摘要：主要介绍了基于数字信号处理器的扫描式摄影点阵控制系统的设计，给出了该点阵系统在光学电子测量设备数据记录系统中的应用，以及利用通用异步收发器TL16C554扩展四路串行通道的方法。通过实验证明了该系统设计的实用性。
关键词：数字信号处理器；通用异步收发器；扫描；摄影点阵；电平转换

0　引言

摄影点阵控制系统，是光学电子测量设备中摄影系统的一个小系统，它是根据摄影频率将飞行目标的信息显示在发光二极管阵列上，然后通过光学系统传送到胶片上，使得胶片适度曝光，从而完成信息的记录。

较早的摄影点阵控制系统包括显示放大器、发光二极管阵列和控制面板，控制电路的元器件较多，具有电路复杂，功耗较大，体积大，配线量大和维修不方便等缺点。每一位信息对应一个发光二极管和驱动电路。随着集成电路技术的发展，点阵系统通过单片机实现了控制电路设计，比较好地解决了传统摄影点阵系统的部分弊端。随着通信速率提高、信息量增多，以及功能增加，使用单片机已经跟不上实际需要。本文提出了一种基于数字信号处理器TMS320LF2407的小型扫描式摄影点阵系统设计方案，借鉴以往点阵控制系统的优点，又完善并增加了一些功能：故障检测、扫描显示、奇偶校验等功能，具有体积小、功耗低、实时性强和便于判读等特点。

1　系统硬件设计与工作原理

1.1　系统硬件组成

扫描式摄影点阵控制系统的原理框图如图1所示。该点阵系统的核心是DSP，外围电路主要由RS-422接口电路，异步收发器，电流检测器，场效应管开关电路，锁存器和驱动器，以及一些逻辑器件组成。

1.2　系统主控及通信电路设计

基金项目：中科院二期创新项目（C04708Z）

如图1所示，选择TI公司生产的数字信号处理器TMS320LF2407作为扫描式摄影点阵系统的主处理器。LF2407将实时处理能力和控制器外设功能集成于一体、低成本、低功耗、执行速度快等特点使其得到广泛的应用，30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns,具有较强的实时处理能力。由于外围电路的供电电压为5V，而LF2407的为3.3V，所以需要进行电平转换，在该设计中只是在点阵驱动电路上加了总线驱动芯片74LS245来驱动点阵。

利用TI公司的通用异步串行收发器TL16C554扩展了四路串行通道，负责接收其他系统传来的信息。TL16C554串行通信波特率最高为1Mb/s，有四个串行通道，每个通道都有16字节的FIFO，可以设置触发级别，从而减少LF2407响应中断的次数，提高了LF2407的效率。TL16C554与LF2407的连接如图1所示。

图1 系统原理框图

1.3　其他部分电路设计

RS-422定义了一种平衡通信接口，最大传输距离为1千米，最大传输速率为10Mb/s。摄影脉冲和秒信号通过RS-422接口后，直接连接到LF2407的IOPE[5..4]上，并且又经过一个或门4071输出后接到了LF2407的XINT2上。电流检测芯片MAX471的反馈脚接到了LF2407的IOPB4上，且又通过场效应开关为点阵提供电源。四个场效应开关MOS管的四个控制极接到了LF2407的IOPB[3..0]上。

1.4　硬件地址分配

点阵系统的片选信号由3-8译码器74LS138产生的，如图1硬件连接所示，分配给TL16C554的四路串行通道寄存器的地址分别为：0000H～0007H，0010H～0017H，0020H～0027H，0030H～0037H。四个74LS245和四个74LS273组成了驱动锁存器，74LS245被接成单方向输出方式，3-8译码器输出的信号经反相器74LS04输出后作为74LS273的输出控制信号。驱动锁存器被分成两组，输入引脚接到LF2407的数据线D[15..0]上，输出引脚接到发光二极管阵列上，两组驱动锁存器的地址分别为0040H和0050H。

1.5　系统工作原理

    如图1所示，外界系统传向点阵的信息主要有数据通信、编码信息、距离信息和附加信息，异步收发器TL16C554负责接收这四路信息。当有信息到来并且达到了设定的触发级别，TL16C554在其INT[D..A]上产生中断信号，经过或门后会在LF2407的XINT2引脚上产生中断信号，通知LF2407接收数据，LF2407再通过查询IOPE[3..0]来判断具体是哪一路数据到来,然后接收该路数据。摄影脉冲信号和秒信号提供时间基准，当摄影脉冲或者秒信号到来时，在LF2407的XINT2脚产生一个中断信号，通知LF2407进行中断处理，LF2407通过查询IOPE[5..4]判断到底是哪个信号到来,然后再去做相应的处理。当摄影脉冲到来后，LF2407将接收到的数据处理好，在摄影机停片时间内，通过控制驱动锁存器和MOS开关管，及时地分组扫描点阵，将信息通过发光二极管显示出来，最后再通过光路系统将信息传送到胶片上，使胶片适度曝光，完成数据信息的记录。

    系统的故障检测功能主要是通过电流检测芯片MAX471来实现的，同时它还向点阵提供电源。MAX471可通过一个输出电阻将电流输出转化为对地电压输出，输出信号接在了LF2407的IOPB4上。当点亮一个灯时，系统通过查询IOPB4的状态可知该灯是否有故障，若有故障，点阵控制系统通过数据通信端口回送给主机故障灯的位置。为了使记录数据信息准确，该点阵系统用一组发光二极管实现了奇偶校验功能。

由发光二极管组成的点阵根据记录数据的不同，点阵格式也各不相同，例如：6×22、5×24等。该设计的点阵格式为5×24，即：5行24列，共由120个发光二极管组成。采用分组扫描方式点灯，可将点阵分成四组灯，每组32位，分别由四个场效应管做开关进行控制。通过设置LF2407的IOPB[3..0]控制MOS开关，一次开关操作可显示32位数据信息，四次总共可扫描到128位信息，多出的8位在此设计中没有用到。以一个MOS管开关为例，当设置IOPB0为低电平时，MOS管开启，点亮32个灯；当设置IOPB0为高电平时，MOS管关闭，从而关闭32个灯。　

　　　　　　　　　 图2 扫描显示时序图

在实验测试中，当摄影频率为200Hz时，在一次胶片曝光期间点亮四组灯，实际测量MOS开关输出端的电压波形如图2所示。其中发光二极管的显示时间可通过软件设置进行调整。当曝光量不足时，可适当增加点灯延时；反之则减少点灯延时。由于LF2407的处理速度较快，当摄影频率为200Hz时，点灯显示时间最高可达0.2ms。

2　软件设计

    软件的编写是在TI公司提供的DSP集成开发环境CCS (Code Composer Studio ) 下，用C语言实现的。LF2407的指令周期短，执行速度快，用C语言进行软件设计，可以满足系统的实时性要求。此外，C语言可以更好地维护程序和移植程序。LF2407片内具有32K字的FLASH（闪速存储器）和2.5K字的数据/程序RAM，有足够的空间存放程序。

    点阵系统的主程序流程图如图3所示。软件设计采用模块化设计，主要包括程初始化模块，自检模块，外部中断模块，全亮全灭模块，通信模块，奇偶校验模块以及数据转换处理等其他模块。上电后，系统先运行初始化子程序，设定LF2407的工作环境和TL16C554的通信格式；接着系统开始执行自检子程序，检查点阵是否存在故障；自检过后，系统接收命令字；命令字若没有牵动信息，则系统继续接收命令字，处于等待状态；经判断摄影牵动信息到来，然后再判断命令字中的工作状态，根据命令字进行全亮、全暗和正常工作；正常工作时，系统先将接收到的数据按照一定的格式处理好，当摄影脉冲的到来后，系统及时将数据送往点阵上进行扫描显示。 

                                  　　　　　　　   图3主程序流程图

此处给出TL16C554的一个串行口初始化过程，其他串行口的初始化与此类似，只是通信数据格式不同。TL16C554外接有源晶体震荡器14.7456MHz，按照硬件电路设计给它的四个串口分配的地址，对串行端口D的初始化程序如下：

void InitTL16C554_D(void)  //初始化TL16C554端口D；

{

port0033=0x80;            //设置LCR的Bit7为“1”来允许设置波特率寄存器DLL、DLM；

port0030=0x02;            //设置DLL；

port0031=0x00;            //设置DLL、DLM设定数据通信波特率；

port0032=0x47;            //设置FCR设定中断触发级别为4，使能FIFO；

port0033=0x03;            //设置LCR的Bit7为“0”来允许设置IER，并设置通信格式；

port0034=0x08;            //设置MCR使能串口接收中断；

port0031=0x01;            //设置IER开启接收中断，初始化完毕。

}

3　软硬件设计要点

使用LF2407进行硬件设计，节省了电路板空间，可将电路板做得很小，更易于实际应用。LF2407的工作频率能够在外频的基础上进行倍频，从而它能工作在一个较高的频率上，执行指令速度快，使得整个系统有很好的实时性。

在设计电路时，应特别注意复位电路的设计。为使点阵系统能在工作异常的情况下复位，该系统使用了LF2407自带的看门狗。可以通过软件程序设置是否使用看门狗，若使用看门狗，就应及时在程序中清除看门狗计数器。实验结果表明，用LF2407自带的看门狗能很好地工作。另外，在进行软件编写时，适当加上防干扰措施也是非常必要的，在实际调试与工作过程中经常会遇到一些干扰信息，加上防干扰措施能使调试更顺利，系统运行更稳定。

4　实验结果及结论

　　通过实验测得：扫描式摄影点阵系统串行通信波特率达到了460.8Kb/s，满足实际需求，还可提高到1Mb/s；当摄影频率为200Hz时，每组灯显示时间在50μs~200μs范围内，系统能正常工作；当摄影频率提高到250Hz时，显示时间在50μs~130μs范围内，系统能正常工作；当摄影频率低于200Hz时，点阵系统的点灯时间更加宽裕，可根据实际需要调整。

扫描式摄影点阵控制系统很好地实现了故障检测、扫描显示、奇偶校验等功能，能够使发光二极管正确曝光，可以根据不同的点阵格式改变发光二极管的布局，而不用改变点阵控制板，并且可通过上位机软件设定其工作参数及工作状态。该系统在实验中长时间工作稳定，即将被应用到光学电子测量设备中。

参考文献：

[1] 刘和平等编著．TMS320LF240x DSP C语言开发应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2003,1.　

[2] 翟百臣，吴志勇，杨华．扫描式摄影点阵控制技术及其应用［J］．吉林工学院学报(自然科学版)，2002,23(4)：24-27.

[3] 潘震，刘忠菁．TMS320LF2407芯片在EAS中的应用［J］．微计算机信息（测控仪表自动化），2003,9：79-80.　

[4] Texas Instruments Incorporated. TL16C554 Datasheet http://www.ti.com 1994, 01.