维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷Ｖｏ１．２９ 第１期 ＮＯ．１ 计算机工程与设计 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ２００８年１月 Ｊａｎ．２００８ 基于Ｐ８９Ｃ６６８单片机的航空数码相机控制系统 杜云飞 ， 刘 波 ， 曹剑中 ， 张伯珩 ， 胡炳梁 ， 唐 壶 ， 王华伟 ， 鲁 梅 （１．中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安７１０１ｌ９；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９） 摘 要：以Ｐ８９Ｃ６６８单片机为核心，介绍了一种自主开发的航空数码相机的控制系统，合理利用单片机的固有资源，相互配 合完成了相机镜头控制：光圈控制、快门控制；数据异步通讯：开关命令的采集和拍摄状态信息的回传；Ｉ２Ｃ方式对ＣＣＤ驱动 单元配置等多项功能，并编写了相应的控制软件。控制系统模块设计清晰，工作稳定可靠，成功的以单片微型计算机实现了 航空相机多项控制功能的要求，为系统功能的进一步开发提供了充足的硬件资源和软件平台，是一个实用的航空数码相机 控制系统。 关键词：Ｐ８９Ｃ６６８单片机；航空数码相机；镜头控制；异步通讯；ＣＣＤ驱动单元配置 中图法分类号：ＴＰ３６８．１；ＴＭ３８３．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．７０２４（２００８）０１・０１２９・０２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐ８９Ｃ６６８ ＳＣＭ ＤＵ Ｙｕｎ—ｆｅｉ ’ ，ＬＩＵ Ｂｏ ，ＣＡＯ Ｊｉａｎ—ｚｈｏｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｂｏ—ｈｅｎｇ ，ＨＵ Ｂｉｎ—ｌｉａｎｇ ，ＴＡＮＧ Ｙａｏ ’ ， ＷＡＮＧ Ｈｕａ—ｗｅｉ ，ＬＵ Ｍｅｉ （１．Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ’ａｎ ７ １０ １ １９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐ８９Ｃ６６８ ＳＣＭ ＩＳ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ Ｐ８９Ｃ６６８ ＳＣＭ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｒｉｇｈｔｌｙ．Ｔｈｅ ｃａｍｅｒａ ｌｅｎｓ ｃｏｎｔｒｏｌ：ｌｉｇｈｔ ａｄｊｕｓｔ，ｓｈｕｔｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ：ｒｅｃｅｉｖｅ ｓｈｏｏｔ ｃｏｍｍａｎｄ ｎｄ ａｓｅｎｄ ｃａｍｅｒａ ｓｔａｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＣＣＤ ｄｒｉｖｅｒ ｃｅｌｌ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ．Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｃｌｅａｒｌｙ，ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ａｂｕｎｄａｎｃｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ａｎｄ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｖｉａｔｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐ８９Ｃ６６８ ＳＣＭ；ａｖｉａｔｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ；ｌｅｎｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ＣＣＤ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｏ引 言 航空相机是以飞机（包括无人机）为平台，对海上、陆地目 标进行照相以获取直接图像信息的重要设备，其在军事情报 领域和民用资源开发方面具有重要的意义。它是一种自动化 程度很高，工作要求稳定的光学、机械和电子技术结合的精密 （１）开机后（或根据串行指令），完成系统自检（包括光阑机 构自检、快门机构自检）； （２）采集背景光强度，根据标定结果，计算曝光参数（光圈 大小、曝光时间），完成自动调光控制； （３）接收飞控计算机的开拍指令等参数，完成曝光控制； （４）通过Ｉ Ｃ对ＣＣＤ驱动模块（ＳＡＡ８ｌ０３）进行参数配制。 分析以上控制要求和相机的结构特点，控制系统可分解 为通讯、镜头控制、ＣＣＤ驱动模块配置３部分。 通讯模块以中断方式响应外部通讯请求，在有新命令到 来时，启动一次拍摄任务。镜头模块的控制对象是光阑和幕 帘式快门，根据光阑反复开合的特点采用ＦＬ２０ＳＴＨ３０．０６０４Ａ 步进电机控制光阑位置，而快１＇３采用了ＭＡＸＯＮ微型直流电 动机完成幕帘的上弦，微型电磁铁完成释放动作。因此，应用 光学仪器［１－２］。根据实际控制的要求，本文介绍的数码相机是 一具有自动调光，单幅拍摄、连续拍摄，图像数据记录，实时传 输指定数据信息功能的照相设备。 ｌ控制策略 航空数码相机在飞行拍照过程中通过相机控制系统解析 拍摄指令，并计算相关的拍摄参数，控制相机工作状态和拍摄 过程。相机控制系统需要完成以下功能： 单片机通用Ｉ／Ｏ口就可实现镜头的控制功能 。考虑硬件接口 收稿日期：２００７－０１—２９ Ｅ・ｍａｉｌ：ｄｕｙｆ＿ｍａｉｌ＠１６３．ｃｏｍ 作者简介：杜云飞（１９７５一），女，硕士，工程师，研究方向为光电测控技术； 刘波（１９６８一），男，研究员，研究方向为光电跟踪测量技术：曹 剑中（１９６９一），男，研究员，研究方向为光电跟踪测量技术； 张伯珩（１９４６一），男，研究员，博士生导师，研究方向为空间光电技术； 胡炳 梁（１９７３一），男，副研究员，研究方向为空间光电技术； 唐圭（１９７５一），男，硕士，工程师，研究方向为图像压缩技术； 王华伟（１９８５一）， 男，硕士研究生，研究方向为ＣＣＤ驱动技术； 鲁梅（１９７１一），女，助理工程师，研究方向为光电测量设备结构设计。 一ｌ２９— 维普资讯 http://www.cqvip.com 实现Ｉ２Ｃ通信方式的诸多优点和器件ＳＡＡ８１０３的快速特性， 控制系统以硬件Ｉ２Ｃ方式实现对ＣＣＤ驱动模块的参数配置。 另外，为满足６０％拍摄重叠率要求，即最小的拍摄间隔不小于 ３ Ｓ，控制系统要尽量压缩调光和快门拍摄的过程控制。因此 电磁铁吸合一根可以转动的铁杆，吸合时铁杆的末端拨动释 放杆，完成释放动作。单片机控制端１２］以Ｉ／Ｏ １２］的工作方式提供 幕帘上弦（Ｐ１．５）及幕帘释放（Ｉ，３．５）和幕帘控￣Ｊ（ｅ３２）的控制信号。 ２．２ ＣＣＤ驱动模块的配置 在本系统中，控制芯片单片机Ｐ８９Ｃ６６８具有硬件Ｉ２Ｃ总线 接口。ＣＣＤ时序脉冲产生芯片ＳＡＡ８１０３通过设置ＳＩＳ信号为 在调整光圈的同时完成上弦和释放的准备工作。 基于以上控制特点，相机控制系统的控制芯片选用单片 机Ｐ８９Ｃ６６８ＨＦＡ，Ｐ８９Ｃ６６８ ＨＦＡ是一款高性能、低功耗的带片 内６４ＫＦＬＡＳＨ的微控制器，内部主要集成了字节方式的Ｉ２Ｃ总 线、ＵＡＲＴ通信接口、实时时钟、ＥＥＰＲＯＭ、ＩＳＰ，ＩＡＰ在线编程和 低时，就可以选择Ｉ２Ｃ来实现微控制器与ＳＡＡ８１０３之间的通 信连接 。具体电路如图３所示。 远程编程方式等一系列有特色的功能部件；其可用Ｉ／Ｏ口资源 为３２个 。有足够的硬件资源完成采光量的８位数字量采集， 光阑、快门机构的位置控制，对外的异步通讯控制和ＣＣＤ驱 动模块的配置。 ２控制系统的硬件设计 系统根据该单片机多Ｉ／Ｏ口的特点展开对镜头机构控制 并输出ＣＣＤ同步脉冲信号，同时应用该单片机的串行接口 （ＲＸＤ，ＴＸＤ）和飞控计算机进行通讯，Ｉ２Ｃ总线（ＳＣＬ，ＳＤＡ）对 ＣＣＤ驱动模块进行配置。图１是以Ｐ８９Ｃ６６８单片机为控制核 心的航空数码相机硬件结构图。 光阑机构 （步进电机） 快门机构 （直流电机＋电磁铁＋幕帘） 图３ Ｉ２Ｃ总线硬件连接 系统上电后，控制系统将包含芯片工作模式，时序波形等 信息的参数根据单元地址通过Ｉ２Ｃ总线传输给ＳＡＡ８１０３寄存 器的各个单元 ，然后ＳＡＡ８１０３再将这些参数解码并分配给内 部各个模块，各个模块根据配置参数开始工作并产生出相应 的时序脉冲和信号。 ２．３串口通讯 控制＿脉冲 ● 千 位置 反馈 上弦控制ｌ控制脉冲控制脉河 牵章 ｌ千 根据对外部接口任务的分解和通讯协议的要求，相机拍 照信息的获取和拍照状态的回传采用异步４２２串行通讯方式。 系统应用Ｐ８９Ｃ６６８现有的串行接口，采用ＭＡＸ４９０接口芯片， ：ＳＴＢ２ ｌ 安口 Ｐ８９Ｃ６６８ 曝娄 步ＣＣ．Ｄ， 光系统０每付Ｉ ｌ ｌ 将ＲＳ．４２２串行接口转换为ＲＳ．４８５总线接口形式” ，使相机控 制系统和图像存储输出单元作为终端设备挂接在总线上，通 过适当的控制时序，完成相机控制系统和图像存储输出单元 同时接收外部命令和数据，和对外应答命令的功能。串 口通讯接口电路如图４所示。 （测光元件＋测光单元 运放） Ｉ Ｉ Ｉ 图１控制系统硬件结构 ２．１镜头机构的控制 镜头机构中需要控制的部件包括光阑机构和快门机构。 根据航空摄影拍摄频率不高，光阑需要反复张大、缩小的特 点，系统设计采用一款混合式步进电机ＦＬ２０ＳＴＨ３０．０６０４Ａ对 光阑的位置进行控制。单片机的接口电路如图２所示，零位 信号由安装在光阑最小处的光耦产生。系统上电，光阑找零 位，读入单片机（Ｐ３．３），然后单片机在每次拍照前控制Ａ／Ｄ转 换模块对相机窗口测光值做Ａ／Ｄ变换，并读入单片机Ｐ０口， 进行查表得出当前光阑需要调整的步数和方向。 图４ 串口通讯接口电路 ３应用软件设计 由上述的航空数码相机的硬件结构和控制过程得知，系 统要完成一幅照片的正常拍摄需要通过主控单元Ｐ８９Ｃ６６８单 片机完成任务命令和拍摄参数的采集、拍摄过程的控制以及拍 为Ｃ＋ＡＳＭ，采用自顶向下的模块化、结构化设计方法。为降低 模块之间的耦合度，采用模块调用方式，而不直接访问模块内 爿 Ｕ。、 然使直韭 能零焦信位呈号信！号Ｅ 里Ｎ 零 Ａ ． Ｉ光驱二位动阑二 检模电测机块 一摄状态的监控。这一部分的程序控制软件研制使用编程语言 图２光阑控制接口电路 部有关信息；确保模块的参数个数与模块接收的输入变元个数 致以及参数属性和变元属性匹配，充分提高软件的可靠性 。 应用软件的工作过程是，上电后首先进行光圈、快门功能 自检，正常后，完成后通过Ｉ２Ｃ总线配置ＣＣＤ驱动单元，然后 进入循环的指令采集和拍照过程，期间新任务命令和拍照参 （下转第１４１页） 快门机构采用了纵走式幕帘快门，其中上弦机构采用三 连杆机构，以直流电动机转一圈完成上弦及回位动作，上弦到 位的地方放置一个微动开关，产生的信号一方面提供“已上 弦”信号，另一方面提供直流电机的停转信号；释放机构采用 一１３０一 维普资讯 http://www.cqvip.com 理论依据，因此这个问题还有待进一步研究。 参考文献： —ｕ，一 一 一日ｕ 一 ３ ２●Ｏ● —ｕ，一 一 一日ｕ 一 ２● Ｏ ０ ５００ １０００ Ｉ５Ｏ０ ２０００ ［１］ 诸静．智能预测控制及其应用［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，２００２： ６２．１４３． ［２］ 田景文，高美娟．人工神经网络算法研究及其应用［Ｍ］．北京：北 京理工大学出版社，２００６：１－３９． ０ ５Ｏ０ ｌ０００ Ｉ ５００ ２０００ ［３］ 易继锴，侯媛彬．智能控制技术［Ｍ］．北京：北京工业大学出版社， ２０００：９５．１３７． 图ｌ跟踪曲线 ［４］Ｐｕ Ｈａｎ，Ｐｅｎｇ Ｇｕｏ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＧＰＣ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｏｐｆｉｅｌｄ ｎｅｔ－ ｗｏｒｋ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｕｎｉｔ ｌｏａｄ ｓｙｓｔｅｍｉＣ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ Ｃｙｂｅｒ— ｎｅｔｉｃｓ，２００３：１ ２２６—１ ２３０． ［５］ Ｓｕｎ ＨａｉＲｏｎｇ，Ｌｉ Ｐｅｎｇ，Ｚｈｏｕ ＬｉＨｕｉ．Ａ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｐｒｅ— ｄｉｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ Ｃｙｂｅｒ— ｎｅｔｉｃｓ，２００４：２ １４５－２ １４９． ［６］ ＪｉｎＹａｏ Ｓｕｎｇ，Ｙｏｏｎ Ｈｏ Ｃｈｏｉ，Ｊｉｎ Ｂａｅ Ｐａｒｋ．Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ 图２广义误差曲线 ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｌｆ－ｒｅｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｌｅｔ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｓｔａｂｌｅ 选择无理论指导，对 （一１）和 （０）的初值较敏感。 ｐａｔｈ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ：Ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｒａｔｅｓ ａｐｐｒｏａｃｈ ４结束语 本文针对参数未知多变量非线性系统，提出一种ＲＢＦ直 接广义预测控制方法。本方法的主要优点是不需要事先知道 系统参数，为更好地解决含参数不确定性对象的广义预测控 ［Ｊ］＿ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉ：Ｒｅｇｕｌａｒ Ｐａｐｅｒｓ，２００６， ５３（６）：１３８１．１３９４． ［７］ 郭建，陈庆伟．一类非线性系统的自适应预测控制［Ｊ］．控制理论 与应用，２００２，１９（１）：６８－７０． ［８］ 师五喜．自适应模糊广义预测控制研究［Ｄ］．北京：北京航空航 天大学，２００３：４４．５３． ［９］ 周荔丹．广义预测控制算法及应用研究［Ｄ］．长沙：湖南大学， ２００２：４４．４７． 制问题提供了一种新方法，同时避免了实时控制算法中Ｄｉｏｐ— ｈａｎｔｉｎｅ方程的求解及矩阵求逆，因此实时性提高，利于实际应 用。但ＲＢＦ网络本身的中 Ｉｉ，和宽度的选取目前还没有明确的 （上接第１３０页） 数的采集是８０ｍｓ为周期，中断方式进入应用软件。图像数据 的压缩和存储由另一套单片机及配套电路合作完成。图５是 研制任务的设计要求，并且工作稳定、可靠，为航空数码相机 的进一步研制提供参考。 单片机工作程序框图。 上电 初始化 参考文献： ［１］ 徐景硕，高扬．航空相机环境控制系统的设计［Ｊ］．计算机自动测 量与控制，２００１，９（３）：２８．２９． ［２］ 胡炳梁，杜云飞．双步进电机控制系统在航空相机中的应用［Ｊ］． 微特电机，２００４，３ ｌ（７）：２９—３０． 旦 检＼ ［３］ 薛钧义，张彦斌．ＭＣＳ．５ １／９６系列单片微型计算机及应用［Ｍ］． 匝 固 检测ｌ 束Ｉ，－—ｌ一 西安：西安交通大学出版，２０００：５７．５８． ［４］Ｐ８９Ｃ６６０／６６２／６６４／６６８ ８０Ｃ５ ｌ ８ｂｉｔ ｆｌａｓｈ ｍｉｃｒｏｃｏｎ仃ｏｌｌｅｒ ｆａｍｉｌｙ ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｐｈｉｌｉｐｓ．ｃｏｍ，２００２． ［５］ＳＡＡ８１０３ ｐｕｌｓｅ ｐａＵｅｒｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｒｕｅ ｆｒａｍｅ ＣＣＤ［ＤＢ／ＯＬ］． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｐｈｉｌｉｐｓ．ｃｏｍ，２００ １． 图５控制系统工作流程 ４结束语 本系统成功的应用一台微控制器Ｐ８９Ｃ６６８完成了航空数 码相机的通讯、镜头控制、ＣＣＤ驱动模配置和ＣＣＤ同步脉冲 信号的控制等多项功能。目前样机已经试制成功，并且对外 拍摄取得了良好的摄影效果，实验证明该控制系统符合本次 ［６］ Ｉ２Ｃ ｇｕｉｆｎ［ａＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｑ）：／／ｗｗｗ．ｚｌｇｍｃｕ．ｃｏｍ，２０００． ［７］ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ，ｉｓｏｌａｔｅｄ ＲＳ一４８５／ＲＳ一４２２ ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ ｍａｘｉｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｒｏｄｕｃ￣［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｍａｘｉｍ．ｃｏｍ，２００１． ［８］ 马忠梅，籍顺心，张凯，等．单片机的ｃ语言应用程序设计【 １．北 京：ＪＬ京航空航天大学出版社，２００１：１２３—１２６． 一１４１—
