（光学工程专业论文）ek200全自动单反相机硬件实现技术研究.pdf

摘要 摄影术的发展得益于照相机的发展，从技术上来说，单镜头反光相机使胶片照相 机技术发展到了巅峰。本课题要研究的就是一款带自动测光、自动卷片、自动曝光功 能的全自动单反相机。 论文首先介绍了课题的背景。单反相机在国内外的发展状况，本课题要解决的问 题和要达成的目标；其次，详细介绍了照相机自动曝光的数学、物理模型( a p e x 自 动曝光方程) ，照相机硬件的系统构成、功能和规格；再次，详细描述了核心部件一 一单片机的选用，单片机的性能、结构、接口，以及低能耗电源系统的实现，测光方 式和测光模式的介绍，自动测光芯片的选用及硬件实现，自动卷片芯片的选用，液晶 显示的内容，数据存储器的原理及应用等：最后，给出样机的测试结果，并对本课题 进行了总结，提出了系统的改进方向。 关键词：单反相机胶片相机曝光方程单片机嵌入式系统 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp h o t o g r a p h yb e n e f i t e d t h ed e v e l o p m e n to f c a m e r a t e c h n o l o g i c a l l y , s l r ( s i n g l el e n sr e f l e x ) c a m e r am a d et h e t e c h n o l o g yo ff i l mc a n l e r ar e a c has u m m i t t h es u b j e c tf o rs t u d yi sak i n do f a u t o m a t i cs l rc a m e r aw i t ha u t o s e n s i n g ，a u t o - w i n d i n g ，a n da u t o e x p o s u r e f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do fs u b j e c t , t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fs l r i n d o m e s t i ca n da b r o a d ，t h ep r o b l e mt os o l v ea n dt h ea i mt or e a c ha r ei n t r o d u c e d i nt h et h e s i s s e c o n d l t h em o d e lo fe ) 【p o 鲫r e 曲ea p e x ( a d d i t i v es y s t e mo f p h o t o g r a p h i ce x p o s u r e , sb u i l tm a t h e m a t i c a l l yi n d e t a i l t h eh a r d w a r e s ， f u n c t i o n sa n ds p e c i f i c a t i o n so f as l rc a m e r aa r ed e s c r i b e d t h i r d l y , t h ec h o i c eo fc p u ，f e a t u r e s ，c o n f i g u r a t i o n sa n di n t e r f a c e s o f h 8 3 8 0 2 4 ，t h er e a l i z a t i o no fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l i g h ts e n s ep a t t e r n sa n d l i g h t s e n s em o d e s ，t h er e a l i z a t i o no fa u t o s e n s i n g ，t h ep a r e r n so f a u t o - e x p o s u r e ，t h er e a l i z a t i o no fa u t o - w i n d i n g ，t h ed i s p l a yc o n t e n t so fl c d , a n dt h eu s eo f l 2 ca r ed e t a i l e d l yd e s c r i b e d f i n a l l y , r e s u l t so fs a m p l et e s ta r ep r o v i d e d ，t h es u b j e c ti ss u m m a r i z e da n d a ne x c e p t i o nt oi m p r o v et h es y s t e mo fs l ri so v e n k e y w o r d ：s l r f i l mc a m e r aa p e xm c ue m b e d d e d - s y s t e m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：凇讲年| f 月以日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：狐鳢 。6 年。闶日 工程硕士学位论文 e x 2 0 0 全自动单反相机硬件实现技术研究 l 绪论 1 1 概述 摄影，不仅被广泛地应用于国民经济中的各个领域，而且已经成为广大人民现代 文明生活中的不可或缺的重要组成部分。 照相机是用于摄影的光学器械。被摄景物反射出的光线通过照相镜头( 摄景物镜) 和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理 ( 即显影、定影) 构成永久性的影像，这种技术称为摄影术。 从2 0 世纪6 0 年代至今，是相机快速发展的阶段，其特点是照相机进入了光学、精 密机械、电子技术相结合的时代。具体体现在以下两个方面： 一、光学传递函数理论进入光学设计领域，出现了成像质量高、色彩还原好、大 孔径、低畸形的摄影镜头；多层镀膜得到应用；变焦镜头成像质量提高：非球面得到 发展；摄影镜头由几毫米的鱼眼镜头到2 0 0 0 毫米的超远镜头，构成了庞大的镜头群， 还出现了一系列特殊效果的镜头。 二、由于技术深入到照相机内部，出现了全开光圈下进行t t l 测光的单镜头反光 相机；出现了高精度的电子快门、电子自拍机，可实现多种自动曝光功能；到1 9 7 7 年，具有自动调焦功能的相机出现，短时间内就得到大量的应用。 摄影术发展到今天，已在社会生活各个领域得到广泛应用，也成为了现代人必须 具备的一个基本技能。 9 0 年代以来，摄影技术的发展主要表现在不断开发相机的新功能以及不断有新 型相机问世。现代相机是微电子技术、光学技术、计算机技术以及人工智能技术的结 合物，在结构、功能、性能等方面都发生了翻天覆地的变化。全自动单反相机的功能 更是日趋多元化，能更大限度地满足人们的需求，主要功能，如：自动曝光、自动测 光、自动聚焦、多功能变焦、先进的闪光功能、自动识码功能、记忆功能、信息列印 功能、全天候功能、防震功能、个人风格功能、信息显示功能、一机多用功能，还有 只在少数相机中出现的特别功能，如：摇头调幅功能、声控曝光功能、发生警报功能、 银屏拍摄功能。全自动相机的性能也在不断完善，如曝光调节范围更广，镜头成像质 量不断提高，闪光灯应用范围更广圆。 1 2 国内外发展状况 1 2 1 国外发展史 单反相机的起源在德国。1 9 3 6 年德国的德累斯顿( d r e s d e n ) 研制出了世界上第 一台1 3 5 单镜头反光照相机一爱克山克塔( k i n e e x a k t a ) 。其预示着单反相机时代 的到来。 上世纪前半叶，德国生产的照相机一直以结构合理，加工精良，质量可靠而闻名 于世。在世界上享有极高的声誉。这期间主要以手动相机为主，随着微电子技术的发 工程硕士学位论文 展，相机许多手动功能逐渐被自动技术代替，真正意义上的全自动单反照相机，是采 用大规模集成电路准确地完成自动曝光和动用微型马达完成自动对焦功能。这些功能 的实现是照相机发展史上一次巨大的飞跃。其曝光方式大多采用软件进行程序控制各 种曝光参数，在按下快门的瞬间，测光系统会根据被摄体的光照情况，自动根据曝光 方程选出一个合适的光圈或快门值，准确地完成自动曝光。 单反相机的发展在日本。1 9 8 1 年，日本旭光学工业公司推出世界上第一台自动 调焦的单反相机宾得( p e n t a x ) 衄一f 型后，美能达公司又于1 9 8 5 年生产出世界 上第一台由机身内置马达控制的，集自动聚焦功能、多模式自动曝光功能、手动曝光 功能、电动自动输片功能等于一体的a - 7 0 0 0 型相机。1 9 8 6 年q - 9 0 0 0 相机又实现 了自动包围曝光功能，从而拉开了现代a f 照相机的生产序幕。1 9 8 9 年，佳能公司在 e o s 一1 型相机的配套镜头上安装了超声波马达，实现了低噪声、快速并具有预测自动 调焦功能。2 0 世纪9 0 年代初，佳能公司又率先研制成功“眼控对焦”，并用于相机 上。下面就以佳能e o s 5 0 0 n 为例来说明，佳能e o s 5 0 0 n 功能繁多，操作极为方便，是 佳能e o s 普及型单反机中的佼佼者。它共有1 1 种不同的拍摄模式，能实现多达9 次 的多重曝光，在程序p 模式下，曝光量还能根据拍摄者的需要进行偏移；能进行范围 为2 e v ，以0 5 e v 为变量的自动包围曝光摄影；根据需要，可进行局部测光和曝光 锁定及曝光补偿；相机的自动对焦系统能根据被摄体是否运动而进行单次a f 或连续 a f 的自动识别，并可进行动态预测；具有三个自动对焦区，摄影者可根据需要，选 择其中的一个( 在取景屏中，分左、中、右排列) 或全部，以保证拍摄主体不在画面 中央时的对焦精度。马达输片、自动倒片、内藏闪光灯、防红眼闪光、自动对焦辅助 发光、自拍、中途倒片、d x 编码胶卷自动识别、手动设定i s o 胶卷感光度、遥控拍 摄及日期打印等功能更是应有尽有口儿州”。 1 2 2 国内相机工业发展及现状 国内照相机产业的发展，经历了从起步、发展、鼎盛、到目前的逐渐退出，不断 萎缩的过程。中国的照相机工业起步于1 9 5 6 年，至五十年代未，照相机生产已初成 气候，全年产量达1 0 万架。在六十年代初上海照相机厂仿制成功日本“美能达”s r - - 2 型3 5 毫米焦平面快门单镜头反光照相机( 即后来的海鸥d f 照相机) ，全国照相 机生产量继续攀升。以后，中国的照相机生产经历了十年徘徊。七十年代末，中国的 照相机产品进入更新换代阶段，电子化、自动化的技术逐步进入中国照相机产品领域 中。至1 9 8 3 年，国内相机生产厂( 包括兼产厂) 共3 4 家，中国的照相机生产扶摇直上， 产量迅速上升。到1 9 8 5 年产量达1 8 0 万架。八十年代中期，是中国照相机史上的黄 金时代，在这段时期，由于国家长期处于计划经济下，国内商品紧缺，相机市场长时 间处于卖方市场，相机供不应求，各相机厂呈现出一派欣欣向荣的景象。各相机厂本 应借此机会加快新品开发，但各相机厂却忽略了相机技术的更新换代、因循守旧从 2 工程硕士学位论文e 9 2 0 0 全自动单反相机硬件实现技术研究 1 9 8 3 年到1 9 8 7 年，在这5 年间，我国相机生产厂及其相机品种规格几乎没有发生变 化，从而使各相机厂在进入8 8 年后突然陷入极其困难的境地。此后，在进口相机的 冲击下，在从传统光学照相机转型至电子相机以及九十年代中期兴起的数码相机的过 程中，国内的相机工业生产体系在与国外相机大厂的合作、合资下，开始解体，有的 企业甚至退出了该行业。至目前，从品牌上来看，在市场中仅剩“风凰”和“海鸥” 二个品牌。 1 9 8 5 年，江西光学仪器总厂从日本京磁株式会社引进了数万套y a s h i c af x - 3 s u p e r 单镜头反光照相机敖件进行组装，同时进行人员培训和技术消化吸收。经过数 年的曲折与努力，与原机型相类似的国产焦平面快门单镜头反光照相机凤凰 1 ) c 3 0 3 照相机于1 9 9 1 年问世。1 9 9 3 年以后，根据市场形势又对d c 3 0 3 单镜头反光照 相机进行了许多改进，形成了风凰系列单镜头反光照相机。2 0 0 0 年由凤凰自行开发 的光圈优先、自动曝光、电子钢片快门单镜头反光照相机凤凰e k l 0 0 问世。该照 相机由于采用c p u ( 中央微处理器) 控制方式，大大简化了相机电子控制线路，使系统 操作更简便、更可靠。快门闪光同步时间为1 1 2 5 秒，是国产同类相机中最快的。相 机曝光补偿在2 e v 补偿范围内，以i 3 e v 间隔递增( 减) ，使补偿更精确，相机还有 景深预测、多次曝光等功能，提高了国产相机的技术水平。 近年来，上海海鸥照相机有限公司在d f - 3 0 0 0 a 的基础上又开发了增减某些局部 功能或改进某些部件( 例如用钢片快门取代幕帘快门) 的一些机种，形成了事f 的系 列单反相机，但是具有自动卷片和自动对焦先进功能的单反相机尚未面市。上海和江 西这两家我国著名的照相机国有企业，近几年来还自行开发了与单反相机配套的、系 列化的变焦和定焦交换镜头，并陆续投放市场，效果较好，属国内领先水平【6 】啊。 但总的来说，我国在照相机领域里自主开发的能力还较薄弱，一些关键的设计技 术和制造技术仍远远地落后于以日本为代表的发达国家。 1 3 全自动单反相机技术的应用意义 工程背景： 随着集成电路技术的发展，消费类产品越来越广泛地使用嵌入式微控制系统，在 照相机行业中，许多由单一电路完成的功能也被微控制器结合周边电路所替代，如自 动测光( 单点、多点、中央平均、中央重点平均测光等技术日益成熟) 、自动光圈( 光 圈自动收缩、自动复位、结合景深自动预测技术，使光圈移动以1 1 6 e v 精度增减) ， 自动曝光a e 、自动调焦a f 、自动卷片、自动倒片等模块。微控制器的应用也大大提 高了相机的精度和稳定性。国外在微控制器应用方面起步较早( 约8 0 年代初) ，也相 对成熟，特别是日本照相机行业，如美能达、佳能、尼康等，其精密的制造、加工技 术以及先进的集成电路控制技术，已使其产品在世界相机行业中技高一筹。凤凰光学 作为国内光学相机行业的上市公司，经过与国内、国外企业的合资合作，在单反相机 3 工程硕士学位论文 快门生产、精密加工、注塑成型等领域都积累了丰富的经验，取得了工艺突破，完全 有能力开发全自动单反相机，同时公司在成功开发e k l o o 矗e 相机的基础上，电子、软 件控制技术等方面也得到大大加强，基本具备了开发此类相机的技术条件和能力，而 市场和行业也希望风凰能有更高技术水平的产品问世，有自己独立知识产权的全自动 单镜头反光照相机供应市场。在此背景下，公司决定进行此类项目的新产品开发，并 由研究院负责承担。 本产品是普及型a e 电动卷片单镜头反光照相机，广泛用于业余摄影及普通专业 摄影。性能类似于日本p a r r a x 的m z m 型单反照相机，目前国内尚无此类产品。此产 品的开发成功可填补我国在这一领域的空自。产品的主要技术参数如下： 快门精工m f e6 1 2 电子控制纵走式焦平面快门 a ：1 2 0 0 0 秒1 秒，无级m ：1 2 0 0 0 秒8 秒，b 门 曝光方式a ：光圈优先式自动曝光，曝光范围e v i 1 9 ( i s o l 0 0 ) m ：曝光范围e v 3 2 0 ，测光范围e v i l l 9 ( i s o l 0 0 ，镜头5 0 劬、f 1 4 ) 曝光补偿补偿范围+ 2 e v ，以1 2 e v 间隔增减 感光度调节手动调节；i s 0 1 2 6 4 0 0 ；d x 检码：i s 0 2 5 3 2 0 0 对焦屏裂像微棱镜菲涅尔环带 测光系统s p d 中央重点平均测光 闪光机构x 触点同步热靴，闪光同步速度1 1 2 5 秒，带p c 插座 闪光模式1 前帘闪光2 后帘闪光3 强制不闪 装片输片自动装片，并自动卷片至第三张；可中途倒片 液晶显示 电量指示，曝光模式( a 、m ) ，快门速度值，拍摄张数，自动曝光锁定， 曝光补偿，闪光模式，d x i s o 值，自拍以及四种拍摄程序等 应用价值 1 、产品的开发成功，必将填补国内相机行业在全自动单反相机中的空白，增 加产品品种，为公司在相机的生产中形成新的经济增长点，争取更大的市场份额， 提高市场地位和产品附加值。 2 、技术上，本单反机系统是光、机、电三者高度结合的高技术产品，属于全 新设计，无论从机构、光学、还是电子上，都将运用许多新技术，特别是电路硬 件设计方面，将运用目前产品设计中最广泛使用的单片机控制系统，结合周边硬 件，构成完整的硬件控制电路，通过单片机的控制，实现产品的各项功能。 3 、通过产品的设计，可以大大提高设计者在相机电路中的应用能力，从而为 公司将来从事新的产品研发提供了良好的硬件设计技术条件。也使产品的技术性 能符合国际在相机行业中的标准。 4 、为用户提供性能优良的产品，为振兴“风凰”这一著名民族品牌增光添彩 4 工程硕士学位论文既2 0 0 全自动单反相机硬件实现技术研究 1 4 本课题研究的内容 1 、自动测光 根据照相机所拍摄物体的亮度，由专用光电传感器s p d 对其进行检测。在实际拍 摄中，景物的亮度变化范围很宽，而s p d 的输出电流在n a m a 范围，所以必须将检 测到的电流信号进行对数压缩，放大至合适的电压后送单片机的a d 口进行模数转 换。目前测光电路都采用了专用集成块，将s p d 与对数压缩集成在一块电路上，对测 光的稳定性、抗干扰性都大大增强，同时由于光电器件的固有特性，其光电输出受环 境影响较大，特别是受温度影响大，所以在测光芯片的基础上都带有温度补偿输出， 将其温度补偿输出直接输出到单片机中，通过数学运算来消除温度带来的影响，提高 测光精度。 2 、i s o 感光度自动识别 根据胶片的感光度范围，在国际通用的1 3 5 胶片盒上印制有d x 编码接点，用多 个电触点与公共触点的不同导通位置关系来代表胶片的感光度值，其多个电接触点直 接与单片机的z o 口连接。 3 ，自动曝光 根据曝光方程理论得到光圈或者曝光时间值后，单片机根据此值将光圈或者曝光 时间自动设定到合适曝光值处。 4 、自动卷片 在全自动单反相机机身中主要有卷片马达和上弦马达来驱动相机中的各部件动 作，通过受控于单片机的专用控制芯片来控制马达的正转、反转、刹车等动作，以达 到精确控制机身动作和定位的目的。 5 、液晶显示 单片机内有专用液晶显示模块，根据系统显示内容，确定所需的c o h 与s e g l 4 e n t 数量，其特有的驱动方式可以方便地驱动整个液晶屏，无需各种外围元器件。通常显 示的内容为：电量指示、各种拍摄模式、快门速度值、拍摄张数、自动曝光锁定、曝 光补偿、闪光模式、d x i s o 值、自拍等相机状态参数。 全自动单反相机技术实现的理论基础工程硕士学位论文 2 全自动单反相机技术实现的理论基础 2 1 全自动单反相机的技术含义 单反就是指单镜头反光，即s l r ( s i n g l el e n sr e f l e x ) 。在这种系统中，反光 镜和棱镜的独到设计使得摄影者可以从取景器中直接观察到通过镜头的影像。单镜头 反光照相机的构造中，光线透过镜头到达反光镜后，折射到上面的对焦屏上并形成影 像，透过连接目镜和五棱镜，我们可以在观景窗中看到外面的景物。拍摄时，当按下 快门钮，反光镜便会往上弹起，胶片前面的快门幕帘便同时打开，通过镜头的光线( 影 像) 便投影到胶片上使胶片感光，曝光完成后反光镜便立即恢复原状，观景窗中再次 可以看到影像。单镜头反光相机的这种构造，确定了它是完全透过镜头对焦拍摄的。 它能使观景窗中所看到的影像和胶片上完全一样，它的取景范围和实际拍摄范围基本 上一致，消除了旁轴平视取景照相机的视差现象，从摄影的角度来看，十分有利于直 观地取景构图。单镜头反光相机由于采用了焦平面快门，可以交换不同规格的摄影镜 头埘。 采用大规模集成电路准确地完成自动曝光和动用微型马达完成自动对焦功能，其 曝光方式大多采用软件进行程序控制各种曝光参数，在按下快门的瞬间，测光系统会 根据被摄体的光照情况，自动根据曝光方程选出一个光圈或快门值，准确地完成自动 曝光。程序控制快门的曝光范围之大，足以满足多种类摄影的要求，有的还能拍摄微 弱光照下的景物( 如微光摄影) ，使令人困惑的微弱环境曝光选择变得轻而易举。 要实现这一全自动过程，解决的办法就是采用单片机控制，通过编写控制软件， 对各功能模块进行操控，驱动各执行机构，实现全自动功能。 2 2 全自动曝光照相机的理论基础 照相底片需要合适的曝光量才能显示出反差、层次、明暗适中的图像。所以摄影 的时候需要控制到达底片的光垂。控制光量可以通过两种手段配合来实现，一种手段 是控制底片感光的时间，控制感光时间的装置就是快门；另外一种手段是控制到达底 片的光的强度，控制光线强度的装置就是光圈。 一般来讲，镜头直径越大，收集光线的能力也就越强，在相同光线条件下到达底 片的光线强度也就越高。对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径， 但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到 控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈。那么这个时候，我们就希望能够有一种数值 表示方法，能够衡量一个镜头，在不同大小的光圈下通过光线的能力和最大通过光线 的能力，以便对曝光进行精确的控制。 由于不同种类、不同型号的镜头结构不同，所以即使镜片直径相同，通过光线的 能力也可能会大相径庭。所以我们不能用镜头的实际直径来表示镜头通过光线的能 力 6 工程硕士学位论文 既2 0 0 全自动单反相机硬件实现技术研究 所以引入了“相对孔径”的概念。它表示镜头通过光线的能力，用d f 表示。 它定义为镜头的光孔直径( 也称入瞳直径) d 与镜头焦距f ，之比。例如有个照相机镜 头的最大光孔直径是2 5 m ，焦距是5 0 哪，那么这个照相机镜头最大相对孔径就是1 2 。 相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，又称f 数，即f = f d 。在照相机的 镜头上都应标有光圈数。国家标准按照光通量的大小规定了各级光圈数的排列次序是 0 7 ，1 ，1 4 ，2 ，2 8 ，4 ，5 6 ，8 ，1 1 ，1 6 ，2 2 但国家标准允许镜头的最大相对孔 径标记可以不符合标准系列中的数字。当焦距f ，固定时，f 数与入瞳直径d 成反比。 由于通光面积与d 的平方成正比，通光面积越大则镜头所能通过的光通量越大。因此 当光圈数在最小数值时，光孔最大，光通量也最大。随着光圈数的加大，光孔变小， 光通量也随之减少。光圈每差一级( 其数值比都是1 4 1 4 ) ，其光通量就相差一倍， 如果不考虑各种镜头透过率差异的影响，不管是多长焦距的镜头，也不管镜头的光孑【 直径有多大，只要光圈数值相同，它们的光通量都是一样的。对照相机镜头而言，f 数是个特别重要的参数，f 数越小，镜头的适用范围越广。 照相机像平面上得到的平均曝光量h f 。等于像平面上的平均照度e 和快门有效 曝光时间t 的乘积，即：h f = e l ( 2 1 像平面上的平均照度e 可以表示为：e = q l ( d f ) 2 = q l ( a 2 )( 2 2 ) 式中：q 照相机成像系统特性系数，按美国标准p h 3 4 9 - 1 9 7 1 ，q = o 6 5 ；i 广_ 一 物体亮度，单位为c d m 2 ； 一照相镜头的f 数。 胶片的最佳曝光量h g 可用下式表示：h g = p s ( 2 3 ) 式中：p 一胶片合适曝光系数( 对于黑白胶片p = 8 ，对于彩色反转片和彩色负 片p = 1 0 ) ；s 一以i s o 表示的感光度。 为了使胶片曝光正确，必须使h f = h g ，即：q l t ( a 2 ) = p s( 2 4 ) 整理后得：a 2 t = l s i ( p i q ) = l s k( 2 5 ) 上式即为国际上通用的照相机曝光参数方程式。式中，k = m q ，称为照相机曝光 常数。a = f = f d ，在a p e x 系统中，设a 为光圈数。 但是，在实际应用中，上述曝光参数方程式的使用十分繁琐和不便，而且不够直 观。于是在美国标准和中国国家标准中，将它进行了变换，将曝光参数方程式表示为 以2 为底的指数形式，即a 2 t = 2 l s k( 2 6 ) 对式( 2 6 ) 取以2 为底的对数，得 l d g 。( a 2 ) + 1 0 9 。( 1 t ) = e v = j 0 9 。( u ( 0 3 k ) ) + 1 0 9 ：( o 3 s ) ( 2 7 ) 令a v = 蚝。( a 2 )( 2 8 ) t v = 1 0 9 ：( 1 t )( 2 9 ) 。 b y = l o g ：( l ( o 3 k ) )( 2 1 0 ) s v = 】o gz ( o 3 s ) ( 2 1 1 ) 全自动单反相机技术实现的理论基础 工程硕士学位论文 a v 、t v 、b v 、s v 分另l j 叫做光圈值、时间值、亮度值和i s o 速度值。将它们代入 式( 2 7 ) ，得到a v + t v = e v = b v + s v( 2 1 2 ) 此式以加法形式来表达曝光参数方程式，故称为加法系统，即a p e x ( a d d i t i v e s y s t e mo fp h o t o g r a p h i ce x p o s u r e ) 系统。a v ，t v ，b v ，s v 各值在数量上变化i ，则 相当原来曝光参数a ，t ，s ，l 变化一倍。式中，e 、，称为曝光值，它并不是代表被摄 物体的亮度，不是亮度单位，它只表示镜头光圈和快门有效曝光时间的某一种组合， 它是曝光单位。它也不代表胶片的曝光量，只表示为使胶片得到合适的曝光量，镜头 光圈和快门有效曝光时间合适组合时的对应控制量值。 照相机曝光参数方程式中的参数与a p e x 系统中参数的转换关系，以及曝光值e v 与上述各参数的关系，见图2 1 和图2 2 。在图2 1 中，纵坐标表示物体亮度l ( c d m 2 ) 、 亮度值8 v 及其换算关系，如l = 1 0 2 4 c d m 2 时，b v = 8 ：横坐标表示胶片i s o 感光度s 、 i s o 速度值s v 及其换算关系，如胶片i s o 感光度s = 1 0 0 时，s v = 5 ；粗斜线上端标注 的数字是e v 值，如本例，b v _ 8 ，s v - - 5 ，则e v = b v + s v = 1 3 ，因此，b v 和s y 两个坐标相 交于e v _ 1 3 的粗斜线上。图2 2 中，纵坐标表示快门有效曝光时间t ( s ) 、时间值t 、， 及其换算关系，如t = 1 1 2 5 ( s ) 时，t v = 7 ；横坐标表示镜头光圈数a ( 即f 数) 、光 圈值a v 及其换算关系，如a = 8 时，a v = 6 ；粗斜线上端标注的也是e v 值。在本例中， t v = 7 ，a v = 6 ，则e v = t v + a v = 1 3 ，因此，t v 、a v 两个坐标也相交于e v = 1 3 的租斜线上。 正确曝光时，由b v 和s v 求出的e v 值，应与由t v 和a y 求出的e v 值相等。在上述的 例子中，两者的e v 值相等，可以保证胶片正确曝光，但不是唯一的组合。若保持上 例中的b v 、s v 不变，改变快门有效曝光时间t ( 即改变t v 值) 和镜头光圈数a ( 即 改变a v 值) ，但使e v = t v + a v 仍为1 3 ，如使t = i 6 4 ( s ) ，t v = 6 和a - l l ，a v = 7 ，则仍 可得到正确曝光。 根据a p e x 系统曝光方程，对相机自动曝光控制原理如下： 单片机在工作过程中采集到当前的亮度信息，通过电路系统转换为a v 值，采集 当前的胶片i s o 值，通过系统转换为s v 值，这样，若用户设置好光圈值时系统自动 转换为a v 值，根据a v + t v = b v + s v ，即可求到相应的t y 值，最后系统根据t v 值转换 成相机中常用的曝光时间值。或者用户根据拍摄要求设置好曝光时间值w ，同理可 以求到对应的a v 值，通过电路系统使相机光圈转动到对应光圈处。如此完成对相机 的自动曝光控制。在此曝光方程中，由于器件温度的影响，器件本身的非线性，所以 各项参数值应该为理论值加上一种修正值后所得的结果，否则会出现曝光超差，影响 相机曝光的正确性嘲嘲“”。 自动调焦、自动上片、z o 伽等模块同样可以根据专用算法和专用集成电路，通 过单片机的运算与控件来完成，以达到自动控制目的。 工程硕士学位论文 e k 2 0 0 全自动单反相机硬件实现技术研究 l c d m t b 1 e 3 2 8 工2 0 2 5 6 s 1 2 l 口2 2 0 4 冀 1 0 9 b 8 1 9 2 1 8 s 8 4 l 囊) l ! 2 1 4 1 s 1 1 s t a o l ，的 t ，1 2 s 1 2 铃 l ，5 l t o o o 1 2 鹞5 01 0 0 2 0 0 4 0 0 8 0 0 1 6 0 0 3 2 0 0s f l 戏” 图2 1a p e x 系统e v ：b v + s v 11 22 霉ls 6 粤1 1l 嚣铭3 2 9 脬 ；2 3 l 5 6 7 8 拿 a 徽控制嚣的选择与应用 工程硕士学位论文 3 微控制器的选择与应用 3 1 单片机系统的低功耗设计策略 在嵌入式应用中，系统的功耗越来越受到人们的重视，这一点对于需要电池供电 的便携式系统尤其明显。降低系统功耗，延长电池的寿命，就是降低系统的运行成本。 对于以单片机为核心的嵌入式应用，系统功耗的最小化需要从选择低功耗的器件入 手。 选用具有低功耗特性的单片机可以大大降低系统功耗。可以从供电电压、单片机 内部结构设计、系统时钟设计和低功耗模式等几方面考察一款单片机的低功耗特性。 3 1 1 选用尽量简单的c p u 内核 在选择c p u 内核时切忌一味追求性能。八位机够用，就没有必要选用十六位机， 选择的原则应该是“够用就好”。现在单片机的运行速度越来越快，但性能的提升往 往带来功耗的增加。一个复杂的c p u 集成度高、功能强，但片内晶体管多，总漏电流 大，即使进入s t o p 状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的c p u 内核不仅功耗低， 成本也低。 3 1 2 选择低电压供电的系统 降低单片机的供电电压可以有效地降低它的功耗。当前，单片机从与l r t l 兼容的 5 v 供电降低到3 3 v 、3 v 、2 v 乃至1 8 v 供电。供电电压降下来，要归功于半导体工 艺的发展。从原来的3 p m 工艺到现在的0 2 5 l l m 、0 1 8 p i i i 、0 1 3 u m 工艺，c m o s 电 路的门限电平阈值不断降低。低电压供电可以大大降低系统的工作电流，但是由于晶 体管的尺寸不断减小，管予的漏电流有增大的趋势，这也是对降低功耗不利的一个方 面。 目前，单片机系统的电源电压仍以5 v 为主，而过去几年中，3 v 供电的单片机系 统数量增加了1 倍，2 y 供电的系统也在不断增加。再过几年，低电压供电的单片机 数量可能会超过5 v 电压供电的单片机。如此看来，供电电压降低将是未来单片机发 展的一个重要趋势。 3 1 3 选择带有低功耗模式的系统 低功耗模式指的是系统的等待和停止模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大 小于运行模式下的功耗。过去传统的单片机，在运行模式下有w a i t 和s t o p 两条指令， 可以使单片机进入等待或停止状态，以达到省电的目的。 等待模式下，c p u 停止工作，但系统时钟并不停止，单片机的外围i o 模块也不 停止工作；系统功耗一般降低有限，相当于工作模式的5 0 7 0 。 停止模式下，系统时钟也将停止，由外部事件中断重新启动系统时钟，进而唤醒 c p u 继续工作，c p u 消耗电流可降到pa 级。在停止模式下，c p u 本身实际上已经不 消耗什么电流，要想进一步减小系统功耗，就要尽量将单片机的各个i 0 模块关掉。 1 0 工程硕士学位论文 e l ( 2 0 0 全自动单反相机硬件实现技术研究 随着i o 模块的逐个关闭，系统的功耗越来越小，进入停止模式的深度也越来越深。 进入深度停止模式无异于关杌，这时的单片机耗电可以小于? - o r 徂。其中特别要提示 的是，片内r a m 停止供电后，r a m 中存储的数据会丢失，也就是说，唤醒c p u 后要重 新对系统作初始化。因此在让系统进入深度停止状态前，要将重要系统参数保存在非 易失性存储器中，如e e p r o m 中。深度停止模式关掉了所有的i o ，可能的唤醒方式 也很有限，一般只能是复位或i r o 中断等。 保留的i o 模块越多，系统允许的唤醒中断源也就越多。单片机的功耗将根据保 留唤醒方式的不同。降至lu a 至几十i a 之问。例如。用户可以保留外部键盘中断， 保留异步串行口( s c i ) 接收数据中断等来唉醒c p u 。保留的唤醒方式越多，系统耗 电也就会多一些。其他可能的唤醒方式还有实时钟唤醒、看门狗唤醒等。停机状态较 浅的情况下，外部晶振电路还是工作的。 在等待状态下，因时钟并没有停止，耗电情况和时钟频率有很大关系，节省的功 耗有限：而进入轻度停止( s t o p 3 ) ，以外部中断唤醒，电流消耗在0 5pa 左右。在 中度停止态( s t o p 2 ) ，功耗可进一步降低。使用内部i k h z 的时钟，保持1 个运行的 时钟，周期性唤醒c p u ，所增加的电流约为0 3 | ia 。在深度停止态( s t o p l ) 刍r a m 的数据也不再保留。只能通过外部复位重启系统，此时的电流消耗可降到2 0 n a 。以 上数据都是在室温下测量所得。当环境温度升高到8 5 时，电流消耗可能增加3 5 倍。 3 1 4 选择合适的时钟方案 时钟的选择对于系统功耗相当敏感，设计时需要注意两个方面的问题： 第一是系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗可分为两部分运 行电流和漏电流。理想的c m o s 开关电路，在保持输出状态不变时，是不消耗功率的。 而实际上，由于n 型晶体管存在一定漏电流，且随集成度提高，管基越薄，漏电流会 加大。温度升高，c m o s 翻转阈电压会降低，而漏电流则随环境温度的增高变大。在 单片机运行时，开关电路不断由“1 ”变“0 ”、由“o ”变“l ”，消耗的功率是由单 片杌运行引起的，我们称之为“运行电流”。在两只晶体管互相变换导通、截止状态 时，由于两只管子的开关延迟时阃不可能完全一致，在某一瞬间会有两只管子同时导 通的情况，此时电源到地之间会有一个瞬间较大的电流，这是单片机运行电流的主要 来源。可以看出，运行电流几乎是和单片机的时钟频率成正比的，因此尽量降低系统 时钟的运行频率可以有效地降低系统功耗。 第二是时钟方案，也就是是否使用锁相环、使用外部晶振还是内部晶振等问题。 使用片内晶振的优点是可以省掉片外晶振，降低系统的硬件成本；缺点是片内晶振的 耩度不高( 误差一般在z 5 左右，即便校准之后也可能有编的相对误差) ，而且会增 加系统的功耗。 徽控制叠的选择与应用工程硕士学位论文 现代单片机普遍采用锁相环技术，使单片机的时钟频率可由程序控制。锁相环允 许用户在片外使用频率较低的晶振，可以很大地减小板级噪声；而且，由于时钟频率 可由程序控制，系统时钟可以在一个很宽的范围内调整，总线频率往往能升得很高 但是，使用锁相环也会带来额外的功率消耗。单就时钟方案来讲，使用外部晶振且不 使用锁相环是功率消耗最小的一种。 一个成功的低功耗设计应该是硬件设计和软件设计的完美结合。从硬件设计开 始，就应该充分意识到一个低功耗应用的特性，选择一款合适的单片机，通过对其特 性的了解，设计系统方案；在软件设计上，要考虑到低功耗编程的特殊性，并尽量使 用单片机的低功耗模式“”叫“。 3 2 单片机的选用 瑞萨超小功率( s l p ) 单片机是对各种电池驱动的产品和小功率应用领域提供低 功耗、低电压工作和低噪声的单片机。从低成本的8 位( h 8 3 0 0 l ) 单片机到具有强 大功能的1 6 位单片机( h 8 3 0 0 h 和h 8 s ) ，s l p 单片机族有3 种c p u 的选择。s ”单 片机族提供丰富的内部外围功能和各种内部闪存的选择范围，对应各种产品的开发。 瑞萨科技股份公司的高性能8 位h s 3 0 0 ls u p e rl o wp o w e r ( 以下简称 h 8 3 0 0 l s l p ) 单片机具有高速处理能力、多种接口功能，内置有f l a s h 存储器、多 功能定时器和串行i o 端口，以及监视定时器、l c d 驱动器等特点，是一种有着广泛 应用前景的高性能8 位单片机“”。 3 2 1 鹏3 8 0 2 4 单片机的结构 h 8 3 8 0 2 4 系列单片机是r e n e s a s 公司推出的聃3 0 0 l 系列超低功耗m c u 中档次 较高的一种，有大的r o m 和r a m ，支持在线系统编程，有丰富的外围设备。 在h 8 3 0 0 l 系列中，h 8 3 8 0 2 4 是内藏l c d ( 液晶显示器) 驱动器的单片机。另 外，还内藏了6 个定时器、2 个通道的1 0 位脉宽调制器( p w m ) 、串行通信接口和a d 转换器等的外围功能。是适合于需要低功耗和l c d 显示的系统的嵌入式单片机。其内 部结构框图如图3 1 所示，引脚图如图3 2 所示。 主要性能 内部闪存； 1 6 位异步计数器( 带p 删功能) ； 单板上调试功能； 小型封装( 7 衄 7 咖) ； l c d 驱动器。 h 8 3 8 0 2 4 的内部结构框图如下： 取 i t o 斟h 晚 州割n l 婚 劓d 雕潲晒评晤 p 8 h 7 d i 嚣t m i f 蛐姻瀚 p 6 1 s e g t 0 p 6 2 , 煳e g l l p e 3 j s e g l 2 p b 骷鼢1 3 p 似s e g l 4 p 0 雕8 1 5 p 啊髑 e 羽 v i i v 1 - 自墨 魁 t e s t 曰藤 躲宽调制器1 - _ - - - - - i i f 簟 - p 9 4 ：口 - p 9 3 + m - p 9 1 , l 附n 4 q + p 雕阼州1 件p 8 7 s e g 越 脉宽调制器2 + p s 甘s e g 3 1 p s 髫s e g 锄 鞠皤螂鞠 a + p s 3 s e g 2 0 讳p s 盏s e g 嚣 _ + p 引，s g 篇 定时器f_ - - 奢 w 刀8 爿 _ 一峥p 7 6 翱e g 篇 霎醪信 抖p 7 5 s f , g 麓 口 + p 7 4 熔e g 2 1 期耀g 萄 + p 7 2 熄f - g 1 9 s c l 3 - - - p r i i s e g l 0 + p 托髓黔1 7 藏 一卅 一垤 看门狗 - 诌 一p b t i a n - 一p b 猷a m 一 - p 8 澍糊 口 4 - - p s 4 n 4 l c d 控制镲 bp b w 阳嘲 _ p 82 l ：撇 _ 一糟，删， 图3 1h 8 3 8 0 2 4 内部结构框图 瓣嚣濂滋一 嘎糕瓣 囊瓣 徽控制精的选择与应用工程硕士学位论文 p 3 0 a j d p 3 1 t m o f l p a z c t m o f h 煳 p 3 4 p 3 5 p 3 6 惟v h p3 ：r ，雎v l p 4 珊 s c l 1 7 5 0 m yt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tb = 3 1 0 0 p p m cv a r e f - 3 3 v 1 2 5 0 m v v p o 1 7 5 0 m vt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tb = 3 0 0 0 p p m v a r e f - - 3 3 v 7 5 0 m v v p o 1 2 5 0 m yt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tb = 2 9 0 0 p p m v a r e f - - 3 3 v v p o 7 5 0 m yt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tb = 2 5 0 0 p p m c v a r e f - = 3 3 v 设拍摄时的温度传感器输出电压为v t o x ，光强度传感器输出电压为v p o x 。对温度 传感器仅需标定一点( t o ，v t 0 0 ) ，则在此时温度相对标定时的变化量at = ( v t o x v t o o ) 1 7 ，那么如果光强度相同，温度为t o ，光强度传感器输出电