光路偏转控制部分 - 基于FPGA的精跟踪系统设计

　　2．3 光路偏转控制部分

　　光路偏转控制系统以高速转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜构成，采用的16位双通道高速数模转换芯片DAC712P，电压输出时间小于10μs，其输出电压直接用于双通道PZT控制器的输入。PZT控制器选用德国PI公司的E-503 PZT控制功率放大器，输入电压范围为0～10 V，输出电压范围为0～100V，其电压频率响应曲线如图2所示。PZT振镜选用了德国PI公司的S-330，该PZT振镜采用压电陶瓷驱动，频率响应度高且具有极高的定位精度。

 

　　跟踪控制算法采用PID控制算法，该算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，而在实时控制系统中常用增量式PID控制算法，其公式为：

 

　　式中：△u(k)为输出的控制量。q0=KP，q1=KP·(TS／TI)，q2=KP·(TD／TS)分别为比较项、积分项和差分项的系数，TS为采样时间，对于不同的控制系统，TS各不相同，要根据实际调试经验来确定。

　　3 软件部分设计

　　此部分包含了上位机和下位机软件设计，下位机FPGA采用由Altera公司的集成开发环境QuartusⅡ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE进行开发，采用Verilog HDL语言进行编写，上位机使用Microsoft公司的VC++6．0软件工具进行开发。QuartusⅡ通过JTAG对FPGA进行调试、配置下载，VC应用程序通过USB接口与CMOS相机控制电路板、图像处理电路板进行连接通信。整个系统流程图如图3所示。

4 试验结果及分析

    图4为精跟踪系统评价曲线图，此实验数据由相距16 km的外场激光无线通信时，使用APT系统得到的，图4(a)为未加入精跟踪时信标光斑在精跟踪接收视场内的坐标曲线，图4(b)为加入精跟踪后的坐标曲线，由两图对比可知，加入精跟踪后，光斑比较稳定，集中度较好，将集中效率提高了70％左右，跟踪精度为5～25μrad，由外场激光通信效果来看，明显降低了通信误码率，减弱了因大气湍流和通信平台的震动而引起的信标光斑抖动时对通信造成的影响。但是，系统对平台抖动剧烈时跟踪效果不很理想，跟踪精度还不够。

 

    系统由基于FPGA的硬件平台实现，降低了对PC机的依赖性，为低功耗便携式平台提供了参考。还待加强的问题有：提高光斑定位精度，缩短信标光斑定位、跟踪算法时间开销，改进跟踪算法提高鲁棒性和提高系统的跟踪精度。