智能讀碼器鏡頭自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王正家，李 勇，邵明志，何 濤

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430068)

0 引言

在嵌入式設(shè)備領(lǐng)域，目前實(shí)現(xiàn)鏡頭對(duì)焦功能的方式主要有3種，手動(dòng)對(duì)焦、電動(dòng)馬達(dá)對(duì)焦和液態(tài)鏡頭對(duì)焦。手動(dòng)對(duì)焦在單反相機(jī)、工業(yè)相機(jī)上較常見(jiàn)，但需通過(guò)人工反復(fù)調(diào)焦，耗時(shí)長(zhǎng)，成像條件苛刻，不適用于需要快速變更焦距的場(chǎng)景，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍[1]；液態(tài)鏡頭也叫液態(tài)透鏡，精度高，響應(yīng)速度快，但市場(chǎng)上現(xiàn)有液態(tài)鏡頭產(chǎn)品價(jià)格高、控制方案復(fù)雜，智能讀碼器采用的鏡頭更多是小型化鏡頭(M12鏡頭)，非C接口或CS接口等標(biāo)準(zhǔn)接口鏡頭，而液態(tài)鏡頭對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)接口鏡頭兼容較少；電動(dòng)馬達(dá)對(duì)焦是嵌入式設(shè)備常用的對(duì)焦方式，多采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因其成本低、控制精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)得到大范圍應(yīng)用[2-3]。市場(chǎng)上智能讀碼器廠商中，日本廠商基恩士對(duì)電動(dòng)對(duì)焦方式的應(yīng)用較為豐富，國(guó)內(nèi)?？低旾D5000系列產(chǎn)品采用了電動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，但鏡頭模組尺寸較大，產(chǎn)品整體外觀觀感與體驗(yàn)上與國(guó)外產(chǎn)品例如SR-2000相比，存在一定差距。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)是電動(dòng)對(duì)焦方案效果優(yōu)劣的關(guān)鍵性技術(shù)，現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案多是基于STM32控制器所設(shè)計(jì)的，例如王秋云[4]、張婧[5]、藍(lán)杰[6]、劉媛媛[7]等的研究，但當(dāng)前智能讀碼器等圖像處理嵌入式設(shè)備更多是采用ARM平臺(tái)或者INTEL平臺(tái)等能夠搭載操作系統(tǒng)的芯片作為主處理器[8-9]，基于STM32控制器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案已很難適用，急需適用于讀碼器產(chǎn)品新的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案出現(xiàn)；伍艷雄[10]針對(duì)步進(jìn)電機(jī)失步和抖動(dòng)問(wèn)題，使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行解決，做了較詳細(xì)的仿真與測(cè)試，但最高細(xì)分?jǐn)?shù)只做到16細(xì)分，雖降低了電機(jī)失步問(wèn)題，但在微焦調(diào)節(jié)上，電機(jī)還需要更大的細(xì)分精度來(lái)確保不失步，同時(shí)使運(yùn)行更加平穩(wěn)與精確，噪聲更小；谷晨陽(yáng)[11]采用DSP平臺(tái)研究自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，在自動(dòng)對(duì)焦算法上做了較深入的研究和改進(jìn)，但由于硬件平臺(tái)差異，方案并不能適用于采用ARM或INTEL平臺(tái)的智能讀碼器等嵌入式設(shè)備。

綜上所述，為豐富國(guó)產(chǎn)讀碼器自動(dòng)對(duì)焦方案，解決現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案落后，幫助智能讀碼器實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，提出了新的智能讀碼器自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，本系統(tǒng)選擇IMXM-xx芯片作為主控平臺(tái)，選擇尺寸較小(31.1 mm×33.7 mm×18.4 mm)的國(guó)產(chǎn)底座作為鏡頭底座，國(guó)產(chǎn)MS419xx芯片作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)了硬件電路、LINUX系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)底層驅(qū)動(dòng)以及上位機(jī)與下位機(jī)消息交互方案。選擇6 mm焦距鏡頭、16 mm焦距鏡頭進(jìn)行實(shí)際對(duì)焦測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，能夠?qū)崿F(xiàn)適配不同焦距鏡頭、上位機(jī)自動(dòng)對(duì)焦及手動(dòng)微調(diào)焦距三大功能，自動(dòng)對(duì)焦成功率在99.6%以上，豐富了國(guó)產(chǎn)讀碼器的自動(dòng)對(duì)焦方案，降低了讀碼器自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的物理尺寸，便于國(guó)產(chǎn)智能讀碼器的小型化。

1 整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要組成有：

(1)IMXM-xx主控芯片，搭載經(jīng)過(guò)裁剪定制化后的LINUX系統(tǒng)，是智能讀碼器的控制核心；

(2)MS419xx，國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)SPI總線進(jìn)行參數(shù)配置后能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)256細(xì)分精度的超低噪聲的驅(qū)動(dòng)波形輸出，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；

(3)步進(jìn)電機(jī)對(duì)焦鏡頭模組，選擇國(guó)產(chǎn)小尺寸M12接口鏡頭底座，尺寸較SR2000鏡頭模組更小，有利于智能讀碼器的小型化設(shè)計(jì)；

(4)上位機(jī)軟件，自行開(kāi)發(fā)的智能讀碼器PC軟件，具有智能讀碼器參數(shù)配置、人機(jī)交互等功能；

(5)5V DC電源網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波網(wǎng)絡(luò)后的供電電源，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)的主要工作流程為：智能讀碼器上電→LINUX系統(tǒng)啟動(dòng)→系統(tǒng)加載步進(jìn)電機(jī)底層驅(qū)動(dòng)→對(duì)焦系統(tǒng)初始化、建立位置坐標(biāo)→監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)消息，收到對(duì)焦消息后開(kāi)始對(duì)焦，并與上位機(jī)進(jìn)行消息交互→系統(tǒng)完成對(duì)焦工作，準(zhǔn)備下一步工作。系統(tǒng)的工作流程示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程示意圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇國(guó)產(chǎn)MS419xx芯片作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該選擇的主要優(yōu)勢(shì)是：

(1)該芯片能夠通過(guò)電流細(xì)分的電壓驅(qū)動(dòng)方式以及扭矩紋波修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低噪聲的微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)精度高達(dá)256，在系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦以及人工微調(diào)焦的工作任務(wù)下都能保證運(yùn)動(dòng)精度和低噪聲；

(2)該芯片物理封裝尺寸小，有利于實(shí)現(xiàn)智能讀碼器PCB板的小型化設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證產(chǎn)品小型化；

(3)該芯片實(shí)現(xiàn)在智能讀碼器自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中，現(xiàn)有的研究并未包含此芯片，本系統(tǒng)提供了現(xiàn)實(shí)可行的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的整體方案。芯片的部分電氣性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MS419xx部分電氣性能參數(shù)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：

(1)電源的濾波與供給。電源分為模擬電源3.3 V、數(shù)字電源3.3 V以及直流電機(jī)電源5 V，各電源在由電源管理芯片(PMIC)給出，經(jīng)過(guò)傳輸線到達(dá)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)PCB板上，通過(guò)電容濾波網(wǎng)絡(luò)后供給MS419xx；

(2)SPI通信電路的設(shè)計(jì)。CPU通過(guò)SPI總線與MS419xx進(jìn)行參數(shù)配置，在CPU硬件資源中分出SPI1通信總線與MS419xx相連，信號(hào)分別命名為ECSPI1_SCLK、ECSPI1_CS、ECSPI1_MISO、ECSPI1_MOSI；

(3)VD_FZ信號(hào)的設(shè)計(jì)。VD_FZ信號(hào)決定著步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間與反射時(shí)間，硬件上CPU分配GPIO5_2與VD_FZ相連，由CPU輸出經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的脈沖波形來(lái)控制芯片的工作；

(4)芯片輸入時(shí)鐘的設(shè)計(jì)。使用27 MHz的有源時(shí)鐘作為芯片的時(shí)鐘輸入，有源晶振型號(hào)為OP3225xx-u，晶振輸出使用RC一階網(wǎng)絡(luò)形成低通濾波器，隔絕其他噪聲。

硬件詳細(xì)電路圖如圖3所示。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，本系統(tǒng)注意了MVCC電源信號(hào)的走線寬度，MVCC是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率電源，從散熱與載流雙方面因素考慮，使用合適寬度的銅皮代替了常規(guī)走線，充分保證了線路的載流能力，同時(shí)也加快了熱量的傳導(dǎo)；注意了時(shí)鐘的隔離設(shè)計(jì)，在晶振周圍敷上地銅，隔離其他噪聲，其他電源的噪聲隔離進(jìn)行了理論計(jì)算，使用了合適的電容網(wǎng)絡(luò)，布局方面盡可能地靠近芯片引腳處放置，保證了隔離效果；注意了PCB板的散熱設(shè)計(jì)，增加了板子厚度，優(yōu)化了器件布局及板層堆疊方案，保證在小尺寸PCB板的散熱。

圖3 硬件原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括LINUX系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)、對(duì)焦初始化以及上位機(jī)和下位機(jī)的消息交互設(shè)計(jì)。

3.1 驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)層所需要完成的工作有：

(1)MS419xx的復(fù)位；

(2)SPI總線通信，及寄存器讀寫接口開(kāi)放；

(3)VD口設(shè)置，給出實(shí)現(xiàn)一個(gè)激勵(lì)的接口；

(4)向應(yīng)用層開(kāi)放重要寄存器的設(shè)置接口，例如DT1延遲設(shè)置、AB通道DT2延遲設(shè)置、AB 通道電流占空比設(shè)置等接口；

(5)為實(shí)現(xiàn)位置坐標(biāo)建立，需向應(yīng)用層提供的接口包括 AB 通道最大總步數(shù)設(shè)置、AB 通道總步數(shù)設(shè)置等接口。

3.2 對(duì)焦功能初始化及接口中間層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)焦功能采用模塊化設(shè)計(jì)思路，對(duì)焦初始化由獨(dú)立程序完成，可根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，適配其他焦距的鏡頭，無(wú)需更改驅(qū)動(dòng)層代碼，顯著提高本系統(tǒng)對(duì)不同類型鏡頭的適配能力，降低調(diào)參的復(fù)雜度，實(shí)際應(yīng)用中極大地提高讀碼器工作效率。

對(duì)焦功能初始化實(shí)現(xiàn)包括步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)初始化以及建立坐標(biāo)系用以標(biāo)定調(diào)焦位置。將步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)配置到INI文件中，通過(guò)讀取此配置文件完成步進(jìn)電機(jī)參數(shù)初始化。驅(qū)動(dòng)層完成框架設(shè)計(jì)后，參數(shù)配置寫入INI文件，驅(qū)動(dòng)層讀取INI文件完成功能初始化。不同類型鏡頭只需更改INI文件配置，調(diào)整相關(guān)參數(shù)即可。驅(qū)動(dòng)層INI的示例如下所示，相應(yīng)參數(shù)說(shuō)明如表2所示。

#針對(duì)變倍和聚焦共同的設(shè)置參數(shù)

[all]

DT1_REG_VALUE=7683

#變倍

[ZOOM]

DT2_REG_VALUE=2

PPW_REG_VALUE=24672

STEP_SUM_MAX_VALUE=18000

WAIT_TIME=14000

INTCT_PSUM=15750

STEP_VALUE=50

STEP_SUM_DEFAULT=0

#聚焦

[FOCUS]

DT2_REG_VALUE=2

PPW_REG_VALUE=24672

STEP_SUM_MAX_VALUE=25056

WAIT_TIME=14000

STEP_VALUE=50

STEP_SUM_CHANGE=200

表2 INI文件參數(shù)說(shuō)明

芯片參數(shù)完成設(shè)置后，根據(jù)變倍和聚焦最大總步數(shù)和步數(shù)，產(chǎn)生足夠數(shù)目的VD讓變倍和聚焦位置移動(dòng)到鏡頭對(duì)焦行程極限處，將此位置標(biāo)定為0位置，向驅(qū)動(dòng)層設(shè)置變倍和聚焦的總步數(shù)為0，而后根據(jù)變倍默認(rèn)位置，將變倍位置從0移動(dòng)到此位置，完成視野標(biāo)定。

3.3 上位機(jī)與下位機(jī)消息交互程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，由4個(gè)軟件模塊完成鏡頭對(duì)焦，分別是NET、CTAL、COM以及VIDEO，其中NET模塊和COM模塊負(fù)責(zé)上下位機(jī)消息交互，CTAL模塊和VIDEO模塊負(fù)責(zé)下位機(jī)調(diào)焦功能。消息通信協(xié)議是基于JSON協(xié)議，采用“包頭+命令碼+包長(zhǎng)度+JSON格式”，包頭4 B，命令碼2 B，包長(zhǎng)度4 B，校驗(yàn)2 B。下位機(jī)收到消息后，開(kāi)始下位機(jī)模塊間消息交互和控制對(duì)焦過(guò)程。消息從上位機(jī)PC軟件傳到NET模塊,NET模塊設(shè)置調(diào)焦距離等信息后傳給CTAL模塊，CTAL模塊將調(diào)焦距離及微調(diào)焦距值等填充到VIDEO模塊結(jié)構(gòu)體實(shí)例中，發(fā)送相關(guān)消息，開(kāi)始對(duì)焦。消息反饋與回復(fù)隨各流程結(jié)束執(zhí)行。

VIDEO模塊完成初始化工作后，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)消息，收到CTAL模塊發(fā)送焦距調(diào)整的消息后進(jìn)行對(duì)焦工作，VIDEO模塊工作的流程圖如圖4所示。

圖4 VIDEO模塊對(duì)焦流程圖

4 測(cè)試

用搭載本系統(tǒng)的智能讀碼器作為測(cè)試設(shè)備，測(cè)試對(duì)象為不同尺寸的DM二維碼、QR碼、code128一維碼，其中測(cè)試使用的智能讀碼器鏡頭焦距及物理行程分別為：6 mm焦距，40～400 mm；16 mm焦距，94～265 mm。進(jìn)行多次人工測(cè)試，在鏡頭物理行程內(nèi)成功率99.6%以上，條碼識(shí)別失敗原因有：光源不均勻、超出鏡頭對(duì)焦物理行程等，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程見(jiàn)圖5、圖6。

表3 6 mm焦距鏡頭對(duì)焦功能測(cè)試表

表4 16 mm焦距鏡頭對(duì)焦功能測(cè)試表

圖5 智能讀碼器自動(dòng)對(duì)焦前示意圖

同時(shí)，本系統(tǒng)還進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。將搭載本系統(tǒng)的智能讀碼器與SR-1000做自動(dòng)對(duì)焦效果比對(duì)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明SR-1000自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)也有無(wú)法成功對(duì)焦的情況出現(xiàn)，雖然最終靠算法的模糊識(shí)別完成了條碼的識(shí)別任務(wù)，但從自動(dòng)對(duì)焦效果上看，并未達(dá)到良好效果，導(dǎo)致產(chǎn)品調(diào)用了復(fù)雜算法，降低了識(shí)別速度與準(zhǔn)確性；而同等條件下，本系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦功能對(duì)焦清晰，條碼識(shí)別快速，降低了算法的復(fù)雜度，提升了智能讀碼器整體性能。圖7、圖8所示為SR-1000與搭載了本系統(tǒng)的智能讀碼器在同等條件下的自動(dòng)對(duì)焦效果。由圖7可以看到，SR-1000沒(méi)有完全對(duì)焦，圖片模糊，而圖8顯示本系統(tǒng)對(duì)焦完全，條碼正常識(shí)別，圖片質(zhì)量較好。

圖7 SR-1000對(duì)焦效果圖

圖8 本系統(tǒng)對(duì)焦效果圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)并未對(duì)自動(dòng)對(duì)焦算法做出針對(duì)性改進(jìn)，而通過(guò)合理的硬件選型與驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)達(dá)到合適的效果，減輕了主控平臺(tái)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，豐富了本系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。測(cè)試結(jié)果表明，在讀碼器正常工作條件下，2種測(cè)試鏡頭自動(dòng)對(duì)焦成功率99.6%以上，自動(dòng)對(duì)焦效果優(yōu)于基恩士SR-1000產(chǎn)品。

本系統(tǒng)為基于ARM平臺(tái)的智能讀碼器提供了較為便捷可靠的鏡頭自動(dòng)對(duì)焦方案，主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)通過(guò)合適的硬件驅(qū)動(dòng)電路和軟件控制，使對(duì)焦系統(tǒng)細(xì)分精度達(dá)到256，保證了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)精度更高，噪聲更??；

(2)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，從軟件上實(shí)現(xiàn)了不同焦距鏡頭快速兼容功能，在不改變整體框架下，顯著增加了讀碼器的應(yīng)用場(chǎng)景；

(3)增加了人工手動(dòng)對(duì)焦功能，可在自動(dòng)對(duì)焦后進(jìn)行人工微調(diào)，保證了對(duì)焦效果的最優(yōu)化；

(4)通過(guò)產(chǎn)品對(duì)比測(cè)試，在某些場(chǎng)景下，本系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦效果較基恩士SR-1000更好，表明本系統(tǒng)整體的魯棒性和適應(yīng)性更強(qiáng)；

(5)鏡頭模組較SR-2000產(chǎn)品的鏡頭模組物理尺寸更小，能夠最大限度降低智能讀碼器的整體尺寸，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化，提高產(chǎn)品整體競(jìng)爭(zhēng)能力。綜上，本系統(tǒng)對(duì)提高讀碼器智能化，豐富國(guó)產(chǎn)讀碼器自動(dòng)對(duì)焦方案有一定的價(jià)值。