（光学工程专业论文）ek200全自动单反相机软件实现技术研究.pdf

摘要 在分析了单反相机国内外整体发展状况后，详述了系统的主要工作原理和技术规 格，单片机的特点与选择，完成了系统软件设计与程序调试，样机制作和测试，从而 实现了自动测光、自动曝光、自动卷片、快门控制、l c d 和l e d 显示、用户定制界面 等功能。并根据样机功能特点提出了系统改进方向。 关健词：单反相机、自动曝光、自动测光 a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fs l ra th o m ea n da b r o a di n d e t a i l ，t h ea u t h o rc a r e f u l l ys t a t e dt h ec h i e fp r i n c i p l ea n d t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o no ft h es y s t e m ，t h ef e a t u r e sa n dc h o i c em e t h o do fm c u ，t h ed e s i g n a n dd e b u go fs y s t e ms o f t w a r ea n dt h em a n u f a c t u r ea n dt e s to ft h es a m p l e sa r e f i n i s h e d a n dt h ef u n c t i o n so f a u t ol i g h t m e a s u r i n g 、a u t o e x p o s u r e 、 a u t o w i n d i n g 、s h u t t e r c o n t r o l 、t h ed i s p l a yo fl c da n d l e d a n dt h ec u s t o m e r s i n t e r f a c ea r er e a l i z e d m o r e o v e r ，g i v e nt h ed i r e c t i o no fi m p r o v e m e n tf o rt h e s a m d l e s k e yw o r d ：s l ra u t o e x p o s u r e a u t ol i g h t l i i e a s u r i n g i l 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：年月日 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全部或部分内容，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全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 工程硕士学位论文e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 1 概述 1 1 序论 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。全自动单反相机正是在此新技术 应用的大背景下应运而生，其功能更是日趋多元化，能更大限度的满足人类的需求， 主要功能如：自动曝光、自动测光、自动卷片、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、数字摄影功能、信息显示功能、一机多用功能、自动输出功能，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 摄功能等。而随着技术的进步，以上功能在全自动单反相机中也在不断完善，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，调焦更精准等。“照 相机的电子化进程，起始于本世纪3 0 年代中期。按照相机自动化控制技术的发展， 大致经历了有半导体硒光电池、硫化镉光敏电阻测光和早期的自动曝光( a e ) 设计的初 始时期；以电子分立元器件、用厚膜、标准集成电路( i c ) 以及大规模集成电路( l s i ) 模拟控制实现自动曝光等自动化功能时期，集成注入逻辑门器件、专用集成电路( a s i c ) 及中央微处理器( c p t 0 组成数字回路实现自动曝光、自动聚焦a f 等自动化功能控制 功能时期；应用模糊逻辑以及多个c p u 组成的计算机网络控制技术，实现照相机智 能化自动控制时期，这也是目前1 3 5 单反照相机广泛采用的控制技术【l 引。” 1 2 国内外发展状况 本世纪2 0 5 0 年代，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。而莱卡和罗莱弗来克斯照相机也是当时世界各国竟相仿制生产的名牌相 机，在世界上享有极高的声誉。这期间主要以手动相机为主，随着技术的进步，许多 手动相机功能逐渐由自动技术代替。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，是照相机发展史上令人 激动的一次“革命”。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j 。 8 0 年代以后，日本相机的现代化达到了空前程度。其自动化与电子化已是世界 上任何国家所不能相比。其中以日本尼康、佳能、美能达、京磁、奥林巴斯、潘太克 斯等为佼佼者，在单反相机的发展领域中领先行业水平。如：佳能的e o s 机型： 具有视线输入a f 功能，且可实现视线追踪动体a f 方式和提高a f 响应速度，可利 用六区域测光实现所谓e t r l 自动调光，能通过对闪灯预发光前的自然光测光值和 预发光测得的被摄体反射光测光值的运算，进行自动调光。与其专用的闪光灯连用， 还能实现全快门速度的同步闪光；尼康f 5 系列机种：开发了叫做“m u l t i i 概述 工程硕士论文 c a m l 3 0 0 ”的a f 模件( c c d 行检出器总有效像素数达到1 3 5 6 个) 做为a f 检出器件， 且是尼康首个采用5 点的多点测距技术单反相机；采用了考虑颜色问题的“3 d r g b ” 多区测光技术：可高速( 8 格每秒) 连拍；有2 4 项摄影人自选功能；可构成与电子笔记 本的连接系统。后续还有f 5 0 d 、f 7 0 d 、f 9 0 x ，主要特色是a f 的高速化和高精度 化。潘太克斯z 系列机种特点：智能动力变焦；超程序自动曝光控制方式；手动控 制曝光方式，取景器内一种棒图( b a r g m p h ) 显示，便于确认手控曝光时是否欠曝或过曝 及曝光补偿情况。m z 系列是以小型化、轻量化和功能丰富为主要目标开发的新系列 a f 单反相机。m z 5 为当时世界上最轻小的a f 单反相机而且具有可自动切换的五 种影像程序功能和3 点宽对焦区的特剧”j 。 归纳起来，国外全自动相机发展已经进入了一个全面，系统的阶段，无论是a f 技术、a e 技术、测光技术、机身、曝光噪音、机械震动、镜头、快门、闪光灯等都 无不如此。 。 照相机产业在国内的发展，经历了从无到有至“辉煌”，引以“骄傲”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二十世纪五十年代中，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 一2 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上升；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。八十年代初，中国的照相机生产扶摇直上，产量迅速 上升。八十年代中期，是中国照相机史上的黄金时代。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，从品牌上看，在市场中仅剩“凤凰”和“海鸥”二个品牌。 综上，可以看出国内的照相机工业与国外产品存在相当的差距，特别是在a f 、 多模式曝光、马达机构的应用等方面不仅没有赶上国际先进水平，也没有得到很好的 发展。即使是仿造出来的产品与国外被仿的原装产品也有相当大的差距，需要不断地 进行技术积累和发展。 2 工程硕士学位论文e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 1 3 全自动单反相机技术的应用意义 全自动曝光单镜头反光照相机己普遍存在在各大照相机厂商，近年来，全自动化 的技术水平，精度正在迅速提高，有些应用领域已经达到多点a f 、多点测光、马达 无级驱动的程度，但由于国内，制造工艺、集成电路等技术技术水平的发展相对滞后， 引起国内照相机工业水平还停留在一个相当落后阶段，但随着a e 技术在国内相机的 发展，使得全自动单镜头反光照相机的实现成为可能。 本课题的根本目的是实现全自动单镜头反光照相机的软件控制，因此在以下应用 领域有特别重要的意义： ( 1 ) 填补国内在此领域的不足，改变此类相机的技术完全信赖进口，国内只能进 行组装的境地。 ( 2 ) 提高嵌入式软件设计能力，全自动相机软件控制技术的实现可以在以后的产 品中继续应用和发展，使照相机技术设计提高到新的平台：同时也为今后数码相机、 手机成像系统等方面曝光控制的开发打下基础。 ( 3 ) 增加公司产品市场竞争力，形成公司新的技术、经济增长点。 由于此项技术基本由国外公司掌控，国内产品无法与其进行市场竞争，因此此课 题具有着非常重要的现实意义p ”1 。 1 4 本课题的研究内容 根据单片机软、硬件特点，对系统各模块进行程序控制，实现相机系统功能，为 此在软件设计方面需要解决的主要问题如下： ( 1 ) 硬件平台的选择与熟悉：由于单片机的发展迅速，各大公司都针对这类产品 开发了不同的型号，象日立、n e c 、i n t e l 、m i c r o c h i p 、m o t o r o l a 等都具有丰富的产 品线供用户选择，必须针对照相机的功能多、功耗小、各种应用环境等特点进行对照 选择，了解单片机的内部结构、硬件资源、指令系统和开发系统【】。 ( 2 ) 根据技术规格建立系统的整体控制框架；针对技术规格对硬件资源的分配、 对应，系统的硬件构成，软件的主体框架形成。 ( 3 ) 控制系统的数学建模；全自动相机的要实现自动曝光必须依赖自动曝光方程， 自动曝光方程的a p e x 系统如何建立，如何进行程序描述和软件实现，特别是涉及到 对数运算，如何控制精度等。 ( 4 ) 主程序的设计：根据硬件资源，建立总体程序框架，主程序的任务分配，采 用的资源，如何与子程序的协调控制。 ( 5 ) 各模块子程序设计；对相机的功能如何分模块设计，各模块之间如何响应， 特别是自动曝光模块，运算量较大，与其它模块都互相关联，硬件资源的开销定义等。 ( 6 ) 电路、结构、光学的配合及相机曝光量的误差分析；由于照相机是光、机、 电相结合的产物，各方面存在多种接口与配合的情况，必须很好地处理这些接口细节， 3 工程硕t 论文 象电刷、计数盘、驱动马达与机构之间等。 ( 7 ) 系统低功耗的自动处理：照相机由于使用电池供电，而且功能越来越强大， 如何处理好功耗就显得特别重要，必须在软件上结合硬件资源来进行低功耗控制，达 到设计和用户要求。 4 工程硕士学位论文e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 2 全自动单反照相机理论建模和实现技术研究 z 1 照相机自动曝光的理论基础 全自动单反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，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【l l 】。要实现这一全自动过程，解决的办法就是采用单片机控制， 根据曝光方程、驱动芯片特征设计系统软件，对各功能模块进行协调控制操作实现全 自动单反相机功能。 光学系统的像面照度和其他表面的照度是一个光学量。参看图2 1 ，从轴面上的 面元d a 。、辐射到接收面上的面元d a 。的辐射通量为： d 0 2 = l d a l d q i c o s 01 ( 2 1 ) 式中m ，：丝竺刍( 2 2 ) 2 物i i l i 援l l ：( i f i i 图2 1 辐射的传播 而从物面辐射到接收面的总辐射通量为 m ：l ：三! 等幽出鸪 1 2 设物面是朗伯面，即l 与面元d a 。的位置无关，则 ( i d a = 地u 。：竺兰也! 鱼出鹤 1 2 ：中。：竺巡出她 1 2 由此 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 全自动单反相机理论建模与技术研究工程硕上论文 鲁= e z 乩 ：竺警幽鸪 ( 2 5 ) 式中f ：称为辐射传输系数，它只与表面的形状、位置、大小和方向有关。是一 纯粹几何量。f ：是一二重积分量，很难计算，不过现在已经对一些典型情况，计算 出了结果，并且列出了表格，可供查阅。 光学系统像面上的照度会受两方面的影响：光学系统的会聚和发散作用；光 学系统的吸收、反射、散射和挡光的作用： 为了简单起见，将忽略第种影响，而对于第种影响将通过光学系统的几何度 g 表示出来，并使这一计算变得很简单。 几何度g 的定义为 g _ 圳。：等芋出必 ( 2 6 ) = 4 q 7 式中鳞：f f ：竺笔堕出必 ( 2 7 ) 1 2 这是投影立体角，它是接收面d a ：对物面d a 所张立体角在物面法线方向的投影 的积分。 几何度g 只和光源的几何尺寸、光源到光学系统的距离、光学系统的入瞳尺寸以 及光学系统的结构有关。当光能通过光学系统且不存在损失时，g 是不变量，即在光 学系统内的不同截面上，g 都是相同的。若从图2 2 观察则有 g s = g e = g x = g i( 2 8 ) 式中g s 、g e 、g x 、g i 分别是光学系统的物面s 、入瞳面e 、出瞳面x 、像面i 的 几何度。 物平面s像平面l 6 一o 图2 2 工程硕士学位论文e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 从上可以看出： ( 1 ) 几何度g 可以表示光学系统传输辐射的能力； ( 2 ) 可以根据易于计算的截面上的g 值，计算出任一截面上的照度： 例如：光能无损失的光学系统像面中心的辐射度 由m = m q 得到 e ：! ：工q 4 。 = 上等= 三三c 弘孚，2 眨9 ， ：一r c l l d 1 2 土一 4 、厂( 1 一口) 式中，口是光学系统的纵向放大率。 ( 3 ) 视场角为。处像平面上的辐照度。 比较物方侧物点l 和轴上点0 所对应立体角的大小。对于物点1 ，入瞳所对应的 立体角为 q = 4 h 。万丽c o s 8 = 鲁c o s 3 0 = f 2 e c , o s 3 曰 ( 2 1 0 ) 式中q 。是入瞳对轴上点0 所张的立体角，故轴外点像平面的辐照度为 e j = 百7 l e o s o ( 拳, ) 2 高c o s “ 亿 = 署( 拳) 2 丽1 c o s 4 口 上式说明：像面照度e 与光学系统的相对孔径晦) 的平面成正比，又和视 场角。的余弦的4 次方成正比，需要特别注意的是：e i o o e o s 4 口，这将严重影响像面 照度的均匀性。但是，对于野外景物，它并不是朗伯体，而是各向均匀发光体，则 印o c o s 3 口 1 2 - 1 5 1 。 底片需要合适的曝光量才能显示出反差、层次、明暗适中的图象。所以摄影的时 候需要控制到达底片的光量。控制光量可以通过两种手段配合实现，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 7 全自动单反相机理论建模与技术研究工程硕士论文 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。 所以引入了“相对孔径”的概念。为了解释“相对孔径”的概念，我们假设有一 个理想镜头，在一个确定标准通光量下镜头直径为1 。因为通光量与理想镜头的面积 成正比，而面积与直径的平方成正比，如果想要这个标准通光量一半的通光能力，直 径就需要是标准通光量镜头的根号2 分之一，大约是1 i 4 ，如果想要这个标准通光 量l 2 木i 2 = i 4 的通光能力，直径就需要是标准通光量镜头的根号4 分之一，就 是1 2 。依次类推，所以会出现i i ，i i 4 ，i 2 ，1 5 6 ，i 8 这些光圈的数 值，实际上就是根号2 的n 次方分之一。 我们再拿镜头的实际通光量和上述理想镜头的通光量相比较，并且用理想镜头的 标准直径来衡量一个镜头在不同光圈下的通光能力，这个标准直径就是光圈值。光圈 值就是这么来的。 在实际标注的时候，通常会把t n 中的1 省去，只把n 标注出来，所以就会看 到镜头上有类似于1 422 845 681 l1 6 这些数值序列。实际上就是根号( 2 的 n 次方) 的序列【l 1 6 1 。 2 2 曝光方程a p e x 系统的建立 照相机象平面上得到的平均曝光量h f 等于象平面上的平均照度e 和快门有效曝光 时间t 的乘积，即：h f = e t 象平面上的平均照度e 可以表示为： e = q l ( d f ) ( 1 ) f ) = q l a a ( 2 1 2 ) 式中：q - - 照相机成象系统特性系数，按美国标准p h 3 4 9 1 9 7 1 ，q = o 6 5 ； l 物体亮度，单位为c d m 2 ；a - - 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 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 = i o ) ； s - - - 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 牲) = p s ( 2 1 3 ) 整理后得 a * a t = l s ( p q ) = l s k ( 2 1 4 ) 上式即为国际上通用的照相机曝光参数方程式。式中，k = p q ，称为照相机常数。 a = f = f d ，在a p e x 系统中，设a 为光圈数。； 8 工程硕士学位论文 e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 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 a2 = 2 “1 t = 2 t v 0 3 s x ：2 s v b ( 0 3 k ) = 2 b v ( 2 1 5 ) a v 、t v 、s v 、b v 分别叫做光圈指数、快门指数、感光度指数和亮度指数。 代入式( 2 1 4 ) ，得到 a v + t v = b v + s v ( 2 1 6 ) 定义a v + t v = b v + s v = e v ，e v 为曝光指数，也叫做曝光值，反映了光圈和快门的组 合，以及画面亮度和胶片感光度的关系。 式( 2 1 6 ) 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 系统。 a v ，t v ，b v ，s v 各值在数量上变化1 ，则相当原来曝光参数a ，t ，s ，l 变化一倍。 式中，e v 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【l l 】【。 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 3 和图2 4 。在图2 2 1 中，纵坐标表示物体亮度l ( c o l m 2 ) 、亮度值b 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，。图2 2 2 中，纵坐标表示快门有效曝光时间t ( s ) 、时间 值t v 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。正确曝光 时，由b v 和s v 求出的e v 值，应与由t v 和a v 求出的e v 值相等【。 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，胶片i s o 值，用户设置好光圈值通 过电路a 、d 转换系统和曝光运算将上述值转换为b v 值、a v 值，s v 值，根据 a v + t v = b v + s v ，即可求到相应的t v 值，最后系统根据t v 值转换成相机中常用的曝光 时间值。在曝光方程中，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所得，否则会出现曝光超差，影响相机曝光的正合理性。 自动调焦、自动卷片、z o o m 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，达到自动控制目的。 9 全自动单反相机理论建模与技术研究工程硕士论文 1 0 l ( c d m o ) 4 8 1 b 3 2 6 1 2 8 2 5 6 5 1 2 i t j 2 ( 2 0 4 8 4 0 9 6 8 1 9 2 1 6 3 8 4 l ) 7 v l0 l 2 l i 42 l 8 3 1 1 s 4 l l a o 5 1 ， 6 l 1 2 5 7 l 2 5 08 1 5 0 09 t l l 0 0 01 0 1 22 55 0l 0 0 2 0 0 4 0 0 8 0 0 1 6 0 0 3 2 0 0s r l s o ) 图2 3a p e x 系统e v = b v + s v 图2 4a p e x 系统e v = a v + t v 1 6 1 工程硕士学位论文e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 2 3 全自动单反相机的主要规格及系统框图 2 3 1e k 2 0 0 相机主要规格 在分析国内外全自动相机的基础上，并结合公司的技术特点，提出了如下系统规 格【1 1 】： 曝光模式光圈优先自动曝光模式，手动测光模式、长时间曝光模式； 快门电子控制纵走焦点平面快门，电磁控制快门释放； 速度范围： 自动：1 2 0 0 0 - - - 3 0 s ( 2 ) 手动：1 2 0 0 0 - - 3 0 s ( 3 ) b 门、t 门； 取景器内资料显示一自动a 、曝光量锁定a e l 、b 门、t 门、快门速度值1 2 0 0 0 - 1 s ： 液晶屏显示资料 ( 1 ) 胶片张数( 2 ) 卷片符号( 3 ) d x 编码i s o 值( 4 ) 电池容量 ( 5 ) t v 值( 处于m 时可通过数值键改变t v 值) ( 6 ) 曝光方式m 、a 、t 、b ( 7 ) 快门驱动方式( 单拍连拍包围曝光多重曝光单自拍双自拍) ( 8 ) 闪光灯同步模式( 前后帘触发) ( 9 ) 测光模式 使用胶片一3 5 毫米筒装，d x 编码i s o 感光速度由2 5 5 0 0 0 ：手动设定胶片速度由 6 - - 6 4 0 0 ： 自拍功能电子控制延时自拍。按快门释放按纽启动自拍，操作确认信号：l e d 闪烁，可中途取消白拍； 测光系统及范围一镜后t 1 l 中央重点平均测光，测光范围e v 2 1 9 ( i s 0 1 0 0 ， f 1 7 ) ：镜后r r l 中央重点测光，测光范围e v 5 1 9 ( i s 0 1 0 0 ，f 1 7 ) ： 闪光同步一- x 触点，在1 1 2 5 秒或更慢速度前帘或后帘同步闪光； 驱动方式一马达驱动单拍、连拍、包围曝光拍、多重曝光拍、单自拍、双自拍； 电池一两枚3 v 锂电池( c r 2 类) ； 全自动单反相机理论建模与技术研究工程硕士论文 2 3 2e k 2 0 0 相机的系统框图及原理图 根据相机的功能分析，其主要应包括微控制器、数据输入、数据输出、驱动、电 源模块、用户接口，存储模块等；具体系统框图如图2 5 所示： 图2 5 单反相机系统框图 按照系统框图，通过查找各公司的单片机控制芯片和外围电路，硬件上设计出系 统原理图见图2 6 ，具体硬件平台的参见后续说明。 1 2 三墨堡主堂竺堡塞 ! 坠竺全! 塑苎垦塑垫竺堡壅墨垫查堕塞 一。牝日自 祭一邓。冠删1 艮 8 6 瑚卜一吲 i8 赢1 2 m l 圭母母孛 i - - 乏驰 奎奎奎奎 叽 蛰丰t奎沓 【。 ：圭、：惭 一1 f l 、蜊 i 。巳司 8 一 i 1 辫1 刊。赫。： i 上 僻和士； l j j l 。 站鳓i il ；0 【三一 鼍量! l 一j 滞一 l ；爵品i 蠹 古o “l 。 智 吲矬章茸 i5 h _ _ b 嚆 h 弹宁h 日： 1 e 型| | 薜 4 一 f - 一 醛一l ；i 掰溺凇i i ；i i ；二畦0 ；i a 喇杆州恻俐御 ” 1 几节r爿l 占ei1 圈l 捞捌u 肌怛 i “埔 一一。l ：篓：羔 5 刖 糕11 岬1 刚 恩 犁儿u 臃嫩 il 瓢= ：= ：三：= 二 w m 7 脯甬释隔黼1 矿 图2 6 系统硬件原理图 1 3 全自动单反相机理论建模f j 技术研究 工程硕士论文 2 3 3 全自动单反相机功能及规格说明 根据相机系统框图，各主要模块功能设置见表2 1 - 2 5 ： 表2 i 曝光方式设定盘 曝光方式 曝光模式盘 备注 l ：手动( m ) m 2 ：自动曝光( a v ) a 3 ：b 门 b 4 ：t 门 t 5 ：( d x 设定) i s oi s o 6 ：前后帘触发选择 7 ：测光模式选择 8 ：( 个性选择) c u s t o m c u s t o m 表2 2 快门驱动模式按钮 驱动模式 童丑 0 ：单拍拍摄单张 i ：连拍连续拍摄 2 ：包围曝光以增加一i e v 、o e v 、+ i e v 进行三次曝光 3 ：多重曝光单张照片进行多次日光 4 ：单自拍单张自拍 5 ：双自拍双张自拍 表2 3 取景器l e d 的显示 自动aa 亮 曝光晕锁定 a e l b 门 b 亮 t 门 t 亮 快门速度值 1 2 0 0 0 s i 2 s = i s大于l s 的长时间曝光 1 4 工程硕士学位论文 e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 表2 4l c d 的显示内容 显示项目 含义 胶片张数已拍摄张数 卷片符号是否有胶卷 d x 编码值4 位d x 编码值 电池容量电池容易状态，满格、欠格 t v 值处于m 时可通过数值键改变t v 值 曝光方式m 、a 、t 、b手动、自动、t 、b 门显示 快门驱动方式单拍连拍包围曝光多重曝光单自拍双自拍 测光模式 中央重点平均测光 闪光灯同步模式前后帘触发 表2 5 个人习惯参数的设定 项目内容 0 包围曝光次序0 ：正、零、负 1 ：零、正、负 2 ：负、零、正 1 包围曝光的e v 级数0 ：1 e v 1 ：0 5 e v 2 ：1 5 e v 2 胶片用光时倒片0 ：执行入盒 1 ：留出片尾 2 ：不执行 3 自动测光系统关闭0 ：1 2 秒 时间延时1 ：1 6 秒 2 ：3 0 秒 4 自拍 0 ：具有双自拍的功能 1 ：不具有权自拍的功能 5 ：自拍延时0 ：1 0 秒+ 8 秒 1 ：8 秒+ 6 秒 2 ：5 秒+ 4 秒 3 ：2 0 秒+ 1 6 秒 硬件平台选择工程硕上论文 3 硬件平台选择 3 1 单片机选择及3 8 0 2 4 概要 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 是微控制器的英文缩写，它又称单片微型计算机 ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，国内俗称单片机。m c u 是指计算机的c p u 、r a m 、r o m 、 定时数器、多种i o 接口和外围电路集成在单一芯片上，形成芯片级的计算机。m c u 是所有嵌入式系统的心脏，是各种系统活动的发源地。它扮演着各种系统控制核心的 角色，协调各系统和显示、键盘、传感器、电机等周边器件的操作。自1 9 7 5 年摩托 罗拉推出全球第一块m c u 以来，已有3 0 年的历史。它己广泛应用于消费类电子、汽 车电子、信息、工控、通信、航天和军用领域，并渗透到我们日常生活的各个领域。 根据照相机的特点，在作w c u 选择时主要考虑：体积小、价格低、功耗小、抗干 扰、稳定、输入输出接口多，同时要兼顾公司电路加工工艺性，可以考虑的公司型号 较多，如t o s h i b a 、p h i l i p s 、f r e e s c a l e 、r e n e s a s 、w i c r o c h i p 、s t 、凌阳、 a t m e l 、w i n b o n d 、e l a n ( 义隆电子) 等众多型号。由于前期在开发其它系列产品过程 中选用了r e n e s a s 的m c u ，因此，在本课题中选用了r e n e s a s 公司的h 8 3 8 0 2 4 系列 m c u t l 7 - 2 3 。 h 8 3 8 0 2 4 是h 8 3 0 0 l 低功耗系列中的新机种，是专门为低功耗应用所开发，并 有许多特点专门为各种不同的低功耗场合应用所设计。内置高速h 8 3 0 0 lc p u 具有 高速处理能力，内藏l c d ( 液晶显示器) 控制器驱动器的单片机，6 个定时器、2 2 个 中断源、2 个通道的l o 位脉宽调制器( p 嘲) 、串行通信接口和a d 转换器、七种节 电模式工作状态、6 6 个i o 口等的外围功能。其1 8 v 电池驱动低电压工作更是适合 于需要低功耗和l c d 显示的系统的嵌入式单片机。h 8 3 8 0 2 4 群和h 8 3 8 0 2 4 s 群具有 内藏3 2 k 字节r o m 和l k 字节r a m 的h 8 3 8 0 2 4 和h 8 3 8 0 2 4 sh 8 3 8 0 2 4 具有可由用户 自由编程( p r o m ) 的z t a t t m 版。h 8 3 8 0 2 4 还具有可单板上改写的闪存f z t 胛版，从 而缩短开发周期【1 7 d 9 1 。其内部硬件结构框图如图3 1 ，具体特点如下： 内部电压分级下降电路( i n t e m a lv o l t a g es t e p - d o w nc i m u r ) 3 2 k h z 的子时钟工作( 3 2k h zs u b - c l o c k ) 低功耗串口通讯( l o wp o w e rs e r i a lc o m m u n i c a t i o n sc f 帕m3 2 k h z ) 异步定时器( a s y n c h r o n o u st i m e r ) l c d 控制器驱动器 通过各种技术使功耗降至最小延长电池寿命 低功率c m o s 技术低工作电压( 1 8 v ) 电源掉电模式 缩短振荡稳定时间，从等待模式快速唤醒， 降低功耗内部闪存， 1 6 工程硕士学位论文e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 可简化编程或者代码的更新 直接驱动l e d 的大电流端口即使在待机模式， 1 6 位异步计数器也运行 代码和外围功能与其它瑞萨单片机兼容 能使用低成本开发工具进行在线式调试 1 7 - 1 8 x t 奄 c 0 6 c 2 p 到t m o p i 脚诮岱i ，筒6 t # 淄 p b p w 伸姻- 胖 p 3 “ p j i ，t 帕f l p 3 2 玎h o f h p 3 3 p 3 4 p 疆脏v i i p 3 7 脏、，l p c 叫s o 3 1 2 f f k 4 1 f t x 2 p 4 2 丌x d 】2 州r a a p 叫钳姻铂舟眨g 1 p 5 1 j v l ，k p 1 s e p 5 2 j w k p 2 j s e p s 川k p 鹳e g p 5 4 n d g p 4 , 丐e p 5 掣w k p 5 ，s e 0 0 p f 4 5 p a i c j 堍, s e g 7 p s t a e j o 7 , s p 科糯g 0 p 6 培g 口 p 6 2 懵e o ” p e e 0 1 2 u 噶e g 3 p 6 掣s e g l p 翻i ，s e g l 5 p 7 ，s e a l v m v h h t e ” 图3 1 单片机内部框图【7 】 1 7 硬件平台选择 工程硕士论文 3 23 8 0 2 4 单片机片内资源与工作方式 3 2 1c p u 特点与指令系统 c p u 有1 6 个8 位通用寄存器，也能当作8 个配对的1 6 位寄存器，为高速处理而 设计有精简的指令系统。其主要特点： 8 位通用寄存器结构，也可当作1 6 寄存器使用 包括乘除指令、强大的位操作指令在内的5 5 条基本指令 8 种不同的寻址方式、6 4 k 寻址空间 高速处理能力( 全部常用的指令运行在2 “4 个状态 低功耗运行方式一运行s l e e p 指令可进入低功耗状态 c p u 寻址方式如表3 1 1 1 7 1 。 表3 1c p u 寻址方式 n o 寻址方式符号 l 寄存器直接r n 2 寄存器间接 r n 3带位移鼙的寄存器间接 ( d ：1 6 r n ) 4 后增寄存器间接 r n + 先减寄存器间接 - r n 5 绝对地址 a a ：8 a a ：1 6 6立即 x x ：8 x x ：1 6 7程序计数器相对 ( d ：8 p c ) 8 存储器间接 a a ：8 1 8 3 8 0 2 4 总共有5 5 条指令，按功能分见表3 2 【17 1 。 表3 2c p u 指令集 功能指令种类 数据传送指令 m o v 、p o p * i 、p u s h * il 算术运算指令a d d 、s u b 、a d d x 、s u b x 、i n c 、d e c 、a d d s 、s u b s 、n a 、 1 4 d a s 、删l ) 【u 、 d i v x u 、c m p 、n e g 逻辑运算指令 a n d 、o r 、x o r 、n o t4 移位指令 s | i a l 、s h a r 、s h l l 、s h l r 、r o t l 、r o t r 、r o t x l 、r o t x r 8 位操作指令b s e t ，b c l r ，b n o t ，b t s t ，b a n d ，b i a n d ，b o r ，b i o r ， 1 4 b x o r 、b i x o r 、 b l d 、b i l d 、b s t 、b i s t 转移指令b c c * 2 、j m p 、b s r 、j s r 、r t s 5 系统控制指令r t e 、s l e e p 、l i ) c 、s t c 、a n d c 、o r c 、x o r c 、n o p 8 块传送指令e e p 蛐0 v 1 工程硕士学位论文 e k 2 0 0 全自动单反相机软件实现技术研究 3 2 2c p o 工作状态 c p u 共有四种状态：复位态、执行态、程序中止态和中断处理态。程序执行态又 包括高速或中速激活模式、子激活模式。在程序中止态s l e e p 模式，s t a n d b y 模式， w a t c h 模式和s u b - - s l e e p 模式，这些状态如图3 2 所示。 图3 2c p u 工作方式图嗍 下面主要针对复位状态、异常处理状态和程序停止状态进行说明 a 复位状态 当r e s 管脚变为低电平时，就停止全部执行中的处理，变为复位状态。 为保证复位状态，在加入电源时，必须使r e s 管脚在时钟振荡器的振荡稳定时间内保 持低电平。另外，如果在运行中复位，必须至少保持1 0 个系统时钟的低电平。复位 异常处理的运行如下： 进行c p u 的内部状态和内部外围模块的各寄存器的初始化，并置位条件码寄存 器( c c r ) 的i 位。 在读取复位异常处理的向量地址( h 0 0 0 0 h 0 0 0 1 ) 并将其传送给p c 后，从 p c 所指示的地址开始执行程序。在接通电源或者断开电源时，必须将r e s 管 脚置为低电平。 b 中断操作状态 1 9 硬件平台选择 工程硕士论文 在复位后，如果在初始化堆栈指针( s p ：r 7 ) 之前接受中断，p c 和c c r 的保存 就不能正常进行，将导致程序失控。为了防止该情况的发生，在执行复位异常处理后， 立即禁止所有中断请求。因为在复位后程序的第一条指令一定被执行，所以，程序的 第一条指令必须为初始化s p 的指令( 例：m o v w # x x ：1 6 ，s p ) 。 中断异常处理的中断源有1 3 个外部中断源( w k p 7 w k p o 、i r q 4 、i r q 3 、i r q l 、 i r q o 、i r q a e c ) 和来自内部模块的9 个内部中断源。中断源、优先级以及向量地址的 一览表如表3 3 所示。在同时发生多个中断请求时，按优先级顺序从高到低进行处理。 这些中断有以下特点： 内部中断和外部中断被c c r 的i 位屏蔽。如果c c r 的i 位被置l ，中断请求标志就 被置位，但不接受中断。 r q 4 、i r q 3 、i r q l 、i r q o 、w k p 7 w k p o 都能设定成上升沿或者下降沿，i r q a e c 能设定成上升沿、下降沿或者两边沿。 表3 3 中断矢量图 中断发生源中断发生源矢量号 欠晕地址优先级 r e s复位o h 0 0 0 0 h 0 0 0 1j l i r q oi r q o 4h 0 0 0 8 、h 0 0 0 9 i r q l i r q l 5 h 0 0 0 a h 0 0 0 b i r q a e ci r q a e c 6h 0 0 0 c 、h 0 0 0 d i r q 3 i r q 3 7h 0 0 0 e h 0 0 0 f i r q 4i r q 4 8h 0 0 1 0 h 0 0 1 1 吓p 0 帐p 7w k p o 吓p 79h 0 0 1 2 h 0 0 1 3 定时器a定时器a 溢出 1 1h 0 0 1 6 h 0 0 1 7 异步事件计数器异步事件计数器溢出 1 2h 0 0 1 8 h 0 0 1 9 定时器c定时器c 溢出 1 3h 0 0 l a h 0 0 1 b 定时器f l定时器f l 溢出 1 4h 0 0 1 c h 0 0 1 d 定时器f h 定时器f h 溢出 1 5h ，0 0 1 e h 0 0 l f 定时器g定时器溢出 1 6 h 0 0 2 0 、h 0 0 2 1 s c l 3s c l 3 发送结柬 1 8h 0 0 2 4 h 0 0 2 5 a d 转换器a d 转换结束 1 9 h 0 0 2 6 h 0 0 2 7 执 ? s l e e p 指令 直接转移2 0 h 0 0 2 8 h 0 0 2 9 其中：矢量地址h 0 0 0 2t oh 0 0 0 7 ，h 0 0 1 4t oh 0 0 1 5 ，和h 0 0 2 2t oh 0 0 2 3 被系统保留。 工程硕士学位论文e k 2 0 0 全自动单反相帆软件实现技术研究 中断操作相关的寄存器如表3 4 所示。 表3 4 中断控制寄存器表 名称 略称r w初始值 地址 i r q 边沿选择寄存器 i e g r r v h f f f 2 中断允许寄存器1 i e n r l r w h f f f 3 中断允许寄存器2 i e n r 2 r w h f f f 4 中断请求寄存器1 i r r l r w * h f f f 6 中断请求寄存器2 i r r 2 r w * h