基于FPGA的激光無線通信精跟蹤系統
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MV-D1024E是高速高動態的CMOS相機系列，采用CMOS主動像元技術，具有12位的采樣分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下幀頻能達到150幀／s，曝光時間由10μs～0．41 s，25 ns步進可調，采用Camera Link接口，用串行口對相機進行配置。相機時序由幀頻FVAL、行頻LVAL和數據幀DVAL控制，當它們同時為高電平時，在相機時鐘PCLK上升沿時數據總路線上才有數據。在光斑中心提取算法中，采用較為實用的質心法，該算法計算簡單，便于FPGA實現，因其抗噪聲干擾能力較弱，當噪聲增大時，光斑中心提取精度降低，則系統選取了灰度加權質心法來計算光斑中心。若目標區域為N×N，則質心的位置為：本文引用地址：http://www.104case.com/article/191899.htm
式中：i，j為目標區中像元的橫縱坐標；f(i，j)為像元的灰度值。質心法反映了目標的能量分布狀況。該算法適用于類似于精跟蹤系統接收視場小而光班范圍相對較大的情況。
2．2 數據傳輸及通信接口部分
Camera Link用于相機和FPGA板間的數據交換，其傳輸率高達1 Gb／s，且抗噪較好，可以提供高分辨率和各種幀頻的數字化數據，數據輸出采用了LVDS格式，根據應用要求，其支持基本(Base)、中檔(Medium)、全部(Full)等數字格式，該接口具有開放式的接口協議，兼容性好。它適用于CCD或CMOS等數字式相機與圖像采集系統間的通信接口。
USB接口用于FPGA與PC機間的數據和指令的交換，其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用維護方便等優點，采用IEEE1394總路線協議，最高帶寬可達到480 Mb／s。采用Cypress公司的EZ-US-BFX2系列芯片中的CY7C68013。
2．3 光路偏轉控制部分
光路偏轉控制系統以高速轉換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡構成，采用的16位雙通道高速數模轉換芯片DAC712P，電壓輸出時間小于10μs，其輸出電壓直接用于雙通道PZT控制器的輸入。PZT控制器選用德國PI公司的E-503 PZT控制功率放大器，輸入電壓范圍為0～10 V，輸出電壓范圍為0～100V，其電壓頻率響應曲線如圖2所示。PZT振鏡選用了德國PI公司的S-330，該PZT振鏡采用壓電陶瓷驅動，頻率響應度高且具有極高的定位精度。
跟蹤控制算法采用PID控制算法，該算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，而在實時控制系統中常用增量式PID控制算法，其公式為：
式中：△u(k)為輸出的控制量。q0=KP，q1=KP?(TS／TI)，q2=KP?(TD／TS)分別為比較項、積分項和差分項的系數，TS為采樣時間，對于不同的控制系統，TS各不相同，要根據實際調試經驗來確定。
3 軟件部分設計
此部分包含了上位機和下位機軟件設計，下位機FPGA采用由Altera公司的集成開發環境QuartusⅡ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE進行開發，采用Verilog HDL語言進行編寫，上位機使用Microsoft公司的VC++6．0軟件工具進行開發。QuartusⅡ通過JTAG對FPGA進行調試、配置下載，VC應用程序通過USB接口與CMOS相機控制電路板、圖像處理電路板進行連接通信。整個系統流程圖如圖3所示。
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