基于MSP430的小型望远镜防抖系统设计

只看该作者 · 2012-5-5 11:25

1 引言

　　防抖系统正日益广泛地应用于照相机和望远镜等光学设备中。防抖主要分为光学防抖和电子防抖，光学防抖通过光学器件进行影响稳定；电子防抖采用软件的方法，针对数字图像设计基于图像处理的影像稳定算法[1]。对于望远镜来说，在放大视角的同时，也会将手的抖动造成的影像晃动放大，在高倍望远镜中尤其明显。天文望远镜、军用望远镜等高倍望远镜在使用时通常需要配合三脚架，而大多数的手持望远镜在没有影像稳定措施的情况下观察效果受到扰动。如果观察者站在车、船、飞机上时，晃动的影响更加严重，即使把望远镜装到三角架上，也不能消除晃动的影响。因此，开发适合望远镜使用的影像稳定系统已经成为一项迫切的任务，防抖动望远镜将会具有很大的市场前景。
　　影像稳定属于跟踪控制问题。文献 [2]设计了一种采用形状可变的流体棱镜进行抖动补偿的方法。本文设计了以 MSP430单片机为核心的防抖控制系统，给出了系统硬件设计电路，使用 C430语言进行软件调试，以实现对望远镜防抖系统的有效控制。
2 系统硬件设计
　　望远镜防抖系统原理如图 1所示，其原理是：在望远镜光路中加入一组可动镜片，称为补偿镜片。补偿镜片在自身所在平面内做上下左右两个自由度的运动，来纠正因手在俯仰和偏航方向的抖动所引起的光线偏转，使光线仍然按照期望的轨迹到达目镜，从而达到稳定影像的目的。

　　该系统硬件主要有以下几部分组成：感知望远镜抖动的陀螺仪 CG-L53B；镜片伺服直线电机的集成功率放大器 TCA0372；MCU采用 MSP430F169芯片；做电源稳压的 MAX8863芯片.
2.1 MSP430F169单片机
　　MSP430 是 TI公司的一种具有超低功耗的功能强大的 16位单片机， MSP430F169是该系列中的一种型号，具有 FLASH存储器。这款单片机的程序代码为 60KB+256B的 FLASH,2KB的 RAM，且具有强大的中断功能。 MSP430系列单片机能在 8MHz晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期； 16位的数据宽度、 125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合。数字控制的振荡器 DCO允许在 6微秒内从低功耗模式唤醒。该芯片配置了带有 3个捕获/ 比较寄存器的 16位定时器 A和定时器 B、12位快速 A/D转换器（带有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性）、双 12位 D/A转换器两个通用同步 /异步串行通讯接口 USART、DMA。除此之外，该单片机还具有超低功耗的优点，运行在 1MHz时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为 0.1～280µA[3]。
　　由于 MSP430F169具有以上的特点，可以承担本系统电路中的多种工作，使整体电路得到简化。
　　2.2 陀螺仪电路设计
基于MSP430的小型望远镜防抖系统设计

　　由于在输出电压Vref和Vout之间存在着残余载波噪音，连接了一个低通滤波器来消除高次谐波成分；为了消除输出电压在静止状态时由于温度变化等因素的影响而产生的波动，连接了一个普通高通滤波器；在地与Vref之间用4.7uF电容连接来稳定Vref输出。
　　2.3 电机驱动功放电路设计
　　对于电机驱动功放电路采用线性电路方式，如图 3所示。线性功放电路的特点是线性度好，失真小，频带宽，不会产生噪声和电磁干扰，在照相机等小型设备的电机驱动中应用广泛。其最大缺点是效率低，在功率较大时，晶体管功耗大，发热严重，但在小功率电机等设备的控制中，使用线性功放电路比较方便，尽管效率不高，但在小功率驱动中并不会损失太多功率[4]。

　3 软件设计
　　为了节省内存空间，便于编制、阅读、扩充和修改程序，软件采用了模块化结构,每个功能模块又由相应的子程序组成，实现特定功能。程序流程图如图 4所示，其中，初始化模块实现对程序中所用到的寄存器、常量、变量的定义，对系统时钟、 ADC、DAC、定时器和看门狗等模块的初始化，并设置中断，还要初始化控制变量和一些标志值.
初始化结束后，程序进入循环等待状态，并开始计时，在断电定时结束前，由通用定时器设定采样周期，向主程序的采样标志赋值，启动控制算法。
　　本系统使用了两个定时器：通用定时器和看门狗定时器。通用定时器用于系统采样和控制时，看门狗定时器给定一个时限，当系统运行到达这个时间后， MSP430向电源模块给出断电信号，达到省电的目的。　
基于MSP430的小型望远镜防抖系统设计

　　控制算法是在中断服务程序中执行的。看门狗定时器工作在定时器模式，定时周期就是数字控制的采样周期，每个周期定时产生中断，中断服务程序的内容包括信号的 A/D转换与滤波、计算控制量并输出 PWM波形。中断服务程序的执行速度要足够快，在一个周期内完成规定的任务，在程序设计上要进行优化。
有些情况下，观察者需要人为地使望远镜转动一个比较小的角度，为防止这个转动被误认为是抖动，在读取角速度的值后会进行判断，根据实验结果，通常人为移动的速度比较大，并且在移动时间内角速度值几乎相等，可以明显区别于抖动。
　　4 实物调试
　　在实验的时候用陀螺产生的不规则信号作为参考位置信号，调试的结果如图 5所示。可以看到，对于最高频率在 10Hz以下的不规则信号，系统的跟踪效果也比较满意。　
基于MSP430的小型望远镜防抖系统设计
　　5 结论
　　本文设计了以 MSP430F169单片机为核心的望远镜防抖系统，采用跟踪参考信号的位置伺服控制方法，具有系统简单，稳定性好，功耗低等优点，并且能够达到满意的跟踪精度，为进一步研制防抖望远镜提供了参考.