基于TMS320F240控制步進電機的調(diào)焦系統(tǒng)設計

出處：nin800920 發(fā)布于：2007-09-21 11:29:17

摘要：與傳統(tǒng)的攝影調(diào)焦系統(tǒng)相比較，針對焦距可以靈活調(diào)整的要求，提出了基于TMS320F240控制步進電機調(diào)焦的設計方案，利用F240控制電機驅動器UP-4HB03M按照計算所得的調(diào)焦軌跡進行調(diào)焦。實驗結果表明，本系統(tǒng)調(diào)焦曲線與理想曲線擬合度較好，拍攝已知運動軌跡的目標，達到了滿意效果。
關鍵詞：TMS320F240；步進電機控制器；步進電機

0引言：

當攝影鏡頭拍攝運動的物體時，如果運動軌跡已知，攝影鏡頭必須對焦距進行調(diào)節(jié)，從而調(diào)整目標的像點的位置，使得目標始終位于焦點上，達到實時拍攝的目標，傳統(tǒng)變焦大多是利用機械裝置完成的，比如凸輪機構，齒條機構；但是由于機械加工工藝復雜，其、平穩(wěn)性和靈活性都難以滿足要求，為此本系統(tǒng)利用步進電機帶動攝像機完成變焦，由于步進點機地按照步進角轉動，并且由DSP進行控制，從而滿足了以上機械裝置無法完成地性能要求。實驗結果表明，本系統(tǒng)調(diào)焦曲線與理想曲線擬合度較好，拍攝已知運動軌跡的目標，達到了滿意效果。

1 調(diào)焦系統(tǒng)設計思想

在光學系統(tǒng)中，采用一組物鏡，調(diào)節(jié)軸向位移，物鏡光學系統(tǒng)物象關系是：

X′=f² / X

其中X′—— 像距（目標像平面到主焦平面的距離）；

X —— 物距（目標距離）；

f —— 光學系統(tǒng)焦距 f＝常量，像距X′與物距X成反比關系。

利用已知的攝影調(diào)焦曲線確定步進電機轉動所需的步數(shù)和時間坐標關系，存入F240數(shù)據(jù)存儲器中，利用F240運算速度快、片載FLASH存儲器大（16K字）的特點，準確控制步進電機控制器驅動步進電機運轉，通過機械裝置實現(xiàn)攝影鏡頭焦距按照規(guī)定的曲線變化，從而實現(xiàn)實時拍攝運動物體的功能。

2 硬件設計部分

2.1步進驅動器UP-4HB03M簡介

UP-4HB03M是北京聯(lián)太工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的專用步進電機驅動器,4HBO3M適用于兩相六出頭混合式及四相混合式步進電機，PWM恒流控制方式；可選擇半步（四相八拍）或者16細分兩種工作方式；驅動電流為0.3A連續(xù)可調(diào)，并且具有自動半流鎖定功能；脫機控制及其相位檢測功能；所有控制信號與功率驅動部分光電隔離；散熱外殼與驅動器內(nèi)部完全電絕緣。

2.2 TMS320F240簡介

TMS320F240(以下簡稱F240)由DSP內(nèi)核和片內(nèi)外設組成。由于DSP內(nèi)核具有較快的計算和響應處理速度，可以應付高速應用的要求，同時也為控制軟件的設計提供了更加有力的支持，使控制系統(tǒng)能夠完成更加復雜的功能、實現(xiàn)更好的控制效果。同時TMS320F240具有豐富的片內(nèi)外設，包括16路10位A／D轉換器、多個可編程的多路復用I/O引腳、硬件UART以及SPI總線等。特別是TMS320F240片內(nèi)設置了一個事件管理器(EPA)，可以提供6路全比較PWM通道，能方便地實現(xiàn)各種PWM波形的發(fā)生。這里使用F240主要是考慮F240速度快以及有豐富的I/O引腳資源；程序燒寫方便，利于更新曲線坐標以及修改程序；性價比較高等因素。

2.3 硬件設計

本系統(tǒng)的硬件接口電路如圖1所示，74ls14為反相器，接到DSP的I/O口以提高其驅動能力，CH1是一個八腳的插頭，用于外接步進機的各項繞組。步進電機以及攝影鏡頭部分從略。工作過程如下：首先獲得攝影調(diào)焦曲線，利用MATLAB軟件，得出時間位移坐標，再換算成步進電機轉動所需的步數(shù)時間坐標，以數(shù)組的行式保存下來。在F240的數(shù)據(jù)存儲器中開辟空間存儲步數(shù)時間數(shù)組，利用F240定時器完成計時，I/O口輸出相應寬度的脈沖信號，驅動步進電機驅動器UP-4HB03M，其中CP為步進脈沖輸入端；FREE為脫機端，高電平有效，F(xiàn)REE＝1時，電機處于釋放狀態(tài)；V/D為方向控制端，高低電平分別控制電機正反轉。

圖1 硬件接口電路圖

3 軟件設計：

由于電機的運行和轉動步數(shù)以及兩步之間間隔時間有關系，故采用計時器計時的方法來計算時間，F(xiàn)240初始化程序如下：

void Initcpu(void) //初始化F240程序

{ *WDCR=0x6f; // 禁止自帶的看門狗功能；

*CKCR1=0x69; // 外部輸入晶振為20MHZ，F(xiàn)240工作在20MHZ；

*CKCR0=0xc3; // 系統(tǒng)時鐘為10MHZ；

*SYSCR=0x4000; } // F240輸出頻率CLKOUT=IOPC1（I/O管腳）；

F240初始化后，計時器的基本計時時間為0.1µs，考慮到F240定時器是16位計數(shù)器，這難以滿足計算長時間的需求，所以采用通過計算進入定時器中斷的次數(shù)來計算長時間的方法。例如設置定時器周期寄存器值為800即*T1PR＝800，那么進定時器中斷時間為800*0.1=80µs如果計時為1s的話，則只需進12500次中斷即可，以此類推；故定義的數(shù)組內(nèi)容表示如下：

int table[ ]= { 25,800,255, //第1行

. . . . . . } //第n行

其中25為電機步數(shù)；800為定時器周期寄存器值；255每兩步間所要進入定時器中斷的次數(shù)。實現(xiàn)準確地控制步進電機控制器關鍵在于由F240 I/O口產(chǎn)生規(guī)定的脈沖信號，提供給步進電機控制器從而驅動步進電機正確轉動，程序中包括F240初始化、電機正轉、等待、電機反轉幾個程序模塊。程序流程圖如圖2所示：

圖2 程序流程圖

以下是實現(xiàn)電機正轉的程序。程序中變量解釋：step：用于存儲數(shù)組中電機步數(shù)；every step：用于存儲數(shù)組中每兩步間所要進定時中斷的次數(shù)；flag：數(shù)組行數(shù)標志(程序假設需正轉36組)。

void interrupt INT2_ISR()

{ while (*EVIVRA==0x0027) //是否是定時器中斷

{ if(flag<36) //用來完成正轉

{

if (steptotal==step) //是否走完數(shù)組每行規(guī)定的步數(shù)

{ flag++; //數(shù)組行標志加1

steptotal=0; //電機轉動步數(shù)清零

step=table[++j]; //更新電機運行步數(shù)數(shù)據(jù)

*T1PR=table[++j]; //更新定時器定時周期

everystep=table[++j]; //更新需要進入定時器中斷次數(shù)

*T1CNT=0; } //從零開始計時，啟動定時器

i++; //循環(huán)標志位加1

if(i==1) *PADATDIR=0xff05; // 提供下降沿，正轉，不脫機

else{ if (i==everystep)

{ i=0;

steptotal++; } //電機每轉一步標志位加1

else

*PADATDIR=0xff04; //CP腳為高電平為產(chǎn)生下降沿準備,正轉，不脫機

}

*IMR=0x02; //開定時器中斷

enable(); //開啟F240總中斷

}

4 實驗結果及其注意事項

電機轉動的步數(shù)和時間坐標都是由主機端通過MATLAB仿真取得的，因此實際調(diào)焦曲線的與理想曲線的擬合程度大大提高了；步進電機控制器采用四相八拍運行方式，并且由DSP進行控制，步進機地按照步進角（0.9度）轉動。實際應用該調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)整攝影鏡頭，拍攝運動軌跡已知的目標，達到了滿意的效果。

定時器時間的準確計算對高地測量一些物理量是非常重要的。當需要定時器計算的時間比較長時，定時器計數(shù)還不夠，這時就需要利用定時器自身的中斷，即短時間定時一到就進入定時器中斷服務子程序，利用進入的次數(shù)來達到計時的目的