控系統(tǒng)中，ATMega16L單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取XC95288的電機(jī)測(cè)速值，處理控制內(nèi)外信息的輸入輸出接口，并與上位控制計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485接口進(jìn)行信息交互。

在軟件編程時(shí)，利用ATMega16L單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器與系統(tǒng)時(shí)鐘的預(yù)定比例分頻器，可以獲得很高分辨率的時(shí)間間隔控制精度，例如，單片機(jī)系統(tǒng)采用8MHz的晶振工作，采用8分頻，則時(shí)間控制的間隔可以達(dá)到微秒，完全能夠?qū)崿F(xiàn)超高速攝影中要求的0.1微秒的控制精度。

這里給出一個(gè)ATMega16L單片機(jī)讀取XC95288的電機(jī)測(cè)速值的C語(yǔ)言子程序。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)，已在某系統(tǒng)超高速攝影機(jī)中得到應(yīng)用，系統(tǒng)工作良好。

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