基于LPC1768的航空数码相机控制系统设计

陈亚芝，李美满，周 东，张金良

0 引言

信息时代，信息是非常重要的资源，怎样获取信息是至关重要的一步，航空相机拍摄是获取地物信息的一种重要手段。航空相机以飞机包括无人机为平台，对陆地、海洋上空进行拍照以直接获取重要图像信息，在民用资源开发及军事情报领域具有重要的作用。它是一种工作要求稳定的机械、光学及电子信息技术结合度高的自动化设备[1-2]。随着无人机及航空遥感技术的成熟，航空遥感及相关航空相机拍摄已逐渐成为一个热点研究领域。

1 系统控制方式

航空数码相机在进行拍摄时需要完成一系列的控制动作，包括：

（1）系统自检，完成上电后LPC1768自身RAM、ROM，光阑及快门自检；

（2）镜头自动调光，采集当前背景光度，计算所需光圈大小及曝光时间，完成镜头相应调光控制；

（3）以IIC通信模式，完成CCD模块（SAA8103）参数配置。

整个系统中，光阑的位置控制由FL20STH30-0604A步进电机完成。快门幕帘的上限由MAXON微型直流电机控制。选用微型电磁铁完成快门释放动作。考虑到系统需要完成电机控制、IIC通信模式对CCD驱动模块进行参数配置以及航空拍摄需满足60%重叠率要求[3-4]，本文航拍数码相机控制系统的主控芯片选用NXP的LPC1768单片机，该芯片是基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，可用于高度集成及低功耗的嵌入式需求的应用场合。LPC1768集成了512 k的flash存储器、64 k的数据存储器、电机控制PWM接口、IIC接口、6输出独立PWM、8通道12位AD采样接口、异步通信接口UART等丰富的外设资源，足以满足系统对光源强度采样；快门、光阑控制；异步通讯和CCD模块参数配置的需求。

2 航空数码相机控制系统硬件设计

2.1 系统硬件架构设计

本文所设计的航空数码相机控制系统硬件架构框图如图1所示。CCD模块参数配置通过IIC总线对与SAA8108模块配置来完成[5]，光阑与幕布分别由步进电机及微型直流电机控制，其反馈的位置信号由单片机读取，用以检测角度初始位置。快门控制通过控制微型磁铁来完成。由于LPC1768最好的工作电压在3.3 V左右，因此，硬件系统中需设计由5 V到3.3 V的稳压电源

图1 航空数码相机控制系统硬件架构

2.2 CCD驱动模块电路设计

LPC1768有专用的IIC外设接口，电路设计时将CCD时序脉冲产生芯片SAA8103 SIS管脚置为低电平，使其通信模式配置为IIC模式，方便与LPC1768进行通讯。这种实现IIC总线方式不但可以占用较少的CPU资源，而且通讯更加稳定，不易受环境干扰。

硬件连接方式比较简单，LPC1768专用IIC接口P0.27、P0.28配置为开漏输出的SDA0与SCL0，+3.3V电源与总线之前需配置上拉电阻，具体硬件设计如图2所示。

图2 IIC总线通讯硬件连接

系统上电自检完毕后，通过IIC总线将SAA8103预选设定的工作模式、波形时序等数据信息传给其具体寄存器的各单元，由其解码数据并分配相应模块完成时序脉冲信号。

2.3 镜头机构控制实现电路

航空数码相机镜头机构主要的部件就是快门机构及光阑机构[3，6]，由于航空数码拍摄时的频率与光阑张开角度大小有关，因此本系统选用FL20STH300604A型步进电机对光阑的位置角度进行有效控制，镜头机构控制电路如图3所示。

图3 镜头机构控制电路

图3 中的“测光”是每次航拍前，都需要对相机窗口测光[7]，测取的光源模拟信号通过运放输入到LPC1768专用AD采样口P0.23进行数据采样，依据采集到的光度信号查表控制步进电机的步数及旋转方向，以此控制光阑。“零位置检测”信号由光阑角度最小处时的位置反馈信号，由LPC1768的P0.19读入。

本系统选用的快门机构为纵走式幕帘快门，其三连杆式的上弦机构的上弦与回位动作由直流电机完成，上弦到预设的位置会触动该位置的微动开关从而产生已上弦的信号，该信号促使LPC1768停止对直流电机的驱动；快门机构中的释放机构通过控制电磁铁吸合铁杆拨动释放杆的方式完成快门释放动作。LPC1768配置P0.10、P0.11、P0.12为输出口，分别用于幕帘上弦、幕帘释放及幕帘控制。

3 软件实现

航空数码相机控制系统软件在LPC1768中需要实时处理，控制软件的各功能，包括任务命令接受、拍摄数据模拟采集、拍摄状态监控、拍摄动态控制等都需要满足实时性的要求。软件设计时尽可能合理安排各功能模块，提高软件的执行效率，降低MCU的负载率。本系统控制软件按模块化进行设计，能有效提高编程效率。

控制系统的软件流程框图如图4所示，其中，初始化部分为LPC1768内部时钟、寄存器、I/O口、程序变量参数、SAA8103模式初始化的配置。自检部分是单片自身RAM、ROM、镜头机构、快门机构自检，一旦检测故障，系统停止工作。传感器零漂检测部分的设定是运放电路存在零点漂移现象，本系统上电后，对无光源状态信号连续测量500次，再求平均值得出零位偏移量。控制系统在实际航拍中，对光源的采集量都要减去该零位偏移量以获取实际值。控制程序中断方式通过定时器溢出信号触发芯片AD转换器，完成AD转换后触发中断的模式完成，定时器定时周期为100 ms，进而AD采样周期也为100 ms。在中断循环程序中，主要完成指令采集和拍照动作，而所拍摄图像数据处理由另一套单片机控制系统配合完成。

图4 控制系统程序流程图

4 结语

本文基于LPC1768单片机设计了一套航空数码相机控制系统，实现航空数码相机通讯、CCD驱动模块SAA8103配置、镜头控制、快门控制等功能。目前所在实验室已成功完成对样机的试制，通过室外航拍实验效果证明，所设计的航空数码相机控制系统运行可靠、工作稳定，能够较好地完成研发任务的需求。

参考文献：

［1］何欣年.航空数码相机的发展与应用［J］.遥感技术与应用，2000（15）：124-129.

［2］阳范青，曹剑中，刘波，等.基于SAA8103的CCD驱动系统［J］.航空计算技术，2005（02）：108-111.

［3］杜云飞，刘波.基于P89C668单片机的航空数码相机控制系统［J］.计算机工程与设计，2008（01）：129-130.

［4］刘光林，杨世洪，吴钦章，等.高分辨率全帧CCD相机电路系统的设计［J］.中国科学院研究生院学报，2007（03）：320-324.

［5］ SAA8103 Pulse Pattern Generator for Frame Transfer CCD Data Sheet［Z］.Philps Semiconductors，2001.

［6］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（03）：28-29.

［7］王庆有，孙学珠.CCD应用技术［M］.天津：天津大学出版社，1993.