基于DSP的光电成像跟踪系统研究论文.doc

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1、基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 1 计算机新技术讲座计算机新技术讲座 基于基于 DSPDSP 的光电成像跟踪系统研究的光电成像跟踪系统研究 STUDYSTUDY ONON OPTOELECTRONICOPTOELECTRONIC IMAGINGIMAGING ANDAND TRACKINGTRACKING SYSTEMSYSTEM BASEDBASED ONON DSPDSP 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 2 摘摘 要要 3 第一章第一章 绪绪 论论 4 1.1 课题研究背景4 1.2 课题研究目的4 1.3 论文主要研究内容4 第二章第二章 光电成像跟踪系统总体设计方案光电成像

2、跟踪系统总体设计方案 5 2.1 光电成像跟踪系统工作原理5 2.2 光电成像跟踪系统组成5 2.3 光电成像跟踪系统总体设计方案6 2.4 PC 机与 DSP 的通信设计.7 2.5 转台的控制方案设计8 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 9 3.1 DSP 选型及 TMS320LF2407 简介.9 3.2 基于 DSP 的转台控制系统功能分析 10 3.3 步进电机及其工作原理11 3.4 光电隔离模块.12 第四章第四章 系统的软件设计与实现系统的软件设计与实现 13 4.1 主程序设计13 4.2 系统初始化设置13 4.3.串行通讯子程序14 4.4 脉冲输出子程序15 4.

3、5 转台自适应变速控制算法17 4.6 光电编码器测角信号处理子程序18 4.7 上位机（PC 机）人机界面设计 18 第五章第五章 实验结果及控制系统的改进意见实验结果及控制系统的改进意见 19 5.1 仿真开发环境CCS 19 5.2 DSP 硬件仿真器20 5.3 实验系统介绍21 5.4 实验结果分析21 5.5 总结与展望23 参参 考考 文文 献献 24 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 3 摘 要 本论文旨在研制一套光电成像跟踪系统，该系统能在实验室条件下实现对动目标的实时跟踪， 为理解光电成像跟踪系统的构成和实际应用提供实验平台和原理演示平台。 本文阐述了光电成像跟踪系统原

4、理与组成，论述了光电成像跟踪系统的设计和实现。 针对跟 踪系统设备和系统指标要求，确定了跟踪控制系统结构：控制系统由上位机和下位机两级控制系 统组成，上位 PC 机对 CCD 相机采集的图像进行光电图像处理并提供人机界面，下位机采用基于 DSP 芯片的实验系统实现二维转台的实时控制，二者之间通过 RS232 通信协议进行命令和数据的 通讯。结合转台驱动元件步进电机的矩频特性，对转台采用自适应控制策略，使二维转台的 水平速度和垂直速度动态地改变，使得转台实时的跟踪目标，实现了高精度跟踪控制。 关键词：光电成像跟踪关键词：光电成像跟踪 DSPDSP 自适应控制自适应控制 变速控制变速控制 串行通信

5、串行通信 步进电机步进电机 ABSTRACT This thesis aims at developing an photoelectric imaging and tracking system. This system can achieve real-time tracking to moving object in laboratory. Finally a experiment platform and principle demo platform can be provided for the reserach of the structure and practical app

6、lication of optoelectronic imaging and tracking system. The theory and technique of engineering application is expounded in this paper.The designer and implementer of optoelectronic imaging and tracking system is discussed in this paper. In accordance with the researching tracking equipments and req

7、uirement of system index, the tracking control structure is confirmed: the master-slave control structure. The master-slave control structure based PC and DSP experiment system. The PC accomplish the processing of optoelectronic image collected by CCD camera and implement the human-computer interfac

8、e. The real time control of two- dimensional numerical turntable is achieved by DSP experiment system. The communication of command and data between PC and DSP experiment system is accomplished through RS232 communication protocol. According to pulse-torque characteristics of stepper motor of two-di

9、mensional numerical turntable, the adaptive control algorithm is adopted which can achieve high precision tracking control through dynamic changes of the velocity of horizontal axis and the velocity of elevation axis of the two-dimensional numerical turntable. KeyKey words:words: optoelectronicoptoe

10、lectronic imagingimaging andand trackingtracking DSPDSP adaptiveadaptive controlcontrol variablevariable speedspeed controlcontrol serialserial communicationcommunication stepperstepper motormotor 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 4 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题研究背景课题研究背景 光电成像技术是适应信息社会的需要而迅速发展的一门新技术分支学科。这一先进的技术为 人类有效地扩展了自身的

11、视觉能力。利用光电成像技术，可在全黑的夜空不用照明能像白天一样 看清周围景物；可利用景物本身在常温下的辐射能获得可见的图像信息；可通过视频信号的转换 来完成图像的传输、存贮以及处理等功能。由于光电成像技术首先在军事领域中得到了应用，因 此这一技术已成为国防科技中至关重要的专业技术。 随着光电编码技术、电视摄像技术、热成像技术、红外技术、数字图像处理技术的不断进步， 光电成像跟踪技术自二十世纪六十年代以来, 得到了极大的发展, 在导弹制导、火炮控制、天 文观测（空间飞行体和星体跟踪）、靶场测量、武器控制、航天航空等领域有着极其广泛的应用 1。此外，光电成像跟踪技术在工业及科学研究中也有很多用途，

12、如印刷包装中目标定位，工业 检测、安防监控等。 1.2 课题研究目的课题研究目的 本课题来源于实验室学科建设项目，旨在研制一套光电成像跟踪系统， 该系统能在实验室条 件下实现对动目标的实时跟踪。该系统的设计主要是为了研究光电成像跟踪装置如何能快速、准 确的跟踪目标，并且为各种跟踪算法提供知识积累以及为理论的实践提供实验平台 。 1.3 论文主要论文主要研究内容研究内容 本文的主要工作如下： （1）本文采用 DSP 实验系统、PC 机、CCD 摄像头、图像采集卡、二维精密电控旋转台、两相 混合式步进电机驱动器 MA335B、绝对式光电编码器、RS232 无源转换器、光电耦合器等硬件，构 建基于

13、DSP 的光电成像跟踪系统的试验平台。在构建的硬件平台上进行系统软件程序开发与调试。 （2）本文光电成像跟踪系统采用上位 PC 机和基于 DSP 的下位机两级式系统【4】。上位 PC 机 主要完成图像采集、处理和管理功能，为操作者提供良好的人机接口，采用基于 DSP 的下位机完 成转台实时控制功能，上下位机之间通过并行接口或串行接口进行通信。 （3）在实验室现有 CCD 摄像机和图像采集卡的基础上，视频图像采集与处理由上位 PC 机进 行，针对本系统所采集图像的特点，在环境条件改变较小的情况下(如室内)，可以采用简单的当 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 5 前图像与背景图像相减或连续的帧

14、间相减的方法来检测出被跟踪目标。上位 PC 机除完成对 CCD 采 集的视频图像的存储、处理外，还要完成和下位机 DSP 的实时通信和系统状态监测等。 （4）结合 DSP 的 C 语言开发环境特点，采用 C 语言和汇编语言混合编程的方法完成对二维转 台的实时控制，使得整个系统调试相当方便。对转台的控制过程中，根据自适应控制原理，采取 变速控制方案，大大提高了转台实时跟踪的快速性和稳定性。 第二章第二章 光电成像跟踪系统总体设计方案光电成像跟踪系统总体设计方案 实时光电成像跟踪系统的主要任务是从目标的图像序列中检测运动信息，估计运动及参数并 给出伺服机构控制算法，从而使光电成像跟踪系统准确跟踪目

15、标或目标特征的运动轨迹。 2.1 光电成像跟踪系统工作原理光电成像跟踪系统工作原理 光电成像跟踪系统通常是由探测系统及伺服机构联合组成的。探测系统提供测量信息，伺服 机构完成对目标的跟踪，如图 2.1 所示： 探测系统 伺 服 机 构 探测器 图像采集、 处理设备 运动控制设备承载转台 监视器 图 2.1 光电成像跟踪系统架构 探测器安装在承载转台上，探测器输出的电视制式的信号(含有图像和同步、行场消隐信号) 一路送到监视器上进行实时监视，另一路经过视频预处理，A/D 变换后送入图像处理单元进行图 像处理，图像处理单元首先形成一个检测(波门)窗口，然后在窗口中检测、识别、提取出目标图 像信号，

16、进行目标跟踪处理，确定出目标在当前帧观测图像中的精确坐标，送至承载转台控制模 块，经过控制模块的转换计算得到目标相对于探测器瞄准线的偏差量，控制模块根据偏差量输出 相应控制信号使承载转台转动，带动转台上的探测器转动，使目标始终处于探测器视场中心。 2.2 光电成像跟踪系统组成光电成像跟踪系统组成 作为一个自成体系的测量跟踪系统，光电成像跟踪系统应能探测并跟踪近距离运动目标（如： 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 6 低空或超低空飞行的无人侦察机、巡航导弹、高速战斗机、武装直升机等） ，提供有效的作战信息 目标方位角度、目标俯仰角度和目标斜径(距离)等，此外还要提供当前角跟踪误差，目标方 位

17、、俯仰角速度等辅助信息以提高实时跟踪精度。 对光电成像跟踪系统的功能要求，决定了系统的构成。典型光电成像跟踪系统主要由以下几 个设备组成，每个设备有若干单元，见图 2.2： 图 2.2 光电成像跟踪系统组成框图 2.3 光电成像跟踪系统总体设计方案光电成像跟踪系统总体设计方案 基于 DSP 的光电成像跟踪系统选用上位 PC 机加基于 DSP 的控制系统的两级控制模式，上位 机除了负责系统的光电图像处理之外，还要完成系统的综合管理、人机交换和 DSP 的通信等。 本系统采用 CCD 光电探测器作为光电成像元件，CCD 摄像头安装在二维跟踪转台上，CCD 摄 像头输出的电视制式的图像信号传给计算机

18、（PC 机） ，由 PC 机图像处理单元完成图像预处理、目 标检测，提取出被跟踪目标，确定出目标在当前帧观测图像中的精确坐标，经过串行口下传给下 位机 DSP 控制系统，DSP 控制系统计算得到目标相对于摄像头瞄准线的偏差量，输出控制信号控 制转台步进电机转动以带动转台上的 CCD 摄像头转动，使目标始终处于视场中心。光电成像跟踪 系统总体结构方案如图 2.3 所示： 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 7 图 2.3 光电成像跟踪系统总体结构框图 PC 机图像处理单元在光电成像跟踪系统中主要实现图像数据采集、存储与实时处理，主要 完成以下任务： （a）采集、存储光电图像，并进行校正； （b

19、）实现光电目标的实时检测； （c）输出目标与探测器光轴的偏差； （d）实时录取侦察过程的视频录像，采集重要的光电图像； （e）完成系统故障自检。 上位机采用可视化语言（如 VB、VC+）容易建立良好的人机界面，便于用户实现向下位机 发送自检信息，并在检测到故障时进行故障处理，设置转台的工作状态和工作参数，向下位机发 送命令，接收下位机送回的信息，对出现的异常情况进行报警，以及数据的采集与处理等工作； 基于 DSP 处理器的下位机是二维转台的实时控制系统，它接受上位机传送过来的指令和数据并对 转台电机的驱动电源进行具体的控制，实现复杂的运动控制算法，比如变速控制、插补（用于两 轴或多轴转台步进电

20、机控制）等【11】，此外下位机还要根据上位机的命令完成对转台各种运动状 态的实时控制，主要实现对转台测角系统（如：光电编码器、旋转变压器、感应同步器等）的实 时监控和测角数据的读取、处理以及转台数据的及时回传等工作【10】。 2.4 PC 机与机与 DSP 的通信设计的通信设计 上位 PC 机与下位机 DSP 控制系统之间的数据传递是整个系统中很重要的环节，根据控制要求 的不同可以采用不同的总线连接方式： （1）ISA 总线。早期电机控制与 PC 机的结合是通过 ISA 总线实现的。ISA 总线是一种 8 位或 16 位非同步数据总线，工作频率为 8MHz，数据传输率在 8 位时为 1MB/S

21、，16 位时为 2MB/S。但是 ISA 总线的响应速度较慢，并且在多任务的操作环境下占用太多的系统资源，这成为限制 ISA 总 线发展的瓶颈。 （2）PCI 总线。PCI 总线是一种同步的独立于 CPU 的 32 位或 64 位局部总线，最高工作频率 33MHZ，数据传输率为 132MB/S。并且 PCI 总线上的外围设备可与 CPU 并发工作，提高了系统的整 体性，但是其协议规范较为复杂。 （3）USB 总线。USB 总线支持即插即用，可扩充至 127 个外部设备，因此可以实现多台电机同 时的多自由度的复杂运动，12MBPS 的高速传送速度，已能满足大部分外围设备的传输使用(在 USB2.

22、0 规范中的高速模式已能达到 480M/S)。 （4）串行总线。最常用的 PC 机外围扩展接口，规范协议较为简单，但是由于是串行通信，收 发数据各自只通过一条线完成，其传输速率较低，适用于对传输速率要求不是很高的系统中。 根据不同的系统要求，可以选用不同的总线扩展下位机控制系统，以达到实时控制的目的。 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 8 在选择采用什么总线进行通讯时，首先要考虑的是可靠性，其次是传输速度和开发周期。ISA 总 线传输速率慢，并且开发周期也比较长，现在已经基本上被 PCI 总线所取代了。PCI 总线可靠性 高、传输速度快，但是其开发周期长，它的总线规范也相当复杂，不适合在短

23、期开发里采用。剩 下的 USB 总线和 RS-232 串行总线，USB 总线的传输速率在 2.0 规范中可以和 PCI 总线相比，其开 发周期也相对较短；RS-232 串行总线的传输速率较低，但是它的开发是最容易的。所以现在考虑 当适当提高 RS-232 串行总线的传输速度时，能否满足电机连续运行的要求，如果可以就选择 RS- 232 串行总线，如果不行就采用 USB 总线。 在串行通信中，系统选用了异步通信，其特点是通信双方以一个字符作为数据传输单位，且 发送方传送字符的间隔时间是不定的，在传输一个字符时总是以起始位开始，以停止位结束12。 采用这种通信方式，硬件电气连接简单，且在 PC 机

24、上针对串口编程接口方便，通常最高波特率 设定在 9600bps 左右。如果用串行同步方式可提高传输率，但需在 PC 机上扩展设备。故本系统 采用的通信方式为串行异步通信方式。串行接口标准采用 RS-232 接口标准。 2.5 转台的控制方案转台的控制方案设计设计 光电成像跟踪系统视野的平移是通过对转台的控制来实现的，而转台的控制是通过选择合理 的水平和垂直旋转角度和来实现的13。 在跟踪系统中，图像处理单元送出目标形心与图像中心的位移偏差（、） ，先将其转xy 换成转台控制参数(、)，其中为转台水平方位角移动量，为转台俯仰角移动量。 假设视野水平视角和垂直视角分别为和，成像时的摄像头焦距为。设

25、图像水平方向长度为f ，垂直方向长度为。其中，、为己知，由于没有标定，是未知量，见图whwhf 2.8。 现以水平方向为例，说明图像坐标系平移与转台旋转角度的对应关系。图像成像在焦平面x 上，所以有 （2.1）tan( /2)/2fw （2.2）ftgx 解之得 （2.3） 2 arctan( /2) x tg w 同理得 2 tantan( /2) y arc h （2.4） 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 9 一般情况下，和都比较小，所以有 （2.5） x w （2.6） y h 上位 PC 机把经图像处理得出的坐标偏差通过串口协议下传给 DSP 控制系统，DSP 控制系统经 过运算

26、得到偏差角数据(、)，并发出相应方向脉冲和 PWM 控制脉冲信号给二维转台的步进 电机驱动器，直接调整两个电机的转向和转速。 图 2.8 图像坐标系平移与转台旋转角度的对应关系图x 在基于 DSP 的转台控制算法中，主要实现二维转台的水平轴和俯仰轴电机速度和方向的控制。 若采用水平轴和俯仰轴电机速度不可变的控制算法，这样存在着一定的缺陷。 下面以水平方向为例来说明： （2.7） / xx tw 式中，是水平方位角移动量，是水平旋转角速度，是目标在水平方向回到视场中心所需 x w x t 要的时间，由上式可知，根据水平方位角移动量和水平旋转角速度得出其相应转台电机运行时间， 当过大、相对过小时，

27、电机在水平方向运行时间过长，灵敏度差，反应太慢，跟不上目标； x w 当过大、相对过大，这样得出的时间很小，造成转台反应过于灵敏，抖动性过大，目标就 x w 不能准确的回到视场中心。为了改善这种情况，根据自适应控制原理，提出了变速控制方案。 第三章第三章 系统硬件系统硬件设计设计 系统硬件平台是完成运动目标自动检测与跟踪的重要保证，通过对实验场景的分析以及目标 检测和跟踪算法的研究，根据性能要求和实验室设备条件，本文设计研制了一套硬件平台：采用 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 10 DSP 实验系统作为转台控制系统主要的硬件处理器；选定了用于获取图像的 CCD 摄像机、图像采 集卡和二维

28、精密电控旋转台；以及转台步进电机驱动器、光电编码器、光电耦合器等；图像输出 设备采用了实验室里己有的显示器。本章将对本系统主要的硬件部分的构成及功能做详细的介绍。 3.1 DSP 选型及选型及 TMS320LF2407 简介简介 在光电成像跟踪系统的转台运动控制系统中，处理器件接受高层控制级的指令，计算和输出 控制信号，监控系统状态，因此系统要求处理器具有较强的运算能力、较短的运行周期及高度可 靠的性能。TI 公司的 x240xA 系列 DSP 将高速运算能力和面向电机的高效控制能力集为一体，它 通过把一个高性能的 DSP 内核和常用外围设备集成为一个芯片的方法，将 DSP 的高速运算特性和

29、优化的控制特性结合起来，成为运动控制系统核心芯片的最佳选择之一15。不但能完成现代控制 理论或智能控制理论的一些复杂算法，而且简化了硬件结构和体积，提高了系统可靠性。 TMS320LF2407A 为本系统转台控制系统最终确定的微处理器。 TMS320LF2407A 是一种高性能的数字信号处理器(DSP)，具有强大的指令系统、高速处理能力、 改进型哈佛结构(程序存储器和数据存储器具有各自的总线)、多级流水线、灵活方便的接口、集 成片内外设、片内存储器等优点16。主要特点如下： 1）40MIPS 的执行速度，几乎所有指令都可以在一个 25ns 的单周期内执行完毕； 2）中央处理单元 （a）32 位

30、的中央算术逻辑单元(CALU)，32 位加法器，32 位乘法器； （b）三个定标移位寄存器； （c）8 个 16 位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存储器的间接寻址； 3）存储器 （a）片内 16K 字 x16 位闪速 EEPROM 程序存储器； （b）片内 544 字 x16 位的双端口数据/程序 RAM； （c）224K 字 x16 位的最大可寻址存储器空间(64K 字的程序空间、64K 字的数据空间、64K 字 的 I/O 空间和 32K 字的全局空间)； 4）程序控制 （a）4 级管道操作； （b）8 级硬件堆栈； （c）6 个外部中断：电源驱动保护中断、复位、NMI 和

31、三个可屏蔽中断； 5）单周期的乘/加法指令； （a）程序/数据管理的存储器块移动指令； （b）双十位模数转换器； 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 11 （c）28 个独立可编程的多路复用 I/O 引脚； （d）基于锁相环的时钟模块； （e）带实时中断(RTI)的看门狗(WD)定时器模块； （f）串行通讯接口(SCl)； （g）串行外部设备接口(SPI)； 总之，基于寄存器的结构、庞大的地址空间、功能强大的寻址方式、灵活的指令系统及高速 运算能力，使得在 TMS320F2407A 上可以很容易地实现实时性要求较高的各种控制和信号处理算法 17。 3.2 基于基于 DSP 的转台控制系统功能

32、分析的转台控制系统功能分析 根据系统控制要求，DSP 运动控制系统的主体部分相互之间的关系如图 3.3： DSP TMS 320LF 2407 RS232 串口单元 电源单元 上位机 驱动 模块 被控 电机 光电 编码器I/O 单元 光电 隔离 模块 电机 控制接口 图 3.3 基于 DSP 的转台控制系统功能模块 （1）RS232 串口单元：通过串行通信接口（SCI）从上位 PC 机读取控制指令，以及向上位 PC 机发送测角信号。 （2）电源单元：为步进电机驱动器以及光电编码器提供直流电源。 （3）I/O 单元：该模块主要采集光电编码器测角信号。 （4）电机控制接口：由该接口输出控制脉冲信号

33、和方向信号给步进电机驱动模块。 （5）光电隔离模块：对光电编码器测角信号与 DSP 检测模块进行光电隔离。 （6）驱动模块：由电机驱动器组成，负责把控制脉冲和方向信号转换成各电机转角和方向控 制信号。 3.3 步进电机及其工作原理步进电机及其工作原理 在电动执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电 动机，以及实现直线运动的直线电机。目前在光电成像跟踪系统转台的运动控制中较为常用的电 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 12 机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。本系统二维电控旋转台的俯仰轴和方位轴运动的 驱动元件都是混合式步进电机。 步进电机是一种将电脉

34、冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱 动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按 设定的方向转动一个固定的角度即步距角。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多，输入脉 冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确 定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电 机的种类根据自身的结构不同，可分为常用三大类：反应式（也称磁阻式） 、永磁式、混合式。其 中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用也越来越广泛。 本系统俯仰和方位转轴的电机均为 57

35、型混合式步进电机，电机参数如表 3-2 所示： 表 3-2 步进电机技术数据 型号相数步距角 /STEP 电压 V 电流 A 电阻 电感 mH 最大静转矩 N.m 转动惯量 g.cm2 重 量 kg 57BYGH 802 21.82.72.51.13.60.952600.7 3.43.4 光电隔离模块光电隔离模块 由于本系统使用的光电编码器电源电压为 12V，输出信号是电压信号，而 DSP 要求接收 TTL 电平， 所以在采集光电编码器输出信号时，要使用光电耦合器件进行电路隔离，同时实现电平转换，接 收信号经 DSP 处理后，通过串行方式上传给 PC 机。 采用光电耦合器对光电编码器测角信号进

36、行隔离既能起到抗干扰的作用，又能对系统起到安全保 护作用27。光电隔离模块采用光电耦合器 TLP521-4。TLP521-4 是发光二极管与光电晶体管封装 的光电耦合器，结构为双列直插 4 引脚塑封，内部带有 4 个相同的光电耦合电路，主要用于开关 电源电路中，其原理图如图 3.10 所示。 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 2 图 3.10 TLP521-4 内部耦合电路 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 14 第四章第四章 系统的软件设计与系统的软件设计与实现实现 完整、可靠的、符合系统性能要求的硬件电路设计是DSP应用系统设计的前提条件，而完善 的软件设计则是发挥硬件资源潜能，最

37、终达到系统指标不可或缺的必要条件。在前一章中主要介 绍了系统的硬件平台，本章将主要介绍系统的软件设计和实现工作。 4.1 主程序设计主程序设计 主程序是控制程序的核心，主要完成系统的初始化（SCI 串行通信接口、I/O 口、定时器等的 初始化） ，各标志位的置位与复位，计数器周期寄存器初值的计算，设置中断标志，接收光电编码 器信号，系统自检、中断配置等功能28。主程序完成初始化后，进入循环等待中断，中断程序完 成对上位机下传数据的接收，并依据控制算法将接收数据转换成 PWM 的脉冲的生成和步数计数。 主程序流图如图 4.1 所示： 4.2 系统初始化设置系统初始化设置 程序开始运行时要进行初始

38、化，只有正确的初始化各寄存器，系统才能正确中断和读写数据 29。系统初始化函数 void sys_ini()完成了以下工作：禁止所有可屏蔽中断，并将中断标志位清 零；设置 CLKOUT=4*CLKIN=40M，并且使能 EVA、SCI 外设。初始化设置如下： void sys_ini() asm(“ setc INTM“); /*关总中断*/ 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 15 asm(“ clrc SXM“); /*抑制符号位扩展*/ asm(“ clrc OVM“); /*累加器中结果正常溢出*/ asm(“ clrc CNF“); /*B0 被配置为数据存储空间*/ * SCSR

39、1=0X0005; /*CLKIN=10M,4 倍频,使能 EVA 模块*/ * WDCR=0X00E8; /*关看门狗*/ WSGR=0X0600; /*io，ram，program 都设为 0 等待读写*/ * IMR=0X0002; /*禁止所有中断*/ * IFR=0XFFFF; /*清除全部中断标志*/ 4.3.串行通讯子程序串行通讯子程序 通讯时，要求上位机和下位机的通讯协议相同，即通讯波特率、起止位数、字长选择以及校 验方式等一致。本系统采用的通讯协议：波特率4800bps，一位起始位，两位停止位，字长为 8， 偶校验方式。上位机与本系统通讯时，也要设定为上述格式33。 为了有效

40、的利用 DSP 资源，本系统上位机在与下位机通信时，上位机采用查询法，而下位机 则采用中断法。上位机向下位机发送命令，下位机接受命令并转向相应的处理，同时向上位机发 回状态字和数据；所不同的是，上位机通信部分的程序是在主程序中，而下位机的通信部分的程 序是放在中断部分。也就是说，上位机是主动的发出信号，而下位机是“被动”的感觉信号，引 起中断后，转入相应的通讯中断服务子程序，接受来自上位机的信号，并为确保通信的正确，发 回校验。因此在上位机没有发送信号时，下位机是一直处于巡检和等待状态。其程序流程图如图4.2 所示： 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 16 图4.2通信中断子程序流程图 4

41、.4 脉冲输出子程序脉冲输出子程序 在 LF2407 中，有 40 个通用、双向数字 I/O 引脚，这些引脚的功能通过 3 个 I/O 口复用控制 寄存器(MCRx)和 6 个数字和方向控制寄存器(PxDATDIR)设置。MCRx 用来控制 I/O 口作为基本功能 或一般 I/O 引脚功能，当 I/O 引脚用作一般功能时，PxDATDIR 可控制数据和引脚的数据方向。 在本系统中，DSP 需要输出四路控制脉冲，作为二维转台步进电机的步进脉冲信号和方向控 制信号。水平轴步进电机由 PWM1（IOPA.6）输出控制脉冲，IOPB.0 输出方向信号，俯仰轴步进电 机的的脉冲和方向信号输出由 PWM2

42、（IOPA.7）和 IOPB.1 完成；串行通信模块发送数据引脚 SCITXD（IOPA0）和接收数据引脚 SCIRXD(IOPA1)配置成基本功能；光电编码器测角信号的采集由 IOPB2IOPB7 和 IOPA3IOPA5 端口完成。IOPA.6、IOPA.7 配置成基本功能，IOPB.0、 IOPB.1 配 置成一般 I/O 功能，下面分别介绍其对应的寄存器设置： 1）I/O 端口初始化 （1）复用控制寄存器 MCRx 设置 MCRA 对应 I/OPA 和 I/OPB 端口， MCRA 的高 8 位对应 I/OPB 端口，设置成一般 I/O 功能，低 8 位中涉及到 SCI 和 PWM 功

43、能，均设置成基本功能。 （2）数字和方向控制寄存器设置 当 I/O 引脚用作基本功能时，PxDATDIR 的设置影响对应的引脚数据的输入输出方向。本系统 所利用的 12 个 I/O 端口工作于输入和输出模式，且各端口寄存器的格式和设置相同，对于端口 IOPB，其 IOPB.0、IOPB.1、用作俯仰和方位步进电机方向控制脉冲的输出，需设置为输出方式， 初值均为 0，IOPB.2IOPB.7 设置为输入方式（用于接收光电编码器测角信号） ，初值均为零。 MCRx 和 PxDATDIR 各位配置详见文献2829。初始化如以下程序所示： void pwm_ini() * PBDATDIR=0X03F

44、C; /*iopb7-2 配置为输入，iopb1-0（驱动器 dir1-2）配置为输出， 输入读引脚高，输出引 脚低*/ * PADATDIR=0X0038; /*iopa5-3 配置为输入，输入读引脚高电平*/ * ACTRA=0x000A; /*PWM1,PWM2 高有效*/ * DBTCONA=0x0000; /*比较方式控制寄存器，禁用死区控制*/ * COMCONA=0x8200; /*比较控制寄存器，使能比较操作*/ 2）通用定时器的 PWM 输出 在程序中，控制脉冲的输出采取的实现方式为通用定时器比较中断方式。定时器比较中断是 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 17 利用 D

45、SP 的事件管理器（EVA）中的全比较单元实现的。 通用定时器 1 的计数器不断与比较寄存器的值进行比较。当发生匹配时，比较单元的两个输 出将根据方式控制寄存器 ACTRA 中的位进行跳变。ACTRA 寄存器中的位可以分别确定在比较匹配 时输出为高有效触发或低有效触发。当通用定时器 1 的计数器和比较单元的比较寄存器之间发生 匹配且比较使能时，比较单元的比较中断寄存器将被置位。如果中断不屏蔽，则产生外设中断请 求信号。 通用定时器 1 启动后，比较寄存器在每个 PWM 周期中可重新写入新的比较值，以调整 PWM 输 出的宽度（即占空比发生变化） 。因为比较寄存器是带影子寄存器的，所以在一个周期

46、的任何时候 都可以将新值写入，同样在周期的任何时候，可以将新值写入到周期寄存器 TIPR 和比较方式控制 寄存器 ACTRA 中，以改变 PWM 周期或强制改变 PWM 的输出方式这为实现转台变速控制提供了 条件。 在比较单元开始工作之前，必须进行 PWM 波输出初始化。首先要设置和装载 ACTRA 寄存器， 以确定 PWM 波形的输出方式；然后，设置和装载 DBTCONA 寄存器，以使能并决定死区的大小，以 上设置在 void pwm_ini()程序段中完成。以下初始化程序段主要完成设置和装载 T1PER 寄存器， 以规定 PWM 波形的周期；初始化 CMPR1 寄存器，以确定 PWM 脉冲

47、波的占空比；设置和装载 COMCONA 寄存器，以使能比较操作、设置比较寄存器重装条件、比较方式控制寄存器重装条件和 允许比较输出；最后，设置和装载 T1CON 寄存器，以规定定时器的操作模式，本文产生对称 PWM 波形，故将 T1CON 设置为连续增减计数模式。该部分初始化程序如下： void t1_ini() * EVAIMRA|=0X0100; /*允许定时器 1 比较中断*/ * EVAIFRA /*清除定时器 1 比较中断标志*/ * T1CON=0x0F4E; /*定时器 1 为连续增/减计数模式,128 预分频,定时器计数使 能，定时器比较使能*/ * CMPR1=0x0044;

48、 /*设定比较寄存器，PWM 波占空比 50% ，载波周期约 0.43ms */ * T1PER=0x0088; /*设定周期寄存器，PWM 波频率*/ * T1CNT=0x0000; /*计数器清零*/ asm(“ clrc INTM“); /*开总中断*/ 定时器周期寄存器(TIPER)的值决定了定时器的周期，当周期寄存器的值和定时器计数器 (TICNT)的值产生匹配时，通用定时器的操作就停止并保持当前值，并根据计数器所处的计数方式 执行复位或开始递减计数。 因此，在每个控制周期开始时，程序都要根据控制指令计算周期寄存器的值。如：水平轴转 基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 18 台与步

49、进电机传动比为 1：180，设定电机驱动器细分数为 2，即步进电机步距角为 0.9， LF2407 内部时钟为 40MHz，如选择时钟分频值为 128，如果步进电机工作频率为 1000HZ，则周期 寄存器 T1PER 的值为： 40M/（1282000）156（十进制）=0x009C（十六进制） （4. 1） 上式中因为设置驱动器工作于二细分，故 PWM 载波频率为 2000Hz，产生占空比 50%的方波则 比较寄存器 CMPR1 的值为： 156/2=78（十进制）=0x004E（十六进制） （4. 2） 计数器每次计数到 0x004E 时，即发生比较匹配，输出一次步进脉冲，同时比较中断标志位被 置位，在中断子程序中，通过对中断次数计数即可实现对输出脉冲的精确控制，进而实现对转台 转角的