一种新型数据记录系统控制方案的设计与实现

    高速摄影机是用于靶场火箭弹道和姿态测量的光测设备。高速摄影机的电控系统主要由同步控制、数据记录、自动调光等系统组成,在摄影时统及摄影频率控制下,实时、清晰地将目标及相关信息记录在胶片上,为事后处理提供原始数据信息。

    数据信息是以点阵的形式记录在胶片上,传统的数据记录系统是在摄影时统控制下,同步地对方位角、俯仰角、时间、摄影频率、同步信号、摄影编码、站址、弹序等信息进行采集、处理并按要求的格式进行排列;最后,在摄影频率控制下以分时扫描的方式逐行或逐列点亮点阵,将信息记录在胶片上。如果因点阵亮度不够或者其它原因而使胶片上某些点曝光不足,事后用判读仪判读时,可能造成错判或误判,最终导致错误的数据处理结果。用传统的方法提高曝光不足点的亮度,同时会使该点同一行或同一列的其它点更亮,造成点与点之间边缘不清晰,同样会影响判读。即便如此,有时某些曝光不足点的亮度仍不能满足判读要求。

    基于上述问题,笔者提出了一种新的设计方案,对点阵每一个点的点亮时间单独进行控制,实现点阵曝光时间的单点控制。此方案在AsKania KTH532电影经纬仪改造中得以实现。

    AsKania KTH532高速摄影机是20世纪70年代由法国设计制造的。其点阵数据记录系统的点阵是5×22的LED阵列,以LED作为光源,由光纤传输投影到胶片上完成数据记录。如果采用传统的控制方法,用这套点阵及投影系统所打点阵均匀性极差,判读仪无法进行数据处理,其主要原因是:

    (1)用LED作为光源,由于自身参数有差异,导致亮度不均匀;

    (2)原先的光学投影系统中光纤有老化及断丝现象,在传输过程中,光学投影系统对点阵上每一个点的光能量的衰减不同,即使每个点的光照相同,仍不能保证每个点投影在胶片上的强度相同,所以不可能在胶片上产生相同的曝光量,即点的黑度不同,而且差异很大,点阵整体不均匀。

    由于结构方面的原因,对数据记录系统改造时必须延用这种方式不变,保留原先的光学投影系统。采用传统的控制方法不能解决由于上述原因所带来的点阵黑度不够和不均匀的问题。所以在点阵数据记录系统的改造中,运用了点阵曝光时间的单点控制方案,使点阵每一个点的曝光时间可以通过编程设定,大大提高了点阵的均匀性。

1 数据记录系统的原理与组成

    数据记录系统的原理与组成如图1所示。

    数据记录系统主要由上位机、数据采集模块、点阵控制模块、点阵驱动模块、点阵模块、光学投影模块组成。

    数据采集模块:数据采集模块实现点阵信息的采集。主要是以8031单片机为核心的下位机,在摄影时统的控制下,实时地对时间、方位角、俯仰角、同步信息、频率编码等信息逐个采集,然后存放在双口RAM中,供上位机通过总线读取。

    上位机:通过总线对双口RAM中的数据信息,按照要求的点阵排列格式进行排列,并对每个点的点亮时间进行编程设定,最后由点阵控制模块逐行输出。

    点阵控制模块:在上位机的控制下,按上位机对每个点曝光时间的设定,以及点的亮与灭,逐行输出点阵控制信号到点阵驱动模块。

    点阵驱动模块:点阵驱动模块输出的控制信号不能直接驱动点阵的LED,经驱动模块产生驱动信号驱动点亮点阵的LED。

    光学投影系统:将点阵LED的光能量传输到胶片,使胶片产生曝光,记录数据。

    点阵单点控制方案与传统控制方案的主要区别在于点阵控制模块不同。下面主要介绍点阵单点控制方案中,控制模块和驱动模块的软硬件设计与实现。

2 控制模块和驱动模块的硬件设计与实现

    传统的点阵控制与驱动模式有:

    (1)一次点亮。即每一个LED的阴极和阳极分别有一个控制信号,一幅点阵一次点完。这种方式所用时间最短,但控制电路和驱动电路都非常复杂,一般不采用。

    (2)逐列扫描。逐列扫描即每次点亮其中的一列,一幅点阵分22次点完。这种方式比一次点亮的电路简单,但所用时间比一次点亮时间长。

    (3)逐行扫描。逐行扫描即每次点亮其中的一行,一幅点阵分5次点完。这种方式控制电路和驱动电路都最简单,而且所占用时间界于前面两者之间,一般多采用这种方式。

    采用逐行扫描模式。为了确保点阵在胶片上的黑度和均匀性,若采用传统的黑度调整方案存在以下问题:①减小串联在LED中的限流电阻值,使通过LED的驱动电流增加,从而提高其亮度,提高胶片上淡点的黑度。但一方面AsKania KTH532点阵系统中,光学投影系统断丝较多,点阵投影到胶片的过程中,对光能量损耗较大,一味地提高亮度会影响LED的寿命,而在极限电流范围内的亮度又不足以补偿部分断丝对能量的损耗;另一方面因为选用逐行扫描方式,调整一列限流电阻会影响到5个点的亮度,所以这种方法并不可取。②延长LED的点亮时间,也就是延长曝光时间,提高淡点的黑度。同样因为选用逐行扫描方式,调整一行的点亮时间会影响22个点的亮度。该方案设计的点阵控制电路,能使点阵每一个点的驱动信号通过编程控制,实现曝光时间的单点控制,从而实现单点黑度的调整,确保点阵均匀性。

    点阵的22列对应地由22个82C54定时器控制。由于该方案选用逐行扫描模式,所以22个82C54定时器分时控制着5行22列点阵的每一个点。 82C54是一个可编程减法计数器,它有六种不同的工作方式,其中方式1(可编程单稳态特性)输出单拍负脉冲信号,脉冲宽度可编程设定,满足硬件电路的要求,其时序如图2所示。在设定工作方式和写入计数值后,输出端输出高电平;在触发信号上升为高电平时,输出为低电平,并开始计数;当计数器减为零时,输出为高电平。定时器输出负脉冲的宽度由定时器的计数值决定。

    本方案中以列选信号作为定时器的触发信号,定时器输出为列控制信号,点阵22列LED的选通时间分别由22个定时器控制。点阵列控制信号经驱动反向产生列驱动信号,在行控制及列控制共同有效的情况下,点亮LED。点阵驱动电路如图3。

    如果是亮点,列选信号为“1”,触发定时器计数,定时器输出的控制信号为“0”,驱动信号为“1”,行选通后可以点亮点阵;如果不亮点,列选信号为“0”,定时器输出的控制信号为“1”, 驱动信号为“0”,即使有行选通信号也不能使LED点亮。     

    通过改变8254的计数值,可以改变列控制信号负脉冲的宽度,即改变驱动该列点亮的时间(图4中t的大小)。采用这种方法既能避免使用复杂的控制电路和驱动电路,同时又能实现点阵亮度的单点控制,实现单点黑度的调整。时序及波形如图4所示。

3 控制软件的设计与实现

    系统上电后,程序首先初始化,然后根据LED亮度及光学投影系统断丝情况的不同,对点阵中每一个点的曝光时间进行编程设定,即给对应的定时器赋不同的计数值。点阵在摄影频率控制下,对应每一幅画面有一幅点阵,所以在摄影频率上升沿到来之后进行数据采集、处理和编排。最后将编排好的点阵以逐行扫描的方式输出,控制驱动模块,点亮点阵。扫完一幅后,在判断摄影频率的下降沿到来之后,再准备下一幅点阵的数据采集和控制。这样一方面防止在同一幅画面上点阵出现多次曝光,另一方面保证了每一幅画面上数据记录的实时性。软件流程框图如图5所示。

4 防串光措施

    在实际中,为了减少故障,尽量简化硬件电路。把点阵控制硬件电路设计为:每扫一行,将每列所对应的22个定时器同时触发。这样就带来一个问题:由于 8254是减法计数器,它的最小计数值是1,对于不需要点亮的点即使计数值为最小,定时器也会有一个负脉冲输出,对应有一个LED点阵的驱动信号产生,行选通后导致点阵中不需要点亮的LED点亮,最终在胶片上产生曝光即串光现象,造成事后点阵判读时误判。为了消除此现象,采取了以下措施:

    (1)硬件措施,在点阵列控制信号前端加一级光电耦合器,其延迟时间远大于一个时钟周期,使得8254输出的很尖的负脉冲信号由于光电耦合器的延时而被滤掉,相应的列驱动信号为低电平,行选通后也因没有列驱动而不能使对应LED 点亮,消除了串光现象的发生。

    (2)软件措施,在逐行扫描点亮点阵时,先用行选信号触发8254,使不亮的点的列控制负脉冲输出,并确保列控制电平已经翻转为高电平时,再发出行选通信号,不该点亮的LED也不会被点亮。

    采用防串光措施前后,点阵逐行扫描的时序对照如图6。

    以上两种方法可以选用其中一种,也可以同时使用。如只在硬件上采取措施,就必须选用延时足够长的光电耦合器;如只在软件上采取措施,则只需要在时间允许的情况下,在行选通之前加足够的延时即可。

    经在AsKania数据记录系统改造运用后证明:该方案对光学投影系统断丝较多、光能量损耗较大的点的曝光补偿行之有效,使一些用常规的方案几乎不产生曝光的点能够有充足的曝光,点阵质量完全满足判读仪的要求。