超高速攝影機電控系統設計

　　摘要：為了實現轉鏡式超高速攝影系統的電路控制，提出了以ATMega16L單片機及CPLD邏輯電路XC95288為核心的電路控制系統設計方案。該系統可以實現0.1微秒精度的時間控制和1MHz的電機轉速測量，并在某系統高速攝影機中得到應用，效果良好。

　　引言

　　超高速攝影與一般攝影最根本的區別，在于它能以極快的速度進行拍攝，有很高的時間分辨率，能夠將快速變化的過程記錄下來，可以廣泛應用于高速運動過程研究、瞬態光譜物理、高能物理、炸藥爆轟參數測量等領域。

　　超高速攝影有超高速光電相機、轉鏡式超高速攝影等。轉鏡式高速攝影有較高的分辯力，轉鏡式高速攝影掃描系統的掃描速度可達0.375km/s~15km/s，系統分辯力可達80lp/mm，高速攝影分幅系統的攝影頻率可達104fps~107fps，系統分辨力可達35lp/mm，可滿足速度最高可達幾十千米每秒的高速運動物體的測試需求。

　　轉鏡式超高速攝影系統是一個涉及光學、機械、電子等技術領域的復雜精密系統，主要由光學系統、機械系統和控制系統組成，這里主要對某項目中用到的轉鏡式超高速攝影系統的電路控制系統設計進行介紹。

　　超高速攝影電控系統設計

　　轉鏡式超高速攝影電路控制系統使高速攝影機各部分按程序工作，保證高速攝影機以500萬幀/秒的速度準確可靠地高速拍攝。超高速攝影機電控系統是保證攝影機準確可靠工作、提供分析所需數據的指揮機構。控制系統性能的好壞是衡量高速攝影機質量的重要標志。

　　超高速攝影電路控制系統主要由控制箱、電源、計算機等組成。電控系統主要功能為：(1)快門開啟和關閉的控制;(2)調整和控制轉鏡的旋轉速度;(3)轉鏡旋轉速度測量和指示;(4)引發脈沖光源;(5)安全保護功能，包括電機的過流保護、傳感器斷電保護等。超高速攝影電控系統工作流程示意如圖1所示。

　　這里所設計的超高速攝影電控系統的單幅畫面有效曝光時間為0.1微秒，為了充分利用這短暫的記錄時間盡可能多地記錄高速過程，以提供精確的分析數據，確保每次高速攝影均能取得需要的結果，控制系統必須精心設計。超高速攝影電控系統由上位控制計算機和下位控制電路組成，如圖2所示。

　　上位控制計算機提供操作人員和控制系統的人機交互界面，操作人員可通過計算機軟件界面方便地完成對控制系統設置、操作，在上位控制計算機軟件界面上設定攝影頻率等參數，隨后將此參數通過RS-485接口發送給下位控制電路。下位控制電路主要由ATMega16L單片機及CPLD邏輯電路XC95288等電路組成，用于開啟主控電源、電機電源、氙燈電源，開始攝影機的光路對接與調焦，而后啟動拍攝。此后控制系統開始自動工作。電機開始帶動轉鏡旋轉;控制系統通過速度傳感器實時取得轉鏡的轉速;轉鏡速度上升到設定拍攝速度一半時，開啟機械保護快門;轉鏡速度上升到預定的拍攝轉速后，將保持轉速并等待拍攝，同時給出一個觸發脈沖去觸發目標;目標發射后，將由外部測量系統給出準確的到達拍攝區域的時間(外來同步信號)，把這個外來的同步信號到來的時刻定為時間的零點，則外來同步信號也稱為零時信號。根據此信號開啟脈沖氙燈進行拍照。零時信號經過延時單元延遲相應時間后取得拍照時轉鏡的速度。拍攝完畢后延時單元輸出的信號再經關門延遲單元延遲適當時間后去關閉機械快門，并控制電機停止。

　　單片機ATMega16L通過RS485通信接受計算機的指令并完成對其它各個分系統的實時控制。電機脈沖信號放大板將轉鏡轉速測量板的信號放大并送給CPLD邏輯電路XC95288進行測速，并與轉鏡速度控制單元的測速值進行比較，用于判斷是否達到設定的速度;脈沖氙燈控制器用于開啟脈沖氙燈和引發目標信號，機械快門控制單元實現對攝影機的保護，外部觸發及同步信號單元用來獲取外部的同步信號，并根據到達拍攝區域的時間確定零時信號。系統各控制模塊(除電機控制器外)和電源等都裝配在控制機柜中，并通過電纜與對應的快門、電機、氙燈、傳感器和液晶顯示模塊等連接起來。