基于DSP的運動相機控制系統設計

摘要：設計了一種基于DSP的運動相機控制系統，對相機做“重復啟停”運動進行控制。使用TMS320LF2407控制ASM46AK—H100諧波減速步進電機，驅動相機很快到達指定位置進行拍照，實驗數據表明可以重復拍攝周期且圖像清晰。
關鍵詞：DSP；運動相機；步進電機；重復啟停

0 引言
隨著計算機和信息技術的飛躍發展，使具有快速和高精度處理能力的DSP出現并廣泛應用。本文設計了一種通過DSP實現對運動相機控制的系統，可以使常規方式無法進行的拍攝工作變得輕松，并能達到理想效果。實現了相機快速到達指定位置，進行5點拍攝，并確保拍攝到的圖像不失真。

1 系統原理
基于TMS320LF2407的運動相機控制系統框圖如圖1所示。

DSP在GPIO的驅動下將輸入的指令進行處理，經過光電耦合和功率放大后，驅動步進電機工作，步進電機和相機機架上的齒輪結構連接，控制相機完成5點拍攝工作。

運動相機的控制原理如圖2所示。運動相機控制系統需要完成相機在某個時刻快速運動到指定位置1點，立即停止，對準目標拍照并保證圖像清晰，然后以同樣標準在位置2點、位置3點、位置4點、位置5點拍照，再按原路快速返回到位置1點，等待下一個拍攝周期的到來。

2 系統硬件設計
在運動相機控制系統中，需要控制相機做“重復啟停”運動，即在某些時刻要求相機快速運動，在特定時刻迅速停止，并能保證停止時相機靜止不動，確保拍攝到的圖像不失真。因此要求所選電機應易于啟停控制的同時，還要具有鎖定能力。本系統采用運動控制系統中廣泛應用的步進電機作為執行元件。
步進電機是根據組合電磁鐵的理論設計的，是一種將有效電脈沖信號轉變為相應的角位移或直線位移的開環控制元件。步進電機通過專用的電源把電脈沖信號按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產生類似于旋轉磁場的脈沖磁場，使每給步進電機加一個脈沖信號，步進電機就移動一步。步進電機的轉速、停止的位置只取決于輸入脈沖信號的頻率和脈沖個數，不需要反饋信息和A／D轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化為可控角位移。步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差、可以在相當寬的范圍內平滑調速、具有一定的自鎖能力和易于啟停控制等特點，非常適合運動相機控制系統。步進電機的控制系統如圖3所示。當步進電機和負載已經確定之后，整個驅動系統的性能就完全取決于驅動電源和控制方法，步進電機驅動器由脈沖信號、信號分配、功率放大器幾部分組成。脈沖分配方式采用軟件脈沖分配，采用軟件進行脈沖分配不用改變硬件線路，只需修改軟件程序就能完成控制方案修改，不僅降低了成本，還提高了可靠性。

根據電機所帶負載相機的動力學要求、控制相機掃拍過程中電機運動規律和相機曝光時間的關系，選擇使用ASM46AK—H100的諧波減速步進電機。ASM46AK—H100步進電機減速比為1：100，最高分辨率設定為0．36(°)／脈沖，轉矩為5 N·m，最大轉矩為11 N·m，電源輸入電流為1．7 A，電源輸入電壓DC 24 V，最大輸入脈沖頻率為250 kHz(脈沖占空比50％時)，速度／位置控制指令是脈沖序列輸入，容許速度范圍為0～24 r／min，能滿足CCD的要求。在過載保護、過壓保護、速度差異常保護、速度過快、E2PROM數據錯誤、傳感器異常、系統異常等保護功能工作時，輸出警報信號，電動機自然停止。