超高速摄影机电控系统设计

　　摘要：为了实现转镜式超高速摄影系统的电路控制，提出了以ATMega16L单片机及CPLD逻辑电路XC95288为核心的电路控制系统设计方案。该系统可以实现0.1微秒精度的时间控制和1MHz的电机转速测量，并在某系统高速摄影机中得到应用，效果良好。

　　引言

　　超高速摄影与一般摄影最根本的区别，在于它能以极快的速度进行拍摄，有很高的时间分辨率，能够将快速变化的过程记录下来，可以广泛应用于高速运动过程研究、瞬态光谱物理、高能物理、炸药爆轰参数测量等领域。

　　超高速摄影有超高速光电相机、转镜式超高速摄影等。转镜式高速摄影有较高的分辩力，转镜式高速摄影扫描系统的扫描速度可达0.375km/s~15km/s，系统分辩力可达80lp/mm，高速摄影分幅系统的摄影频率可达104fps~107fps，系统分辨力可达35lp/mm，可满足速度最高可达几十千米每秒的高速运动物体的测试需求。

　　转镜式超高速摄影系统是一个涉及光学、机械、电子等技术领域的复杂精密系统，主要由光学系统、机械系统和控制系统组成，这里主要对某项目中用到的转镜式超高速摄影系统的电路控制系统设计进行介绍。

　　超高速摄影电控系统设计

　　转镜式超高速摄影电路控制系统使高速摄影机各部分按程序工作，保证高速摄影机以500万帧/秒的速度准确可靠地高速拍摄。超高速摄影机电控系统是保证摄影机准确可靠工作、提供分析所需数据的指挥机构。控制系统性能的好坏是衡量高速摄影机质量的重要标志。

　　超高速摄影电路控制系统主要由控制箱、电源、计算机等组成。电控系统主要功能为：(1)快门开启和关闭的控制;(2)调整和控制转镜的旋转速度;(3)转镜旋转速度测量和指示;(4)引发脉冲光源;(5)安全保护功能，包括电机的过流保护、传感器断电保护等。超高速摄影电控系统工作流程示意如图1所示。

　　这里所设计的超高速摄影电控系统的单幅画面有效曝光时间为0.1微秒，为了充分利用这短暂的记录时间尽可能多地记录高速过程，以提供精确的分析数据，确保每次高速摄影均能取得需要的结果，控制系统必须精心设计。超高速摄影电控系统由上位控制计算机和下位控制电路组成，如图2所示。

　　上位控制计算机提供操作人员和控制系统的人机交互界面，操作人员可通过计算机软件界面方便地完成对控制系统设置、操作，在上位控制计算机软件界面上设定摄影频率等参数，随后将此参数通过RS-485接口发送给下位控制电路。下位控制电路主要由ATMega16L单片机及CPLD逻辑电路XC95288等电路组成，用于开启主控电源、电机电源、氙灯电源，开始摄影机的光路对接与调焦，而后启动拍摄。此后控制系统开始自动工作。电机开始带动转镜旋转;控制系统通过速度传感器实时取得转镜的转速;转镜速度上升到设定拍摄速度一半时，开启机械保护快门;转镜速度上升到预定的拍摄转速后，将保持转速并等待拍摄，同时给出一个触发脉冲去触发目标;目标发射后，将由外部测量系统给出准确的到达拍摄区域的时间(外来同步信号)，把这个外来的同步信号到来的时刻定为时间的零点，则外来同步信号也称为零时信号。根据此信号开启脉冲氙灯进行拍照。零时信号经过延时单元延迟相应时间后取得拍照时转镜的速度。拍摄完毕后延时单元输出的信号再经关门延迟单元延迟适当时间后去关闭机械快门，并控制电机停止。

　　单片机ATMega16L通过RS485通信接受计算机的指令并完成对其它各个分系统的实时控制。电机脉冲信号放大板将转镜转速测量板的信号放大并送给CPLD逻辑电路XC95288进行测速，并与转镜速度控制单元的测速值进行比较，用于判断是否达到设定的速度;脉冲氙灯控制器用于开启脉冲氙灯和引发目标信号，机械快门控制单元实现对摄影机的保护，外部触发及同步信号单元用来获取外部的同步信号，并根据到达拍摄区域的时间确定零时信号。系统各控制模块(除电机控制器外)和电源等都装配在控制机柜中，并通过电缆与对应的快门、电机、氙灯、传感器和液晶显示模块等连接起来。