数码相机的镜头控制模块设计.doc

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 pulses1822242953403663924184444704965155615740-13Zoom initializationHReset positionL图5 镜头的变焦时序图图4 镜头的初始化流程图Zoom InitializationZOOMPR=L?To drive out 1 pulse to HPTo drive in 1 pulse to HPYse No ZOOMPR=H?ZOOMPR=H?YSENONOYSEPulse count: ResetTo drive 42 pulse to WIDEStop at WIDE position图6 镜头的变焦流程框图Zone1Zone2根据流程图，设计开机的时候镜头各种情况下变焦程序的设计介绍以及各种情况下的波形：分别介绍正常开机，W段无停顿到T段，W段有停顿到T段，T段无停顿回到W段，T段有停顿回到W段，关机时候的状态;还有在镜头伸缩过程中突然断电，然后加电开机时候镜头ZOOM的移动过程；ZOOM转动时，ZOOM存在两个信号ZOOM跟ZOOM；(1)正常开机时：ZOOM PI_POWER输入信号，检测ZOOM_PR ZOOM从CLOSE 位置一直走到WIDE位置， 此时ZOOM正转，ZOOM为高电平，ZOOM为低电平。PI按照程序的要求跑相应的步数（步数为224），当ZOOM跑完步数时， PI_POWER没有关掉仍要检测PI步数，由于惯性PI仍要向前跑几步即OverRun。因此我们要通过软件来控制OverRun.即让ZOOM跑的步数加上OverRun得到要实际跑的步数.开机后镜头伸出，PI信号记数，直到PR信号变化，然后PI信号被初始化，开始新的记数，规定向前再跑42步，ZOOM+信号关掉，为低电平。到达WIDE段；由于惯性程序设计中不能让其跑42步，只能跑到42-OverRun的步数；图7是正常开机的波形图图7 正常开机波形图 (2)W段无停顿到T段：此时按住相机的T键，ZOOM仍然正转，ZOOM+为高电平，ZOOM-为低电平；PIPOWER输出信号，PI开始计数，这时候走的步数为337，但是由于惯性存在即OverRun的步数，在设计程序时候，设计PI跑的步数为337-OverRun。波形图中PI信号最后一步非常长，它是DSP给马达一个停下的信号使PI信号产生的风扇不在转动即产生了一个长信号；所以软件将它的实际走得步数小于规格设定的步数，所少的为overRun步数。不至于使其镜头失步，即镜头撞墙而死机；（波形图见附件图1）(3)W段有停顿到T段：当ZOOM每次跑到规定的步数后要检测此时是否还按住相机的T键,如果检测到没有按住T键,则刹车,到达要在的位置;程序设计也要注意over run的步数，即设计要跑的步数要比侦测到应要跑的步数少over run步数；（波形图见附件图2）(4)T段无停顿回到W段：镜头的ZOOM在TELE段，此时按住相机的W键， ZOOM反转，所以ZOOM+的信号为低电平，ZOOM的信号为高电平。从T到W需重新回到HP（HOME POSITION）的位置，因为只有回到HP（HOME POSITION）的位置才能使PI信号初始，不至于回来后镜头ZOOM产生失步，返回时产生一个BackRush步数，指马达每次改变转动方向时失步的步数，马达带动几个齿轮转动，当马达回转时，最后带动镜头的齿轮并不一定转动这时就回产生PI的空信号，既产生BackRush步数；程序设计：ZOOM反转，所以ZOOM+的信号为低电平，ZOOM的信号为高电平当到达第一次到达W位置，接着 ZOOM继续反转走到HP位置，这个过程ZOOM正转（ZOOM+为高，ZOOM为低），再从HP走到W。从W到HP所走的步数跟从HP到W所走的步数不一样，因为ZOOM每次改变转动方向时都存在BackRush的影响。同样原因之所以要先回到HP的位置就是因为ZOOM反转即从W段到T段的步数于从T段返回W段的步数不一样,所以要先回到HP位置再返回W段.不至于产生失步现象；（波形图见附件图3）(5)T段有停顿回到W段：因为从T段回来的时候存在BACK RUSH的问题，程序设计的用BACKRUSH的双向补偿的解决方法，既镜头要有反方向跑的时候让ZOOM的PI多跑BACKRUSH的步数；这样的方法来解决BACK RUSH和OVER RUN的问题；（波形图见附件图4）(6)关机：ZOOM的转动方向为反向，也同样存在刹车。即要通过软件来控制OverRun.不至于撞墙而死机; 撞墙的概念:中CLOSE POSITION与TELE端两端都不是机械的绝对两端,因为存在OverRun所以要留出一段来做缓冲.但是要控制信号出现异常或是镜头物理本来的缺陷ZOOM_PI就会跑过这一段,到真正的机械点,这就叫做撞墙;过利害就会撞墙而死机.程序设计中当PR信号变化时，即到达HP（HOME POSITION）位置，PI信号初始化，规定跑182-OverRun的步数；（波形图见附件图5）(7)伸缩过程中突然断电,然后加电开机：ZOOM_PR要判断电平的高低；程序设计为：PR信号如果是低电平，则PI向外面走ZOOM正转（ZOOM+为高，ZOOM为低），直到PR电平变化，即找到HP位置，初始化 PI信号，然后向WIDE段跑固定步数（42-OverRun步）；（波形图见附件图6）PR信号如果是高电平，则PI向内走ZOOM反转（ZOOM+为低，ZOOM为高），直到PR电平变化，即找到HP位置，初始化 PI信号，然后向WIDE段跑固定步数（42-OverRun步）；（波形图见附件图7）2.1.4 镜头变焦的调整因为相机单体的差异性，各个相机的镜头的Zoom OverRun，Zoom BackRush都不一样，ZOOM的调整就是要计算出Zoom OverRun，Zoom BackRush的步数然后来调整保证在开机拍照的时候不会产生失步导致相机的镜头卡死；Zoom OverRun(过冲量)：确定直流马达由于惯性作用，在停止供电后继续运动的距离，以保证Zoom驱动停止位置的准确性；图8为程序设计的思想：图8 调整程序的波形正常情况，下一次预计要移动的步数 X；下一次要移动的步数 Y： Backward： Y = X + B Forward： Y = X - BZoom BackRush(空回量)：确定齿轮传动系统中,换向运动时的空回量,以保证Zoom驱动停止位置的准确性；本设计用的是Zoom Backlash 双向补偿Z0Z1Z2Z3Z4100 pulses 100 pulses 100pulses 100pulsesBackrush correctionBackrush correction图9 双向补偿的图形附件程序中程序一测试ZOOM的程序；程序描述为ZOOM的伸缩1000次，从WIDE段到TELE段共十一段；Z1Z2持续保持驱动 (H,L)Backlash correction 100 pulses (TBD)Short Brake (L, L)ZOOM OFF图10 双向补偿信号驱动2.2镜头的对焦 2.2.1步进马达对对焦的控制步进转动的位置比较精确，通常用于光圈跟镜头对焦的控制。步进马达利用输入数字信号转成机械能量的电机装置，每输入一个脉波信号(PULSE),步进马达固定旋转一个步进角度。步进角视步进马达规格而定，一般步进角为1.8度的步进马达。若输入200个脉波信号，步进马达会旋转200个步进角刚好转一圈(200 * 1.8 = 360)。由于步进马达旋转角度和输入脉波数目成正比，只要控制输入的脉波数目便可以控制步进马达转动角度，因此适合于开回路控制。步进马达利用线圈磁感应原理，由绕在定子上的线圈产生磁场吸引转子转动。其结构图（附件中图8）AB图11 步进马达的驱动信号马达的电路图如图11所示，输出信号控制马达的转动。图中A，B的两项电压控制马达的转动，每变化一个脉冲马达就要转动一次其中表2为马达转动的真值表AB11100210013001140110表2 步进马达转动真值表步进马达驱动芯片对对角的控制信号：AFSM1，AFSM2，AFSM3，AFSM4，FPICA反馈信号：FPIEM；其中AFSM1，AFSM2，AFSM3，AFSM4控制着步进马达的四端，高电平有磁性，吸引转子转动；FPICA 为信号FPIEM的矢能信号，高电平FPIEM信号才能开始工作；FPIEM信号记录马达转动的步数，马达转多少步，FPIEM信号就记多少步；这样不至于将步进马达卡死；表3为马达驱动芯片的引脚名称以及作用表3马达驱动芯片的引脚名称以及作用引脚Terminal引脚Terminal7AF PI CATIODE(FPICA)12AF MOTOR 1 (FMOTA1) 8AF PI VDD10AF MOTOR 2 (FMOTA2)9AF PI EMITTER(FPIEM)11AF MOTOR 3 (FMOTB1)13AF MOTOR 4 (FMOTB2)表4为马达驱动芯片的引脚端点的电平变化表4马达驱动芯片的引脚端点的电平变化引脚Terminal CW(Near) CCW(INF)12AFSM 1HHLL10AFSM 2LLHH11AFSM 3HLLH13AFSM 4LHHL2.2.2镜头对焦的设计镜头的对焦是镜头的变焦是内部通过一条与镜头的后群相联的传杆，在导轨上移动，移动后群使物体清晰，实现对焦.对于一般镜头而言，对焦都是由步进马达驱动的，只要确定初始点，就可以通过改变控制信号来控制后群的运动状态到达我们所期望的位置。镜头的PI就是这个初始位置，同样由于步进马达运动时也存在失步（OverRun），所以需要经常回到初始位置对步进马达进行初始化动作。PI信号的作用是定义初始化点。图12中P.I. Sensor就像ZOOM中的HOOM POSITION点的位置一样，即：FOCUS先要找到一个基准点，然后根据基准点来判断现在PI的位置；程序中就要考虑PI信号即ZOOM中的PR信号一样的作用。图12 PI信号产生图2.2.3镜头对焦的初始化开机后，为防止上次是否正常关机以及确定信号PI程序设计一定要做初始化动作。图13是初始化的时序图0 15 95 657Zone1Zone2INFNear图13 初始化时序图PI SENSOR时序图中开始位置到PI SENSOR的步数为15步再走80步到对焦的无穷远处，无穷远到最进距离为657-95个步数，在这段中是拍照的对焦距离，调整的时候将物体的距离设计好在特定位置，然后在真正拍照的时候在那个调整的位置左右再找最清晰点来对焦拍照，这样就会减少马达跑的步数，缩短拍照的对焦时间；程序设计：开机，先要判断信号PI的电平高低，如果为高电平则马达带动往回走，找到PI SERSON点，然后停在此点；如果为低电平，马达带动往外走，仍然找PI SERSON点，停在此点。图14是对焦的初始化流程图；其中FOCUS PI信号是探测控制当开机的时候，图示中小的尖脉冲就表示FOCUS PI信号的PI sensor；关机时先要关掉FOCUS PI信号再关掉ZOOM。（附件中图9为对焦的开机与关机的波形图）Focus InitializationDrive 1 pulse to retractionYZone2PI=”L”?PI=”H”?YDrive 1 pulse to MODPI=”H”?Pulse count resetDrive 80 pulse to MOD and stop at INFYNNNYZone1Zone2图14 对焦初始化流程图Focus finish2.2.4镜头对焦的调整FOCUS的调整是搜寻清晰点，在USER适用相机拍照的时候能够在正常拍照时直接在这两个点之前搜寻清晰点， 提高搜寻的速度。减少对焦时间，如果不用调整，USER在使用时也能对到焦，但是它会从0步一直跑到600步左右；而调整过以后再WIDE段只会跑30几步，这样就会大大缩短对焦时间；因为一般情况下USER使用相机拍照不会拍很近的物体，这样我们就让FOCUS从无穷远到MACR来调整找到最佳步数；图15为马达对对焦的信号驱动；0Total StepsMacroAFPIPOSAF Step图15 对焦的驱动信号调整的方法为利用图片的对比度以定位最清晰点，以确定最近及最远点的Step 位置。调整AF时利用此图的黑白间隔的对比度来调整：附件中图十为调焦的CHAR图，利用次图来调整镜头的对焦；对焦的程序对于各段ZOOM，分别求出与之对应的最清晰点的Focus位置。建立ZOOM位置与最清晰点的Focus位置对应关系表。表5为ZOOM 10的Focus变化曲线；表5 ZOOM 10的Focus变化曲线表中为小步调整找出最清晰的马达的步数；调焦的程序设计为每段ZOOM都要调整，在每段ZOOM中先用大步即每八步一次寻找最大的点，然后在找到的最大点的左右位置16步用小步即两步一次寻找最佳的FOCUS位置；判定寻找的值是否跑出规定的范围，没有跑出就判定此点为最佳点，图16为对焦的调整流程框图附件程序中程序二描述为自动对焦从最近到无穷远以及返回的马达控制测试；远焦调整开始FOCUS POWER打开，FOCUS到HP的位置ZOOM到WIDE段，光圈设为大光圈sFocus.iPosition.ZOOM_POS_WIDE到ZOOM_POS_TELE 11段中在每段中先BIG STEP再SMALL STEP找出AF_VALUE保存在前7段的时候曝光时间设为x；后几段要改曝光时间为y；设定其他参数在每段寻找的过程中BigStep to Search and SmallStep to SearchBigStep:FOCUS_MIN_POSITION+10到 FOCUS_PI_POSITION+250每加8一次循环每次得到一个Big Best_Value 且每次判断是否符合,且显示SmallStep:nMaxStepPosion-2*8到nMaxStepPosion+2*8每加2一次循环每次得到一个Best_Value 且每次判断是否符合,且显示ZOOM0-ZOOM10的11个值分别判断是否在范围内NONGOK调整结束YES图16 对焦的调整流程框图2.3镜头的快门2.3.1镜头快门的控制快门可以使拍照时能够获得准确的曝光；适当的快门速度，可以防止得到数码相机与景物之间相对的位移造成的影像模糊。快门结构简单，动作由处理器控制，快门用做曝光的辅助机构，在曝光前位于开状态，便于取景和测光调焦，按下快门，快门关闭，系统记录影像的电流进行图象处理；图17 机械快门的硬件电路图图17是机械快门的硬件电路图；机械快门的控制方法对于多数镜头都是一样的，由两根信号驱动，图中K_SHUTTER1,K_SHUTTER2为两个驱动信号，机械快门的驱动装置类似一个电磁阀，是靠电流来驱动器开启和闭合的。因为DSP不能提供这幺大的驱动电流（Mustang Lens的机械快门需要240mA的驱动电流），一般都是通过控制驱动芯片，由驱动芯片提供足够的电流来驱动机械快门。机械快门的控制pin之间的内阻很小，因为其内部为类似电感的线圈，所以一定要严格控制通电时间不能过长（一般为十几个ms），否则可能造成快门线圈烧毁。2.3.2镜头快门的调整程序设计目的：由于机械快门触发的时间点不一定跟电子快曝光时间的结束点相同(因为机械快门是物理结构关闭需要时间差)，所以必须提前关闭，才能与电子快门同时结束。调整的方法为取一触发点测其机械快门与电子快门的进光量做比较，再做前后移动调整正确触发点。 具体方法如下：调整机械快门至适当的触发点后,可以校正由于机械快门的阻力和速度误差，调整机械快门的速度与CCD电子快门的时间差异，保证快门关闭的一致性，避免出现图片曝光不良等现象。程序设计的原理：调整机械快门的原理在于使机械快门的实际最终关闭点和曝光结束的VD重合。设：ExproFram的时间为：T1机械快门从全开状态到彻底关闭的时间：T2 deltaT则：机械快门触发点（Trigger Point）理论值为：T = T1 - (T2 deltaT)图18 快门与曝光的关系图程序的理论计算：确认AE的设计中一个VD被定义为多少了HD，一个HD表示的曝光时间是多少毫秒(ms)，然后根据镜头的SPC查出该颗镜头设计中的快门关闭速度在什么范围内，然后根据公式计算出理论调整值范围：如：1VD = 254HD = 1/30ms；镜头的快门关闭时间设计值：3.57+/-0.75 (ms) 则：A)M-Shutter的Default值计算方法就是：(254-Default) *1/30 /254 = 3.57 Default = 227B)M-Shutter的最小值(min)计算方法就是：(254-min) *1/30 /254 = 3.57+0.75 Min = 221C)M-Shutter的最大值(max)计算方法就是：(254-max) *1/30 /254 = 3.57-0.75 Max = 233由上面可以看出该机种的M-Shutter理论调整值范围就是221233。图19 机械快门的调整流程图小光圈曝光；设置M-ShutterTrigger为30，调整3次，其亮度为0流程开始设置参数 M-ShutterTrigger=220设置曝光时间，AGC，曝光模式，稳定参数关掉AE,设置曝光时间等参数,打开快门,得到亮度，判断亮度值；小于DARKLUMIPOINT+MSUTTERSTART亮度太低亮度太高大于DARKLUMIPOINT+MSUTTERSTART+Tolarence_check得出曝光时间,曝光触发点TAG OK则MTrigger:ok在范围内TAG NG 则MTrigger:NG图19 机械快门的调整流程图流程结束附件程序中算法四描述为机械快门的关闭1000次的测试；第 37 页 共 37 页2.4镜头的光圈2.4.1镜头光圈的控制图20 光圈的各段进光量本文镜头的光圈是多段光圈，由步进马达驱动，其控制方法类似于马达控制对焦的方法，但是不同的是光圈控制过程中没有所谓FHP的定位信号，就是我们无法通过感知某个信号的变化来确定光圈的初始位置，一般对于这种光圈初始化的方式就是将光圈放大或缩小到极限位置，确定为初始点，然后再根据相对应的位置关系，给出相应的控制信号把光圈控制到期望的大小。控制光圈就是为了控制相应的进光量。光圈的调整主要是找出光圈的各个位置，确认各个光圈的进光量，以确定AGC等的大小。光圈的控制原理与机械快门控制的原理是一样的，驱动装置类似电磁阀，是靠电流来驱动器开启和闭合的光圈用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，表达光圈大小我们用F值。光圈F值 = 镜头的焦距/镜头口径的直径。光圈F值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多，而且上一级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一倍。控制进光量，进光量与光圈的平方成正比。 同快门一样光圈是相机上控制曝光量的一种部件，其中大光圈代表进光量大，小光圈代表进光量少；因此，在外界环境亮度较大的时候且仅仅依靠设置曝光时间已经不能满足岁进光量的控制，这个时候就需要大，小光圈切换来做辅助的进光量控制。根据曝光公式：A2/T=B*Sy/K其中A代表镜头光圈系数（A=镜头焦距/入射直径：f/d），T代表曝光时间，B代表外界景物平均亮度，Sy代表感光度，K是曝光常数。该公式的意义：景物的曝光值由底片的感光度和景物的照度共同决定。快门或曝光速度作为等式的另一端表示实现此曝光量所需的光圈和快门之间的关系；即：B*Sy/K代表一曝光量的要求，这个要求要通过A2/T来实现。由公式可以看出设置软件只要固定曝光时间，ISO值且在同样的外界环境下，光圈切换前后的进光量应该成平方比的关系。IRIS 初始化光圈是否为最大设此时为最大光圈YseNo使其打开到最大初始化完成图21 光圈的初始化流程图2.4.2镜头光圈的初始化不同的是光圈控制过程中没有所谓FHP的定位信号，就是我们无法通过感知某个信号的变化来确定光圈的初始位置，程序对于这种光圈初始化的方式就是将光圈放大到极限位置，确定为初始点，为大光圈，然后根据光圈的规格关一段为一段光圈二，再关为光圈三一直关掉没有光进入；（附件中图11为马达控制光圈的时序图）附件程序中算法三为1000次的从大光圈到小光圈以及从小光圈到大光圈的测试描述以及配合其他程序来调整光圈的进光量达到要求值；2.4.3 镜头光圈的调整程序设计中先找出光圈的各个位置, 确认各个光圈的进光量, 以确定AGC等的大小 寻找光圈过程： 先让光圈片打到最大即设为大光圈，然后根据亮度来控制马达决定要走多少步到达所要的光圈 确定光圈是否符合进光量要求： A 定义固定 AGC 及 BASE Exposure Index B使用各个不同光圈，调整 Exposure Index，看得到的亮度是否符合要求。其中图22为光圈调整的流程图NO光圈调整开始初始化AE,AETABLE,关掉AE设置曝光时间,AGCBIG,SECOND,THIRD, FOUTH,FIFTH,SMALL每段要测试,亮度是不是递增判断为NG判断为OK,写下亮度值调整结束YES图22 光圈调整的流程图附件程序中程序五为光圈测试程序同ZOOM测试程序机械快门测试程序以及和对焦程序结合，在WIDE段和TELE段中都要测试对焦中从最近到无穷远以及返回；从大光圈到小光圈，以及从小光圈到大光圈的测试。结 论通过对数码相机镜头的控制模块设计，从理论原理到实现方法进行了全面的讨论和分析，得出以下结论。1.数码相机实质是一种嵌入式系统，程序是烧录至FLASH中，通过这些程序来处理底层硬件的操作，同时响应用户的高级请求。硬件电路是相机的基础，而软体则是系统的核心。器件的底层操作函数已经封装，可以通过应用程序接口对这些函数进行包装和重组，来构成用户自己的函数，并用C语言编程，实现对外设的控制。2.镜头控制模块主要是对马达的控制，来达到镜头模块各个部分ZOOM、FOCUS、MSHUTTER、IRIS的工作；为减小机台之间的差异造成的影响，通过调整各个部分以及对各个部分的检测，使所拍摄的照片有一致性。3.在数码相机的平台上通过软件实现了相关算法，实践证明这些算法是正确有效的。在数码相机的研发及生产过程中还存在诸多实际的工程难题，在以后的研究设计中会涉及到机械、光学、电子等学科知识，镜头控制模块还需进一步完善。参考文献1 公司内部资料。2 刘午平，黄福森.家用摄像机修理M. 国防工业出版社 20063 高晶.数码相机原理使用维修M. 电子工业出版社 20064 谭浩强.C程序设计（第二板）M.北京：清华大学出版社，1999 5 郑郁正.单片机原理及应用M.四川：四川大学出版社，2003致 谢本论文的工作是 2006年3月至2007年5月在普立华科技有限公司支持下完成的。文中除了特别加以标注地方外，不包含他人已经发表或撰写过的研究成果。除非另有说明，本文的工作是原始性工作。本文是在区庆发老师的热情关心和指导下完成的，他渊博的知识和严谨的治学作风使我受益匪浅，对顺利完成本课题起到了极大的作用。在此向他表示我最衷心的感谢！在论文完成过程中，本人还得到了张杰老师的热心帮助，本人向他们表示深深的谢意！最后向在百忙之中评审本文的各位专家、老师表示衷心的感谢！作者简介：通信工程系计算机通信2班姓 名：杨宝龙 性别：男 出生年月：1982年09月 民族：汉E-mail:yq_声 明关于学位论文使