研究設(shè)計(jì)中利用光敏感器件對特定光波長范圍的光信號敏感原理，將四象限光電位置探測器與MSP430系列單片機(jī)相結(jié)合，根據(jù)四象限光電探測器輸出電壓與光斑位置的線性關(guān)系，通過數(shù)字PID閉環(huán)控制輸出電壓調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出PWM 的占空比來實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的搜尋和小范圍跟蹤目標(biāo)。

　　0 引言

　　光電跟蹤系統(tǒng)是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為基石，將光學(xué)技術(shù)、電子/微電子技術(shù)和精密機(jī)械技術(shù)等融為一體，形成具有特定跟蹤功能的裝置。

　　目前國內(nèi)外較先進(jìn)的光電跟蹤系統(tǒng)多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構(gòu)成。采用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)控制起來還不太靈敏。對于一個光電追蹤系統(tǒng)，一般通過目標(biāo)識別、位置信號檢測、位置信號處理、PID伺服控制計(jì)算、驅(qū)動控制、位置反饋、目標(biāo)不間斷跟蹤，完成特定跟蹤任務(wù)。而與之配套的目標(biāo)識別檢測處理與PID 伺服控制實(shí)現(xiàn)是非常重要的部分，是保證整個系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。

　　為更好地實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤伺服系統(tǒng)，本方案中使用MSP430 單片機(jī)完成對目標(biāo)定位跟蹤的PID 閉環(huán)控制，采用S066A 的國產(chǎn)四象限探測對目標(biāo)進(jìn)行識別跟蹤定位。MSP430 單片機(jī)是美國TI（德州儀器）公司近年推出的16 位高性能混合信號處理器。由于它具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、集成度高、外部設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。S066A 國產(chǎn)四象限探測器光譜響應(yīng)范圍在400~1 100 nm，它的峰值波長為940 nm，它具有較高的靈敏度和精確度，廣泛運(yùn)用于位置檢測，光學(xué)定位，距離探測等方面。

　　本研究方案的意義在于一方面對四象限探測器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣；另一方面探索一種新的機(jī)械對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。

　　1 總體設(shè)計(jì)方案

　　整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要由機(jī)械傳動設(shè)計(jì)和系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)兩部分組成。

　　機(jī)械部分中目標(biāo)實(shí)時(shí)位置信號發(fā)生源采用四象限探測器對目標(biāo)進(jìn)行定位，并輸出包含目標(biāo)位置信息的4 路電信號，電機(jī)傳動跟蹤定位則是根據(jù)四路位置信號來驅(qū)動探測器所在的定位面板對目標(biāo)進(jìn)行搜索和鎖定。機(jī)械部分將探測和定位集為一體，目標(biāo)可見即可識，電機(jī)與定位面板的傳動以角位移為變量進(jìn)行快速方便的傳動。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)部分中MSP430F169 片內(nèi)集成了多個功能模塊。

　　本設(shè)計(jì)利用其作為處理核心，其片內(nèi)A/D模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。一方面Timer 對時(shí)鐘進(jìn)行分頻從而提高時(shí)鐘頻率，使A/D獲得更快的采樣率或轉(zhuǎn)換速度，以保證A/D 轉(zhuǎn)換的精度；另一方面Timer的輸出端單元可作為PWM信號發(fā)生器根據(jù)片內(nèi)編程進(jìn)行PID 高速運(yùn)算處理所得結(jié)果產(chǎn)生PWM 輸出控制信號，設(shè)置簡單方便簡化了電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。接收前端的位置信號使用低偏置，高精密度放大器對信號進(jìn)行調(diào)整，利用濾波器對位置信號進(jìn)行優(yōu)化，以滿足更好的精度和定位要求。在控制信號輸出端采用現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動芯片確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。基于總體設(shè)計(jì)方案，本文將其劃分為4個不同但又彼此相互作用的4個方面來實(shí)現(xiàn)該研究。具體包括硬件電路設(shè)計(jì)、機(jī)械模擬模型設(shè)計(jì)、PID算法設(shè)計(jì)以及軟件編程。