殷娣娣, 王亚辉, 郭　港

(1.中国科学院 光束控制重点实验室,四川 成都 610209；2.中国科学院 光电技术研究所,四川 成都 610209；3.中国科学院大学,北京 100049)



基于电感式位移传感器的调焦机构设计

殷娣娣1,2,3, 王亚辉1,2, 郭港1,2,3

(1.中国科学院 光束控制重点实验室,四川 成都 610209；2.中国科学院 光电技术研究所,四川 成都 610209；3.中国科学院大学,北京 100049)

摘要:调焦机构是大型光电跟踪设备和变焦距镜头的重要组成部分，调焦精度直接影响整个跟踪控制系统的性能。目前调焦机构大多采用光栅尺作为位移的采集和反馈单元来实现系统的闭环控制，其主要缺陷是体积大、温度适应性差，不能满足对温度要求高的工作环境。设计了一种由电感式直线位移传感器、DSP & FPGA调焦控制板卡、步进电机以及电动平移台组成的宽温调焦机构。详细介绍了系统整体架构、各个单元的硬件实现以及软件操作流程，系统性能参数分析和调焦实验结果表明设计能够满足要求。

关键词:调焦机构； 电感式位移传感器； 现场可编程门阵列； 数字信号处理

0引言

光电跟踪系统在天文观测、靶场测量、航空航天等众多领域有着广泛应用。系统在对运动的目标进行跟踪测量时，目标与设备距离的变化会引起像面位置变化造成目标像点离焦，影响成像的质量。为了获取清晰的跟踪图像，应对镜组进行实时调焦，使得跟踪设备光学系统的焦距、视场能够根据探测目标位置的改变而改变，确保目标图像始终位于焦面之上。显然，光电跟踪设备中调焦机构的实时光学聚焦是实现对目标跟踪的关键[1]。

位移传感器作为调焦机构的关键部件，不仅测量精度要求高，其温度适应性也是必须考虑的参考指标。目前,调焦机构一般采用光栅尺作为位移量的反馈单元，虽然精度达到要求，但其体积大、且易受环境温度的影响，难以满足苛刻的工作环境要求。为避免这些不利因素，本文设计采用LDR—CA—10型电感式位移传感器采集位移量以实现闭环控制。与传统的光栅尺位置反馈相比，LDR—CA—10型传感器不仅精度高、体积小,而且温度适应性好。

1系统总体设计

本文设计了一种以DSP & FPGA作为控制和处理器的实时调焦系统，以LDR—CA—10型电感式位移传感器为位移采集和反馈单元，以步进电机驱动完成主次镜间距调整，最终达到光学聚焦目的。系统总体设计原理框图如图1。

图1　调焦总体系统设计Fig 1　Design of focusing overall system

LDR位移传感器固定在次镜上，次镜移动时，传感器输出与位移量呈正比的模拟电压量；模拟电压经A/D转换后传入控制板卡进行滤波处理得到精确位移量；再由控制算法得出调整量控制电机完成系统闭环调焦；同时,控制卡将位移量和调焦结果用串行通信方式传给PC。

2LDR型电感式位移传感器

LDR—CA—10传感器是Micro-Epsilon公司生产的MSC—7210系列电感式位移传感器，常用于测量距离或目标的微小位移以及其它与位移有关的机械量，如振动、加速度、应变、张力等[2]。

该传感器内部结构如图2所示。其由两个对称的线圈和铁芯构成，铁芯在盘绕的线圈内部移动。铁芯与线圈之间的非接触相对移动造成线圈阻抗比变化，阻抗比的变化经过控制器处理与补偿，最终传感器输出与位移呈线性变化的模拟电压量。

图2　LDR传感器原理框图Fig 2　Principle block diagram of LDR sensor

本设计所选用的LDR—CA—10传感器能够工作在温度为-40～160 ℃、湿度为5 %～95 %RH的环境下，它的输出信号范围为2～10 V，量程为10 mm，线性度是0.3 %。由于LDR—CA—10传感器可实现非接触测量，具有无限长的机械寿命，这使得该传感器适合在高可靠性的场合应用。另外，该传感器重量轻、体积小，安装方便，后期信号处理相对简单。

3硬件平台设计

3.1主控制器模块

调焦系统以DSP & FPGA为主控制器，二者各具特点：FPGA接口灵活，可灵活配置内部逻辑功能，用于信号预处理和接口电路，主要负责外围接口的数据采集、AD采集卡的数据配置以及与上位机的通信等工作；DSP有强大的数据处理运算功能，负责信号滤波和控制算法的实现[3]。

DSP & FPGA结构的一个主要问题就在于两者之间的通信。本设计中DSP与FPGA采用高速率并行通信机制，利用DSP的XINTF外部扩展功能，将FPGA挂载到DSP的外部扩展存储器，利用DSP中16位的数据总线和19位的地址总线实现两者之间的通信。板卡接口信号如图3所示。

图3　设计接口信号示意图Fig 3　Diagram of designed interface signal

XINTF是TMS320F2812与外设进行通信的重要接口，这些外部接口分别与CPU的某个存储空间相对应。CPU 通过对存储空间进行读/写操作，完成与外设通信。外部设备(这里即FPGA)不能控制接口信号线，只能读取、判断信号线的状态来进行相应的操作。XINTF接口的每个存储区域都各有一地址片选信号，当系统使能某个片选信号时，相应的外部存储器就被选中，数据就可以存储到相应的存储空间，或从相应的存储空间读出来[4]。这种DSP&FPGA 的模式结构灵活，通用性强，易于移植和模块化设计。

3.2信号采集模块

模拟信号采集模块采用具有高集成度、低功耗、高信噪比等优点的AD7656，包含6个 16位精度的ADC通道，单个通道采样速度可达250 kbps。

3.3串口通信模块

调焦机构中采集卡与控制卡、控制卡与上位机之间的通信均采用RS—422串行通信模式。RS—422数据信号采用差分传输方式，支持点对多双向通信，传输距离长，抗干扰性强[6]。

串口发送模块采用VHDL语言编写有限状态机 (finite state machine,FSM)，此模块包括空闲状态、开始状态、等待状态、发送状态以及结束状态[7]。由图4可见，各状态之间可根据触发条件自动转换。

图4　串口发送模块的有限状态机Fig 4　FSM of serial port sending-module

串口接收模块设计加入抗干扰功能，每接收一个数据，都要对它进行16次采样，并对采样结果(这里指0或1)进行投票，其中,票数大于8次才认为接收到的数据是0或1。这种模式提高了接收的准确率，抗干扰效果良好。

4软件设计

4.1总体设计流程

软件部分是整个系统正常工作的核心，其具体算法流程如图5所示。系统上电后自动运行程序，先对各个模块进行系统初始化、芯片自检，然后等待中断信号；DSP利用定时器定时产生200 Hz中断，在200 Hz中断信号的上升沿到来时通过RS—422获得聚焦位置命令、读取传感器当前位置信息并进行数据滤波处理；再依据传感器进行位置计算；最后控制电机带动镜组移动到目标位置完成自动聚焦过程。

图5　调焦控制流程图Fig 5　Flow chart of focusing control

4.2滤波算法

传感器信号在采集和传输过程中不可避免地会引入噪声。为了消除噪声干扰，在硬件设计时采用了抗干扰措施，但这些硬件设计不能完全抑制来自系统本身和外界的干扰，选择合适的软件滤波方法至关重要。

实际采集到的LDR—CA—10型传感器信号通常含有周期性的干扰信号和不规则的非周期性的随机干扰，为消除这两类不同性质的干扰信号，设计采用限幅平均滤波算法。限幅平均滤波法先要进行限幅滤波，即根据经验确定两次采样允许的最大偏差值A，每次采样到的新值均需判断：如果本次采样值与上次采样值之差小于等于A，则本次采样值有效；如果本次采样值与上次采样值之差大于A，则本次采样值无效，放弃本次采样值，选取上次采样值作为本次采样值。将经过限幅滤波法的数据再进行滑动平均滤波处理，即连续采集N个采样值组成一个队列，根据先进先出的原则，每次采样得到一个新的数据放入队尾并扔掉原来队首的一个数据，把队列中的N个数据进行算术平均运算即可获得最终滤波结果。

选取采样频率为5 kHz、持续时间为1 s的传感器静态数据和持续时间为2 s的传感器动态数据进行滤波，图6是原始数据和滤波后的数据对比图。限幅平均滤波前AD输出值的波动范围在70个量化值之内，滤波后量化值波动降低为6，精度提高了约12倍。数据表明:限幅平均滤波器滤波效果明显，大大改善了LDR—CA—10型传感器位置检测的精度。

图6　限幅滑动平均滤波前后对比图Fig 6　Contrast figures before and after amplitude limit sliding average filtering

限幅平均滤波法将限幅滤波法和滑动平均滤波法相结合，兼具两者的优点，既可以消除尖峰脉冲干扰引起的采样值偏差又能抑制随机噪声。

5实验仿真与结果分析

系统中,A/D转换器AD7656属于16 bit逐次逼近型，配置RANGE管脚后，设定满量程电压为±10 V，可计算其电压分辨力为

亦即1 bit代表0.305 mV电压，LDR—CA—10型位移传感器输出电压为2～10 V，量程为10 mm，0.305 mV对应的传感器位移为0.381 25 μm。4.2节中滤波后的AD输出值波动对应0.381 25 μm×6=2.29 μm的位移，可以实现μm级测量精度。

实验搭建了DSP & FPGA硬件平台，选用42BYG250C型高精度步进电机作为执行机构和位移检测基准装置，步进电机步距离角是1.8°，可实现64细分。验证实验中选取3.5 mm位置作为聚焦位置，分别采用正反向调焦进行验证，结果表明:正向调焦误差4 μm，反向调焦误差3.5 μm，满足调焦精度要求，次镜组运行轨迹如图7所示。

图7　调焦轨迹图Fig 7　Focusing track diagram

6结论

本文设计了一种基于LDR型电感式位移传感器的自动调焦机构。对各个单元进行了介绍和分析，重点描述了数据采集、板间通信和信号滤波处理等部分。软件仿真和硬件平台验证结果表明：设计能实现自动调焦功能，并取得了μm级调焦精度，满足系统要求。总之，基于电感式位移传感器的调焦机构温度适应性强、整机结构紧凑，可应用于光电跟踪系统、精密控制台等场合。

参考文献:

[1]柳万胜.基于金属光栅的调焦系统研制[D].成都:电子科技大学,2008.

[2]昌学年,闫玲.位移传感器的发展及研究[J].计量与测试技术,2009,36(9):42-44.

[3]韩西宁,许晖,焦留芳.基于FPGA的同步数据采集处理系统的设计与实现[J].电子技术应用,2009(1):89-91.

[4]刘鹏鹏,王晶,尹小杰.基于DSP和FPGA的通用控制器设计[J].电子设计工程,2011(21):170-172.

[5]李一芒,何昕,魏仲慧.光电经纬仪单杆数据采集系统设计与实现[J].仪表技术与传感器,2011(6):14-16.

[6]童宁.基于FPGA的电子式互感器数据采集系统[D].武汉:华中科技大学,2013.

[7]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2013.

Focusing mechanism design based on inductive displacement sensor

YIN Di-di1,2,3, WANG Ya-hui1,2, GUO Gang1,2,3

(1.Key Laboratory of Optical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,China;2.Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:Focusing mechanism is an essential part of large-scale photoelectric tracking device and zoom lens, performance of whole tracking control system is directly determined by focusing precision.At present,most focusing mechanisms adopt grating ruler as acquisition of displacement and feedback unit to realize closed-loop control of system,their major shortages are bulky size and poor temperature adaptability which can not meet requirement of high temperature working environment.Design a wide temperature focusing mechanism including an inductive linear displacement sensor,a DSP & FPGA focusing control card,a stepper motor,and an electric displacement platform.System architecture, hardware implementation and software flow are introduced in detail,systematic parameters analysis and experimental results indicate that this design can satisfy requirements.

Key words:focusing mechanism; inductive displacement sensor; field programmable gate array(FPGA);digital signal processing( DSP)

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0116—04

收稿日期：2015—04—13

中图分类号:TP 274

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)02—0116—04

作者简介:

殷娣娣(1987-)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为信号与信息处理。