一种无需同步的闪光测光系统的设计与实现

王建，丁亚茹，陈英革

（常熟理工学院a.计算机科学与工程学院；b.电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500）

一种无需同步的闪光测光系统的设计与实现

王建a，丁亚茹a，陈英革b

（常熟理工学院a.计算机科学与工程学院；b.电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500）

运用增强型51系列单片机STC12C5A60S2内部集成的A/D转换器的高速采集功能，结合ICL7650自稳零斩波集成运放，设计了一种硬件结构简单、性能较好的无需同步即可进行闪光测光的测光系统.给出了系统的软、硬件框架及部分关键代码，并对系统进行了实际评估测试，取得了较好的测光效果.

闪光测光；无需同步；单片机

测光系统是专业摄影人员及摄影爱好者们必备的辅助设备，而闪光测光功能是高端测光表不可缺少的重要功能之一.但目前几乎所有的高端测光系统在进行闪光测光时都需要一个不可缺少的程序——同步，即使用一根同步线（或使用无线设备来代替）连接闪光灯与测光系统.由测光系统给出触发信号来触发闪光灯闪光，并同时启动测光工作.这主要是由于闪光灯的闪光持续时间很短暂（约1毫秒），从而导致在不进行同步的情况下几乎不可能使用传统的方法来准确地测出闪光时的瞬间亮度信息.因此，同步工作便成了一项繁琐但又不能省略的事情，这无疑给使用者带来了许多不便.

本文以增强型51系列单片机STC12C5A60S2内部集成的高速A/D为基础［1-3］，结合ICL7650自稳零斩波集成运放，以硅光电池BPW34为光电传感器，对外部光亮信息进行高速采集，并实时分析采集到的数据信息，用适当的算法检测出整个闪光过程，从而在无需同步的情况下完成闪光测光工作.

1 理论基础及实现方法

1.1 理论基础

由于闪光过程中，光强会有从正常水平突增至最大然后缓慢回归至正常水平这一过程，如图1所示.本系统利用STC12C5A60S2集成的高速A/D，采用高速多次采集的办法，通过光亮度的突变检测到闪光的开始与结束.

图1中，t为时间轴，L轴表示相对光亮度，Lmax表示峰值光亮度，Laver表示有效光亮度，str表示闪光开始时刻点，stp表示闪光结束时刻点.

1.2 具体实现方法

由于实际闪光灯的闪光时间是很短的，整个闪光过程约持续1毫秒到2毫秒左右.所以需要极高的采集速率来抓取整个闪光过程.本系统中，单片机采用中断方式对光源每15 us左右采集一次数据，并将采集到的数据保存到内存中的长度为200的循环队列中.在这一过程中实时扫描队列中的数据，根据数据的波动特征，找到适当的跳变阈值，当相邻两个采集点数值的跳变值大于阈值时便可确定闪光过程的起始点（图1中的str）；当采集点的数据恢复到接近正常值时，便可确定闪光过程的结束点（图1中的stp）.由于各采集点为等时间间距点，所以可计算出开始点和结束点中间的所有采集点的算术平均值及这一过程的等效值（图1中的Laver）.由此便可得出闪光过程的等效光亮度.由这一等效光亮度做参考，经计算后给出合适的曝光组合.另外，分析整个闪光过程的数据，还可以得到如闪光持续时间、峰值等其它信息.

图1 闪光光强—时间图

2 系统设计

2.1 硬件框架

图2中BPW34为常用硅光电池，在其线性区内，其短路电流与外部光照度成线性关系.ICL7650为自稳零斩集成运放，是一种高精度，低漂移，高输入阻抗的集成运放.它利用动态校零原理，清除COMS器件固有的失调和漂移，对微弱信号来讲是个较理想的放大器. STC12C5A60S2为宏晶科技生产的增强型高速51系列单片机，内部集成10位高速A/D，最高转换速度可达250kHZ.人机界面为常用液晶显示器+按键.电源模块为普通5 V电源.

2.2 系统关键部分硬件原理图

如图3所示，集成运放ICL7650与硅光电池BPW34组成电流—电压转换器，将BPW34输出的微安级电流信号转换成单片机可直接测量的0-5V电压信号.通过改变R1阻值可改变放大倍数.由于闪光过程中光强很大，经实际测试，R1采用2K左右为宜.在其他测光情况下，应适当增大R1阻值.

2.3 系统软件框架

图2 系统硬件框架图

图3 光强采集及放大部分原理图

由于篇幅有限，本文的重点在于自动检测式闪光测光实现的核心技术，即只注重如何抓取到一次完整的闪光过程中的数据信息.诸如如何将采集到的数据具体量化到标准化单位，以及如何把抓取到的数据作进一步处理，给出具有实际用处的信息等问题，这里暂不作探讨.所以，本篇给出的数据只是直接采集到的原始数据，仅是相对数据（10位ADC产生的数据，范围0-1024），并不是标准化单位的数据.如需得到标准化单位的数据，如以勒克斯为单位的光强数值，只需对照标准化照度计按比例量化即可.

2.4 系统核心代码

图4 系统软件关键部分流程图

3 系统测试评估

为方便测试，本系统将采集到的闪光过程中的数据信息通过串口发送到上位机，然后导入Excel中，使用Excel来辅助分析测试.下面主要进行两种常用的闪光测光测试，即入射式闪光测光和反射式闪光测光.测试时使用的闪光灯为摄影常用闪光灯银燕CY-20型号闪光灯，测试环境为白天室内.

3.1 入射式闪光测光测试

测试方法：首先开启本测光系统，使其在检测闪光状态.然后将闪光灯在距离本系统感光传感器约1米的地方正对感光传感器，按下闪光灯的测试键触发闪光，本系统便可检测并记录下完整的闪光过程，并将采集到的数据通过串口发送到上位机.图5为本系统抓取到的入射式闪光测光时的数据图.

3.2 反射式闪光测光测试

测试方法：首先开启本测光系统，使其在检测闪光状态，并将其感光传感器正对天花板，距离天花板约3米，然后将闪光灯正对天花板，距离天花板约3米，按下闪光灯的测试键触发其闪光，本系统便可检测并记录下完整的闪光过程，并将采集到的数据通过串口发送到上位机.图6为本系统抓取到的反射式闪光测光时的数据图.

3.3 测试小结

图5和图6两幅图是间隔15 us左右采集一次数据得到的图.从图中可以看出，无论是入射式还是反射式闪光测光，当闪光开始时的瞬间，数据的突变都是很大的.所以本系统以此作为检测闪光开始的关键不但是可行的，而且是十分简单的.另外，由于每两次采集点的时间间隔很小，只有约15 us，在这样小的时间段内，只有像闪光灯这类靠高压放电产生的光亮才可能突变这样大.所以，这种检测方式的抗干扰能力也是很强的.经过实际测试，像用不透明物遮住系统感光传感器后突然移开，或是系统在很暗处突然开灯这些情况，由于光亮突变都不够快，都不会使本系统产生误判.

图5 入射式闪光测光

图6 反射式闪光测光

4 总结

为解决传统闪光测光系统在进行闪光测光时都必需同步的问题，本文利用增强型51单片机集成的高速A/D，通过实时分析光强动态数据信息，根据数据突变检测出闪光过程，完成了无需同步的闪光测光系统的关键技术工作，并通过实际测试验证了其可行性.

[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机器件手册[EB/OL].http://www.STCMCU.com.

[2]赵建领.51系列单片机开发宝典[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]郑步生，吴渭.Multisim2001电路设计及仿真入门应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

Design and Implementation of a Kind of Flash Metering System without Synchronous

WANG Jiana,DING Ya-rua,CHEN Ying-geb
(a.School of Computer Science and Engineering, b.School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

With enhanced 51 series integrated SCM STC12C5A60S2 internal A/D converter high-speed acquisition function and ICL7650 self-stabilized zero chopper integrated amplifier circuit,this paper designs a kind of flash metering system without synchronous.System hardware and software framework and key code examples are offered and the actual test is evaluated,which attains better test effects.

flash metering;without synchronous;MCU

TH741

A

1008-2794（2012）04-0095-05

2012-03-31

江苏省产学研联合前瞻性项目“海洋浮标广域通讯网络关键技术研究”（BY2010126）；江苏省自然科学基金“随机有限集在白细胞运动分析中的应用研究”（BK2010261）

王建（1990—），男，江苏徐州人，常熟理工学院计算机科学与工程学院2009级网络班学生.

陈英革（1968—），男，浙江苍南人，副教授，研究方向：工业自动化应用、计算机体系结构，E-mail:yingge_chen@cslg. edu.cn.