超高速摄影机电控系统设计

摘要：为了实现转镜式超高速摄影系统的电路控制，提出了以ATMega16L单片机及CPLD逻辑电路XC95288为核心的

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关键词：高速摄影；单片机；CPLD；转速测量

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018

引言

超高速摄影与一般摄影最根本的区别，在于它能以极快的速度进行拍摄，有很高的时间分辨率，能够将快速变化的过程记录下来，可以广泛应用于高速运动过程研究、瞬态光谱物理、高能物理、炸药爆轰参数测量等领域。

超高速摄影有超高速光电相机、转镜式超高速摄影等。转镜式高速摄影有较高的分辩力，转镜式高速摄影扫描系统的扫描速度可达0.375km/ s～15km/s，系统分辩力可达80lp/ mm，高速摄影分幅系统的摄影频率可达104fps～107fps，系统分辨力可达35lp/mm，可满足速度最高可达几十千米每秒的高速运动物体的测试需求。

转镜式超高速摄影系统是一个涉及光学、机械、电子等技术领域的复杂精密系统，主要由光学系统、机械系统和控制系统组成，这里主要对某项目中用到的转镜式超高速摄影系统的电路控制系统设计进行介绍。

超高速摄影电控系统设计

转镜式超高速摄影电路控制系统使高速摄影机各部分按程序工作，保证高速摄影机以500万帧/秒的速度准确可靠地高速拍摄。超高速摄影机电控系统是保证摄影机准确可靠工作、提供分析所需数据的指挥机构。控制系统性能的好坏是衡量高速摄影机质量的重要标志。

超高速摄影电路控制系统主要由控制箱、电源、计算机等组成。电控系统主要功能为：（1）快门开启和关闭的控制；（2）调整和控制转镜的旋转速度；（3）转镜旋转速度测量和指示；（4）引发脉冲光源；（5）安全保护功能，包括电机的过流保护、传感器断电保护等。超高速摄影电控系统工作流程示意如图1所示。

单片机ATMega16L通过RS485通信接受计算机的指令并完成对其它各个分系统的实时控制。电机脉冲信号放大板将转镜转速测量板的信号放大并送给CPLD逻辑电路XC95288进行测速，并与转镜速度控制单元的测速值进行比较，用于判断是否达到设定的速度；脉冲氙灯控制器用于开启脉冲氙灯和引发目标信号，机械快门控制单元实现对摄影机的保护，外部触发及同步信号单元用来获取外部的同步信号，并根据到达拍摄区域的时间确定零时信号。系统各控制模块（除电机控制器外）和电源等都装配在控制机柜中，并通过电缆与对应的快门、电机、氙灯、传感器和液晶显示模块等连接起来。

逻辑电路XC95288的功能设计

XC95288是Xilinx公司的在系统可编程CPLD器件，主要用来完成逻辑控制和转镜速度测量等功能，其控制的内容包括转镜速度和外部同步信号的读取、控制机械快门、脉冲氙灯以及触发目标，同时也控制MAX485等芯片实现与上位控制计算机的半双工通信。

XC95288与MAX485的连接电路如图3所示。

超高速摄影机需要将转镜加速到预定的拍摄速度，并能够维持数秒（维持时间不宜过长，否则将损坏电机），以等待拍摄目标的到来。因此要设定拍摄速度的自动选择环节，当转镜速度达到预定的转速时，它能自动给出信号以稳定电机转速。当摄影频率为500万帧/秒=5×106fps时，拍摄320个画幅对应转镜的旋转角度为120°，此时转镜转速n为：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。

为了测量电机转速是否达到设定的转动速度，这里设计一个速度测量电路，其参数如下：（a）频率测量范围：10Hz～1MHz；（b）测量分辨率：1Hz；（c）测量通道灵敏度：50mVpp；（d）通道输入阻抗：≥100kΩ。

（1）电机信号整形电路

电机转速输入的速度频率信号是方波，并且信号的测量通道灵敏度为50mVpp，为此需要将速度信号放大整形成标准的TTL电平的方波信号，便于XC95288对信号脉冲的计数，放大电路需要将最小为Vpp=50mV的信号经过放大整形后变成Vpp=5V电平，并且前向通道电阻≥100kΩ，则放大电路的电压放大倍数为：

第一级射级跟随器提高了输入阻抗，使其满足Ri≥100kΩ的要求，使得信号基本上送入后级，再经过两级的放大使信号放大，最后经施密特触发器整形成比较好的方波信号，为后面的处理提供信号。

（2）电机速度频率测量电路

XC95288主要实现对被测信号的脉冲个数进行处理，并通过串口发送到PC上进行实时显示。这里采用有源晶振40MHz进行分频得到计时标准时钟，标准时钟为电机速度频率测量提供精度相对较高的时基信号，其时间的稳定性和精度将会直接影响到测量的准确性。

用XC95288实现电机速度测量的电路结构如图5所示。

在XC95288内部电路中，F0、F1输入端口分别输入标准脉冲和待测的速度脉冲信号（经过整形放大以后的信号），计数器0和1分别对标准脉冲F0和待测信号F1进行计数，锁存器0和1分别对计数器0和1的计数值进行保存，16位的输入端口NP作为预置闸门时间的设定端口，设其输入值为NP，则预置闸门时间T0为T0=NP/f0。

在电路刚开始工作时，由清零信号CLR对所有的计数器、锁存器和D触发器清零。这样，计数器0的计数值NN0的初值为0，故此时NP>NN0，比较器输出为1，但此时DFF0触发器的输出F2仍保持此初值0，由于F2作用在计数器0和1的使能端，此时计数器没有开始计数，直到信号F1的上升沿到来后，DFF0触发器的输出F2才翻转为1，允许两计数器计数。随着计数值的增加，当NN0>NP时，比较器输出等于0，不过此时两个计数器仍在计数，直到信号F1的又一上升沿到来后，F2=0，两个计数器都停止计数，利用F2的下降沿（F3的上升沿）将此时的计数值NN0和NN1分别通过锁存器0和1锁存起来。然后利用此时F2=0，经D1触发器延时到信号F0的上升沿到来后，对计数器0、1清零。延时清零的原因是为了避免锁存器锁存数据与计数器清零同时进行，从而使存储数据出错。但由于延时清零，使实际门控信号的上升沿比速度信号F0的上升沿滞后，滞后时间为信号F0的一个周期。为使检测结果准确，将计数器0的计数值加1即可。F2实质上就是实际门控信号。

在设计电路时，需要考虑计数器溢出的情况。例如，在电机转速很慢的情况下，两个速度脉冲信号上升沿间的时间间隔较长，这使实际闸门时间变得很长，在该段时间内，计数器0可能会出现溢出情况。在该情况下，可用3种方法来解决计数：一是增加计数器0的位数；二是通过增加计数器来对溢出次数另行读数；三是一旦计数器溢出，便认为此时电机的转速约等于0。这里采用的方法是：在电机转速很慢的时候延时2秒种后再进行测量，而且计数器都采用16位宽度。

单片机ATMega16L的功能设计

ATMega16L单片机是ATMEL公司生产的高性能单片机，采用精简指令集，具有预取指令功能，指令可以在一个时钟周期内执行，处理速度快。在高速摄影电控系统中，ATMega16L单片机负责读取XC95288的电机测速值，处理控制内外信息的输入输出接口，并与上位控制计算机通过RS-485接口进行信息交互。

在软件编程时，利用ATMega16L单片机定时/计数器与系统时钟的预定比例分频器，可以获得很高分辨率的时间间隔控制精度，例如，单片机系统采用8MHz的晶振工作，采用8分频，则时间控制的间隔可以达到微秒，完全能够实现超高速摄影中要求的0.1微秒的控制精度。

这里给出一个ATMega16L单片机读取XC95288的电机测速值的C语言子程序。

结束语

根据以上电路设计的转镜式超高速摄影机电控系统，已在某系统超高速摄影机中得到应用，系统工作良好。

参考文献：

[1] 王杰等.Xinlinx FPGA/CPLD设计手册[M].北京：人民邮电出版社，2011：242

[2] 刘建清等.轻松玩转AVR单片机C语言[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011：90