陳亞芝，李美滿，周 東，張金良

0 引言

信息時(shí)代，信息是非常重要的資源，怎樣獲取信息是至關(guān)重要的一步，航空相機(jī)拍攝是獲取地物信息的一種重要手段。航空相機(jī)以飛機(jī)包括無人機(jī)為平臺(tái)，對(duì)陸地、海洋上空進(jìn)行拍照以直接獲取重要圖像信息，在民用資源開發(fā)及軍事情報(bào)領(lǐng)域具有重要的作用。它是一種工作要求穩(wěn)定的機(jī)械、光學(xué)及電子信息技術(shù)結(jié)合度高的自動(dòng)化設(shè)備[1-2]。隨著無人機(jī)及航空遙感技術(shù)的成熟，航空遙感及相關(guān)航空相機(jī)拍攝已逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)控制方式

航空數(shù)碼相機(jī)在進(jìn)行拍攝時(shí)需要完成一系列的控制動(dòng)作，包括：

（1）系統(tǒng)自檢，完成上電后LPC1768自身RAM、ROM，光闌及快門自檢；

（2）鏡頭自動(dòng)調(diào)光，采集當(dāng)前背景光度，計(jì)算所需光圈大小及曝光時(shí)間，完成鏡頭相應(yīng)調(diào)光控制；

（3）以IIC通信模式，完成CCD模塊（SAA8103）參數(shù)配置。

整個(gè)系統(tǒng)中，光闌的位置控制由FL20STH30-0604A步進(jìn)電機(jī)完成?？扉T幕簾的上限由MAXON微型直流電機(jī)控制。選用微型電磁鐵完成快門釋放動(dòng)作。考慮到系統(tǒng)需要完成電機(jī)控制、IIC通信模式對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行參數(shù)配置以及航空拍攝需滿足60%重疊率要求[3-4]，本文航拍數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)的主控芯片選用NXP的LPC1768單片機(jī)，該芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，可用于高度集成及低功耗的嵌入式需求的應(yīng)用場(chǎng)合。LPC1768集成了512 k的flash存儲(chǔ)器、64 k的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電機(jī)控制PWM接口、IIC接口、6輸出獨(dú)立PWM、8通道12位AD采樣接口、異步通信接口UART等豐富的外設(shè)資源，足以滿足系統(tǒng)對(duì)光源強(qiáng)度采樣；快門、光闌控制；異步通訊和CCD模塊參數(shù)配置的需求。

2 航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖如圖1所示。CCD模塊參數(shù)配置通過IIC總線對(duì)與SAA8108模塊配置來完成[5]，光闌與幕布分別由步進(jìn)電機(jī)及微型直流電機(jī)控制，其反饋的位置信號(hào)由單片機(jī)讀取，用以檢測(cè)角度初始位置?？扉T控制通過控制微型磁鐵來完成。由于LPC1768最好的工作電壓在3.3 V左右，因此，硬件系統(tǒng)中需設(shè)計(jì)由5 V到3.3 V的穩(wěn)壓電源

圖1 航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 CCD驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

LPC1768有專用的IIC外設(shè)接口，電路設(shè)計(jì)時(shí)將CCD時(shí)序脈沖產(chǎn)生芯片SAA8103 SIS管腳置為低電平，使其通信模式配置為IIC模式，方便與LPC1768進(jìn)行通訊。這種實(shí)現(xiàn)IIC總線方式不但可以占用較少的CPU資源，而且通訊更加穩(wěn)定，不易受環(huán)境干擾。

硬件連接方式比較簡(jiǎn)單，LPC1768專用IIC接口P0.27、P0.28配置為開漏輸出的SDA0與SCL0，+3.3V電源與總線之前需配置上拉電阻，具體硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 IIC總線通訊硬件連接

系統(tǒng)上電自檢完畢后，通過IIC總線將SAA8103預(yù)選設(shè)定的工作模式、波形時(shí)序等數(shù)據(jù)信息傳給其具體寄存器的各單元，由其解碼數(shù)據(jù)并分配相應(yīng)模塊完成時(shí)序脈沖信號(hào)。

2.3 鏡頭機(jī)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)電路

航空數(shù)碼相機(jī)鏡頭機(jī)構(gòu)主要的部件就是快門機(jī)構(gòu)及光闌機(jī)構(gòu)[3，6]，由于航空數(shù)碼拍攝時(shí)的頻率與光闌張開角度大小有關(guān)，因此本系統(tǒng)選用FL20STH300604A型步進(jìn)電機(jī)對(duì)光闌的位置角度進(jìn)行有效控制，鏡頭機(jī)構(gòu)控制電路如圖3所示。

圖3 鏡頭機(jī)構(gòu)控制電路

圖3 中的“測(cè)光”是每次航拍前，都需要對(duì)相機(jī)窗口測(cè)光[7]，測(cè)取的光源模擬信號(hào)通過運(yùn)放輸入到LPC1768專用AD采樣口P0.23進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，依據(jù)采集到的光度信號(hào)查表控制步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)及旋轉(zhuǎn)方向，以此控制光闌?！傲阄恢脵z測(cè)”信號(hào)由光闌角度最小處時(shí)的位置反饋信號(hào)，由LPC1768的P0.19讀入。

本系統(tǒng)選用的快門機(jī)構(gòu)為縱走式幕簾快門，其三連桿式的上弦機(jī)構(gòu)的上弦與回位動(dòng)作由直流電機(jī)完成，上弦到預(yù)設(shè)的位置會(huì)觸動(dòng)該位置的微動(dòng)開關(guān)從而產(chǎn)生已上弦的信號(hào)，該信號(hào)促使LPC1768停止對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；快門機(jī)構(gòu)中的釋放機(jī)構(gòu)通過控制電磁鐵吸合鐵桿撥動(dòng)釋放桿的方式完成快門釋放動(dòng)作。LPC1768配置P0.10、P0.11、P0.12為輸出口，分別用于幕簾上弦、幕簾釋放及幕簾控制。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)軟件在LPC1768中需要實(shí)時(shí)處理，控制軟件的各功能，包括任務(wù)命令接受、拍攝數(shù)據(jù)模擬采集、拍攝狀態(tài)監(jiān)控、拍攝動(dòng)態(tài)控制等都需要滿足實(shí)時(shí)性的要求。軟件設(shè)計(jì)時(shí)盡可能合理安排各功能模塊，提高軟件的執(zhí)行效率，降低MCU的負(fù)載率。本系統(tǒng)控制軟件按模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效提高編程效率。

控制系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖4所示，其中，初始化部分為LPC1768內(nèi)部時(shí)鐘、寄存器、I/O口、程序變量參數(shù)、SAA8103模式初始化的配置。自檢部分是單片自身RAM、ROM、鏡頭機(jī)構(gòu)、快門機(jī)構(gòu)自檢，一旦檢測(cè)故障，系統(tǒng)停止工作。傳感器零漂檢測(cè)部分的設(shè)定是運(yùn)放電路存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，本系統(tǒng)上電后，對(duì)無光源狀態(tài)信號(hào)連續(xù)測(cè)量500次，再求平均值得出零位偏移量?？刂葡到y(tǒng)在實(shí)際航拍中，對(duì)光源的采集量都要減去該零位偏移量以獲取實(shí)際值?？刂瞥绦蛑袛喾绞酵ㄟ^定時(shí)器溢出信號(hào)觸發(fā)芯片AD轉(zhuǎn)換器，完成AD轉(zhuǎn)換后觸發(fā)中斷的模式完成，定時(shí)器定時(shí)周期為100 ms，進(jìn)而AD采樣周期也為100 ms。在中斷循環(huán)程序中，主要完成指令采集和拍照動(dòng)作，而所拍攝圖像數(shù)據(jù)處理由另一套單片機(jī)控制系統(tǒng)配合完成。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語

本文基于LPC1768單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航空數(shù)碼相機(jī)通訊、CCD驅(qū)動(dòng)模塊SAA8103配置、鏡頭控制、快門控制等功能。目前所在實(shí)驗(yàn)室已成功完成對(duì)樣機(jī)的試制，通過室外航拍實(shí)驗(yàn)效果證明，所設(shè)計(jì)的航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、工作穩(wěn)定，能夠較好地完成研發(fā)任務(wù)的需求。

參考文獻(xiàn)：

［1］何欣年.航空數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2000（15）：124-129.

［2］陽范青，曹劍中，劉波，等.基于SAA8103的CCD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2005（02）：108-111.

［3］杜云飛，劉波.基于P89C668單片機(jī)的航空數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008（01）：129-130.

［4］劉光林，楊世洪，吳欽章，等.高分辨率全幀CCD相機(jī)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2007（03）：320-324.

［5］ SAA8103 Pulse Pattern Generator for Frame Transfer CCD Data Sheet［Z］.Philps Semiconductors，2001.

［6］徐景碩，高揚(yáng).航空相機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2001（03）：28-29.

［7］王慶有，孫學(xué)珠.CCD應(yīng)用技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1993.