数码相机的镜头控制模块设计摘要镜头的控制模块是数码相机的一个重要部分，其功能直接影响数码相机成像的质量。本文阐述了数码相机镜头控制模块主要功能的算法设计；着重介绍了镜头变焦和对焦的原理和实现，以及镜头变焦与对焦的调整。然后讨论了通过控制和调整快门速度、光圈，使CCD能够接收到亮度合适景物的原理和方法；并通过C语言实现了上述镜头控制功能；最后在数码相机的硬件环境中对光学变焦、自动对焦、多段光圈、快门的功能进行了测试。实践证明，该模块设计达到了理想的效果。关键词：直流马达；步进马达；变焦；快门；光圈Design of Digital Camera Lens Control ModuleAbstractThe lens control module of digital camera is an important part of its function which directly affects digital camera image quality. The algorithm design of digital camera function-control-module is described in the paper; Highlights of the zoom lens and focusing theory in this paper. And implementation of zoom lens and focusing adjustments is also very important, and discussed the principles and methods of rectification by controlling the shutter speed, aperture, and making CCD to receive appropriate brightness of the features. These functions are realized by C language. Finally optical zoom, auto-focus, multi-aperture, shutter function are tested in the environment of digital camera hardware. Practice has proved that the module design achieved the desired results. Key words: DC motor; stepper motor; zoom; shutter; aperture 目 录论文总页数：39页1 引言51.1课题背景和意义51.2本课题的设计方法52镜头控制模块设计62.1镜头的变焦62.1.1直流马达对变焦的控制62.1.2 镜头变焦的设计72.1.3 镜头变焦的初始化82.1.4 镜头变焦的调整122.2镜头的对焦142.2.1步进马达对对焦的控制142.2.2镜头对焦的设计152.2.3镜头对焦的初始化162.2.4镜头对焦的调整172.3镜头的快门192.3.1镜头快门的控制192.3.2镜头快门的调整202.4镜头的光圈242.4.1镜头光圈的控制242.4.2镜头光圈的初始化252.4.3 镜头光圈的调整25结 论27参考文献28致 谢29声 明30附 件31一、相关波形31二、相关算法361 引言1.1课题背景和意义数码摄像设备在现代社会有着广泛的应用，数码相机以操作简单，携带方便和摄影图像质量高等优点成为用户的首选；镜头控制作为数码相机成像系统的核心部件有重要的研究价值；镜头的好坏一直是影响成像质量的关键因素，配合当前数码相机小型化趋势，镜头也越做越小，要求精度越来越高；又因为商业竞争如此严峻，厂家需要用最低的成本造出性能最好的数码相机上面的镜头系统，因此要求在一定的软件平台上设计出一套算法，利用厂家提供的DSP来设计解决数码相机镜头系统中的变焦、对焦、多段光圈以及快门的动作，以及设计检测软件来调整各部分；在照相时候的一些动作使得用户方便使用数码相机。本课题就是要完成镜头变焦、对焦、多段光圈以及快门各个部分的动作。首先要设计好算法使各部分能够正常工作，但是因为每一部数码相机由于物理原因，机台之间具有差异；要使所拍摄的照片有一致性既需要有完善的检测手段，以取消单体镜头差异，使编写的软件适用于所有数码相机。 1.2本课题的设计方法镜头由四部分组成，分别为镜头的变焦、镜头的精确对焦、镜头的多段光圈的动作、镜头的快门。需要通过调整镜头的各个部分让它们做一些有规律的移动来获得拍照所需要的精确焦距、曝光时间、曝光量等。就可以把不同距离和不同环境的景物清晰的表现出来。因此本文详细阐述数码相机镜头系统模块中的镜头的控制工作原理，镜头系统模块的设计算法，介绍了镜头系统中的马达，以及马达控制镜头系统的变焦、对焦、多段光圈和快门的动作以及镜头系统中的检测调整原理和实现。通过测试数据分析镜头驱动，并采用C语言实现了镜头驱动软件的设计，最后完成了一套完整的镜头自动化测试算法。2镜头控制模块设计 2.1镜头的变焦2.1.1直流马达对变焦的控制马达主要功能控制镜头外圈的齿轮转动改变镜头群位置：当改变群之间的光学间距，即可改变镜头之组合焦长。本文通过直流马达来控制ZOOM的位置,实现镜头的变焦功能。在控制镜头的变焦过程中，用直流马达来控制镜头的伸缩达到变焦的效果；直流马达是在直流电流控制下连续转动来带动齿轮转动，其速度比较高，不容易控制，存在着OverRun的问题，跑动的位置计算相对不精确，但是控制镜头的变焦是足够的。其速度正比于供应电压。马达是用来接收CPU驱动信号，执行CPU命令，来控制镜头的变焦动作；在硬件部分中，马达要有一个驱动芯片来驱动马达。 图中ZOMTA，ZOMTB，ZPRCA以及ZPICA四个信号通过驱动芯片控制着镜头的变焦。如图1所示MOTORDRIVERLENS_CSLENS_SCLKLENS_SDATZMOTBZMOTAZPRCASHMOTBSHMOTASHBSHAIN2BIN2AIN1BIN1AZPICAFPICAFMOTA1,FMOTB1FMOTA2,FMOTB2FMOTA1,2FMOTB1,2ISMOT1,2ISMOT3,4图1 马达的驱动芯片驱动芯片连接着马达，其控制的信号: Z+，Z-，ZPRCA，ZPICA；反馈信号: ZPIEM，ZPREM。本文阐述设计其工作要求镜头正转时ZPRCA，ZPICA 两个矢能信号有效，Z+信号为高电平，Z-信号为低电平；到达位置时Z+，Z-都为低电平；但是由于马达的惯性要多跑出几步，由于ZPICA矢能信号有效所以多跑的几步要通过反馈信号记录下来，即多跑的步数（OverRun）计算出来，保证下次要跑固定的步数时，实际要镜头跑的步数比设计要跑的步数少跑OverRun的步数； 图2示为镜头伸缩的各个信号的电平变化图Z+Z-ForWardBackWardZPI图2 马达控制变焦信号图下表为马达驱动芯片的引脚名称以及作用：表1 马达驱动芯片的引脚名称以及作用引脚名称specificaionREMARK1ZPICAZoom pulse PI cathodeMOTOR FPC;ZM Interrupter2ZPIEMZoom pulse PI emitterMOTOR FPC;ZM Interrupter4ZM+Zoom motorMOTOR FPC;ZM Interrupter5ZM-Zoom motorMOTOR FPC;ZM Interrupter14ZPREMZoom position PR emitterLENS FPC;Zoom motor15ZPRCAZoom position PR cathodeLENS FPC;Zoom motor2.1.2 镜头变焦的设计数码相机的镜头变焦设计即设计镜头的伸缩，来达到镜头的变焦；变焦的主要功能是改变视角的范围，通过定位ZOOM的不同位置来实现最佳的拍摄效果。开机后，镜头自动跑一定的步数，即WIDE段，然后按键T后镜头继续伸出，一直按到镜头到达TELE段，其中从WIDE段到TELE段共有11段；即也可以按一下T键，镜头向外跑一段，即有固定的步数；按W键，镜头回缩到WIDE段停下；图2.3为镜头的规格其中为提高控制变焦的精确度，在ZOOM的某一特定的位置上设置了HOME POSITION点，定义一个RESET点，如图3；这一初始点是信号高低电平转换点既PR；PR即为光反射器，固定在镜头的镜头上方，并且在ZOOM的转动机构上有一条白色的金属，这金属片的位置就是用来定义HP（HOME POSITION）的位置，也就是说，当镜头的ZOOM从CLOSE POSITION到HP位置通过PI的计数走了182PI后金属片就经过PR，这时侯PR的输出信号为高。当相机从TELE段到WIDE段时，这时侯为了更精确的控制，我们先让ZOOM回到HP位置再从HP位置回到WIDE位置，就是为了初始ZOOM COUNTER的数值，这样是为了保证镜头每次从TELE到WIDE时的误差不发散。如果不设定PR信号，即没有HP点，这样多次从WIDE到TELE段，从TELE返回WIDE，由于存在BackRush和OverRun，这样就会产生很大的误差，失步也很多，就会导致镜头卡死；因此在过程控制的时侯需要定义相对应的初始点。设计的程序是通过驱动芯片的PR输出信号的变化来确定PR的位置。图3 镜头规格图由于Zoom都是靠直流马达来驱动的，且马达的转速不是精确可控的，因此我们不用通过直流马达转了多少时间来定位ZOOM的位置，而是通过ZOOM本身提供的PI信号来定位，通过计量PI 的步数个数来确定，而计数的基准就是通过PR来确定的。PI是指Photo Interrupter,称为光擦断器。ZOOM所走的步数是通过PI来计数的，通过计算PI的Pulse来定义ZOOM的位置，如上面的镜头的ZOOM从Close Position 到HP位置所需要的步数为182Pulse。PI实现计数是在齿轮转动的时候，带动镜头里头风扇的转动，风扇的叶片转动的时候，当一束光线射到叶片上时，光线被挡住，当叶片转动到光线穿过叶片之间的空隙时，这时PI的输出信号发生变化，实现一个步数的计数。PI接到DSP外部中断上，PI每送一个步数，都会触发一个中断，在中断相应函数中判断当前Zoom的位置。2.1.3 镜头变焦的初始化镜头在变焦过程中开机时由于定位不准，检查上次关机后是否正常；如果上次关机没有正常关机，是以外断电或是别的什么原因，要不给镜头开机时候的初始化可能导致镜头按照程序设计开机跑多少步被卡死；为了能够确保镜头马达带动镜头转动时不被卡死，这样开机的时候有必要要做初始化动作，以及程序设计还要做镜头变焦的初始化动作：下面的是开机是的初始化和镜头的变焦时序图，变焦初始化流程图：zone1zone2TeleWideZoom pulses1822242953403663924184444704965155615740-