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MV-D1024E是高速高动态的CMOS相机系列，采用CMOS主动像元技术，具有12位的采样分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下帧频能达到150帧／s，曝光时间由10μs～0．41 s，25 ns步进可调，采用Camera Link接口，用串行口对相机进行配置。相机时序由帧频FVAL、行频LVAL和数据帧DVAL控制，当它们同时为高电平时，在相机时钟PCLK上升沿时数据总路线上才有数据。在光斑中心提取算法中，采用较为实用的质心法，该算法计算简单，便于FPGA实现，因其抗噪声干扰能力较弱，当噪声增大时，光斑中心提取精度降低，则系统选取了灰度加权质心法来计算光斑中心。若目标区域为N×N，则质心的位置为：

式中：i，j为目标区中像元的横纵坐标；f(i，j)为像元的灰度值。质心法反映了目标的能量分布状况。该算法适用于类似于精跟踪系统接收视场小而光班范围相对较大的情况。
2．2 数据传输及通信接口部分
Camera Link用于相机和FPGA板间的数据交换，其传输率高达1 Gb／s，且抗噪较好，可以提供高分辨率和各种帧频的数字化数据，数据输出采用了LVDS格式，根据应用要求，其支持基本(Base)、中档(Medium)、全部(Full)等数字格式，该接口具有开放式的接口协议，兼容性好。它适用于CCD或CMOS等数字式相机与图像采集系统间的通信接口。
USB接口用于FPGA与PC机间的数据和指令的交换，其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用维护方便等优点，采用IEEE1394总路线协议，最高带宽可达到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。

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关键词： FPGA 激光 跟踪系统 无线通信