防抖系統(tǒng)正日益廣泛地應(yīng)用于照相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)設(shè)備中。防抖主要分為光學(xué)防抖和電子防抖，光學(xué)防抖通過(guò)光學(xué)器件進(jìn)行影響穩(wěn)定；電子防抖采用軟件的方法，針對(duì)數(shù)字圖像設(shè)計(jì)基于圖像處理的影像穩(wěn)定算法[1]。對(duì)于望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，在放大視角的同時(shí)，也會(huì)將手的抖動(dòng)造成的影像晃動(dòng)放大，在高倍望遠(yuǎn)鏡中尤其明顯。天文望遠(yuǎn)鏡、軍用望遠(yuǎn)鏡等高倍望遠(yuǎn)鏡在使用時(shí)通常需要配合三腳架，而大多數(shù)的手持望遠(yuǎn)鏡在沒(méi)有影像穩(wěn)定措施的情況下觀察效果受到擾動(dòng)。如果觀察者站在車(chē)、船、飛機(jī)上時(shí)，晃動(dòng)的影響更加嚴(yán)重，即使把望遠(yuǎn)鏡裝到三角架上，也不能消除晃動(dòng)的影響。因此，開(kāi)發(fā)適合望遠(yuǎn)鏡使用的影像穩(wěn)定系統(tǒng)已經(jīng)成為一項(xiàng)迫切的任務(wù)，防抖動(dòng)望遠(yuǎn)鏡將會(huì)具有很大的市場(chǎng)前景。
影像穩(wěn)定屬于跟蹤控制問(wèn)題。文獻(xiàn) [2]設(shè)計(jì)了一種采用形狀可變的流體棱鏡進(jìn)行抖動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?。本文設(shè)計(jì)了以 MSP430單片機(jī)為核心的防抖控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路，使用 C430語(yǔ)言進(jìn)行軟件調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)對(duì)望遠(yuǎn)鏡防抖系統(tǒng)的有效控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
望遠(yuǎn)鏡防抖系統(tǒng)原理如圖 1所示，其原理是：在望遠(yuǎn)鏡光路中加入一組可動(dòng)鏡片，稱(chēng)為補(bǔ)償鏡片。補(bǔ)償鏡片在自身所在平面內(nèi)做上下左右兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，來(lái)糾正因手在俯仰和偏航方向的抖動(dòng)所引起的光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)，使光線(xiàn)仍然按照期望的軌跡到達(dá)目鏡，從而達(dá)到穩(wěn)定影像的目的。
該系統(tǒng)硬件主要有以下幾部分組成：感知望遠(yuǎn)鏡抖動(dòng)的陀螺儀 CG-L53B；鏡片伺服直線(xiàn)電機(jī)的集成功率放大器 TCA0372；MCU采用 MSP430F169芯片；做電源穩(wěn)壓的 MAX8863芯片。
2.1 MSP430F169單片機(jī)
MSP430 是 TI公司的一種具有超低功耗的功能強(qiáng)大的 16位單片機(jī)， MSP430F169是該系列中的一種型號(hào)，具有 FLASH存儲(chǔ)器。這款單片機(jī)的程序代碼為 60KB+256B的 FLASH,2KB的 RAM，且具有強(qiáng)大的中斷功能。 MSP430系列單片機(jī)能在 8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 125ns 的指令周期； 16位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合。數(shù)字控制的振蕩器 DCO允許在 6微秒內(nèi)從低功耗模式喚醒。該芯片配置了帶有 3個(gè)捕獲/ 比較寄存器的 16位定時(shí)器 A和定時(shí)器 B、12位快速 A/D轉(zhuǎn)換器（帶有內(nèi)部參考電平、采樣保持和自動(dòng)掃描特性）、雙 12位 D/A轉(zhuǎn)換器兩個(gè)通用同步 /異步串行通訊接口 USART、DMA。除此之外，該單片機(jī)還具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行在 1MHz時(shí)鐘條件下時(shí)，工作電流視工作模式不同為 0.1～280μA[3]。
由于 MSP430F169具有以上的特點(diǎn)，可以承擔(dān)本系統(tǒng)電路中的多種工作，使整體電路得到簡(jiǎn)化。
2.2 陀螺儀電路設(shè)計(jì)
基于MSP430的小型望遠(yuǎn)鏡防抖系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于在輸出電壓Vref和Vout之間存在著殘余載波噪音，連接了一個(gè)低通濾波器來(lái)消除高次諧波成分；為了消除輸出電壓在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)由于溫度變化等因素的影響而產(chǎn)生的波動(dòng)，連接了一個(gè)普通高通濾波器；在地與Vref之間用4.7uF電容連接來(lái)穩(wěn)定Vref輸出。
2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)功放電路設(shè)計(jì)
對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)功放電路采用線(xiàn)性電路方式，如圖 3所示。線(xiàn)性功放電路的特點(diǎn)是線(xiàn)性度好，失真小，頻帶寬，不會(huì)產(chǎn)生噪聲和電磁干擾，在照相機(jī)等小型設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用廣泛。其最大缺點(diǎn)是效率低，在功率較大時(shí)，晶體管功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，但在小功率電機(jī)等設(shè)備的控制中，使用線(xiàn)性功放電路比較方便，盡管效率不高，但在小功率驅(qū)動(dòng)中并不會(huì)損失太多功率[4]。
3 軟件設(shè)計(jì)
為了節(jié)省內(nèi)存空間，便于編制、閱讀、擴(kuò)充和修改程序，軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu),每個(gè)功能模塊又由相應(yīng)的子程序組成，實(shí)現(xiàn)特定功能。程序流程圖如圖 4所示，其中，初始化模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)程序中所用到的寄存器、常量、變量的定義，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、 ADC、DAC、定時(shí)器和看門(mén)狗等模塊的初始化，并設(shè)置中斷，還要初始化控制變量和一些標(biāo)志值。
初始化結(jié)束后，程序進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，在斷電定時(shí)結(jié)束前，由通用定時(shí)器設(shè)定采樣周期，向主程序的采樣標(biāo)志賦值，啟動(dòng)控制算法。
本系統(tǒng)使用了兩個(gè)定時(shí)器：通用定時(shí)器和看門(mén)狗定時(shí)器。通用定時(shí)器用于系統(tǒng)采樣和控制時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)器給定一個(gè)時(shí)限，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到達(dá)這個(gè)時(shí)間后， MSP430向電源模塊給出斷電信號(hào)，達(dá)到省電的目的?！?/FONT>
控制算法是在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行的?？撮T(mén)狗定時(shí)器工作在定時(shí)器模式，定時(shí)周期就是數(shù)字控制的采樣周期，每個(gè)周期定時(shí)產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序的內(nèi)容包括信號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換與濾波、計(jì)算控制量并輸出 PWM波形。中斷服務(wù)程序的執(zhí)行速度要足夠快，在一個(gè)周期內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)，在程序設(shè)計(jì)上要進(jìn)行優(yōu)化。
有些情況下，觀察者需要人為地使望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)比較小的角度，為防止這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)被誤認(rèn)為是抖動(dòng)，在讀取角速度的值后會(huì)進(jìn)行判斷，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通常人為移動(dòng)的速度比較大，并且在移動(dòng)時(shí)間內(nèi)角速度值幾乎相等，可以明顯區(qū)別于抖動(dòng)。
4 實(shí)物調(diào)試
在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候用陀螺產(chǎn)生的不規(guī)則信號(hào)作為參考位置信號(hào)，調(diào)試的結(jié)果如圖 5所示?？梢钥吹?，對(duì)于最高頻率在 10Hz以下的不規(guī)則信號(hào)，系統(tǒng)的跟蹤效果也比較滿(mǎn)意。
基于MSP430的小型望遠(yuǎn)鏡防抖系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了以 MSP430F169單片機(jī)為核心的望遠(yuǎn)鏡防抖系統(tǒng)，采用跟蹤參考信號(hào)的位置伺服控制方法，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠達(dá)到滿(mǎn)意的跟蹤精度，為進(jìn)一步研制防抖望遠(yuǎn)鏡提供了參考。
（轉(zhuǎn)載）
