新型的数据记录系统设计方案

摘要：提出一种新型的数据记录系统设计方案， 并在AsKania数据记录系统的改造中加以运用。主要阐述AsKania数据记录系统的改造中，点阵控制模块、点阵驱动模块的硬件实现和软件实现，以及方案实现过程中解决的问题。经实践检验，证明了该方案的可行性、可靠性，提高了点阵的均匀性。

高速摄影机是用于靶场火箭弹道和姿态测量的光测设备。高速摄影机的电控系统主要由同步控制、数据记录、自动调光等系统组成，在摄影时统及摄影频率控制下，实时、清晰地将目标及相关信息记录在胶片上，为事后处理提供原始数据信息。

数据信息是以点阵的形式记录在胶片上，传统的数据记录系统是在摄影时统控制下，同步地对方位角、俯仰角、时间、摄影频率、同步信号、摄影编码、站址、弹序等信息进行采集、处理并按要求的格式进行排列；最后，在摄影频率控制下以分时扫描的方式逐行或逐列点亮点阵，将信息记录在胶片上。如果因点阵亮度不够或者其它原因而使胶片上某些点曝光不足，事后用判读仪判读时，可能造成错判或误判，最终导致错误的数据处理结果。用传统的方法提高曝光不足点的亮度，同时会使该点同一行或同一列的其它点更亮，造成点与点之间边缘不清晰，同样会影响判读。即便如此，有时某些曝光不足点的亮度仍不能满足判读要求。

基于上述问题，笔者提出了一种新的设计方案，对点阵每一个点的点亮时间单独进行控制，实现点阵曝光时间的单点控制。此方案在ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２电影经纬仪改造中得以实现。

ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２高速摄影机是２０世纪７０年代由法国设计制造的。其点阵数据记录系统的点阵是５×２２的ＬＥＤ阵列，以ＬＥＤ作为光源，由光纤传输投影到胶片上完成数据记录。如果采用传统的控制方法，用这套点阵及投影系统所打点阵均匀性极差，判读仪无法进行数据处理，其主要原因是： 上位机：通过总线对双口ＲＡＭ中的数据信息，按照要求的点阵排列格式进行排列，并对每个点的点亮时间进行编程设定，最后由点阵控制模块逐行输出。 经在ＡｓＫａｎｉａ数据记录系统改造运用后证明：该方案对光学投影系统断丝较多、光能量损耗较大的点的曝光补偿行之有效，使一些用常规的方案几乎不产生曝光的点能够有充足的曝光，点阵质量完全满足判读仪的要求。

（１）用ＬＥＤ作为光源，由于自身参数有差异，导致亮度不均匀；

（２）原先的光学投影系统中光纤有老化及断丝现象，在传输过程中，光学投影系统对点阵上每一个点的光能量的衰减不同，即使每个点的光照相同，仍不能保证每个点投影在胶片上的强度相同，所以不可能在胶片上产生相同的曝光量，即点的黑度不同，而且差异很大，点阵整体不均匀。

由于结构方面的原因，对数据记录系统改造时必须延用这种方式不变，保留原先的光学投影系统。采用传统的控制方法不能解决由于上述原因所带来的点阵黑度不够和不均匀的问题。所以在点阵数据记录系统的改造中，运用了点阵曝光时间的单点控制方案，使点阵每一个点的曝光时间可以通过编程设定，大大提高了点阵的均匀性。

１ 数据记录系统的原理与组成

数据记录系统的原理与组成如图１所示。

数据记录系统主要由上位机、数据采集模块、点阵控制模块、点阵驱动模块、点阵模块、光学投影模块组成。

数据采集模块：数据采集模块实现点阵信息的采集。主要是以８０３１单片机为核心的下位机，在摄影时统的控制下，实时地对时间、方位角、俯仰角、同步信息、频率编码等信息逐个采集，然后存放在双口ＲＡＭ中，供上位机通过总线读取。

点阵控制模块：在上位机的控制下，按上位机对每个点曝光时间的设定，以及点的亮与灭，逐行输出点阵控制信号到点阵驱动模块。

点阵驱动模块：点阵驱动模块输出的控制信号不能直接驱动点阵的ＬＥＤ，经驱动模块产生驱动信号驱动点亮点阵的ＬＥＤ。

光学投影系统：将点阵ＬＥＤ的光能量传输到胶片，使胶片产生曝光，记录数据。

点阵单点控制方案与传统控制方案的主要区别在于点阵控制模块不同。下面主要介绍点阵单点控制方案中，控制模块和驱动模块的软硬件设计与实现。

２ 控制模块和驱动模块的硬件设计与实现

传统的点阵控制与驱动模式有：

（１）一次点亮。即每一个ＬＥＤ的阴极和阳极分别有一个控制信号，一幅点阵一次点完。这种方式所用时间最短，但控制电路和驱动电路都非常复杂，一般不采用。

（２）逐列扫描。逐列扫描即每次点亮其中的一列，一幅点阵分２２次点完。这种方式比一次点亮的电路简单，但所用时间比一次点亮时间长。

（３）逐行扫描。逐行扫描即每次点亮其中的一行，一幅点阵分５次点完。这种方式控制电路和驱动电路都最简单，而且所占用时间界于前面两者之间，一般多采用这种方式。

采用逐行扫描模式。为了确保点阵在胶片上的黑度和均匀性，若采用传统的黑度调整方案存在以下问题：①减小串联在ＬＥＤ中的限流电阻值，使通过ＬＥＤ的驱动电流增加，从而提高其亮度，提高胶片上淡点的黑度。但一方面ＡｓＫａｎｉａ ＫＴＨ５３２点阵系统中，光学投影系统断丝较多，点阵投影到胶片的过程中，对光能量损耗较大，一味地提高亮度会影响ＬＥＤ的寿命，而在极限电流范围内的亮度又不足以补偿部分断丝对能量的损耗；另一方面因为选用逐行扫描方式，调整一列限流电阻会影响到５个点的亮度，所以这种方法并不可取。②延长ＬＥＤ的点亮时间，也就是延长曝光时间，提高淡点的黑度。同样因为选用逐行扫描方式，调整一行的点亮时间会影响２２个点的亮度。该方案设计的点阵控制电路，能使点阵每一个点的驱动信号通过编程控制，实现曝光时间的单点控制，从而实现单点黑度的调整，确保点阵均匀性。

点阵的２２列对应地由２２个８２Ｃ５４定时器控制。由于该方案选用逐行扫描模式，所以２２个８２Ｃ５４定时器分时控制着５行２２列点阵的每一个点。８２Ｃ５４是一个可编程减法计数器，它有六种不同的工作方式，其中方式１（可编程单稳态特性）输出单拍负脉冲信号，脉冲宽度可编程设定，满足硬件电路的要求，其时序如图２所示。在设定工作方式和写入计数值后，输出端输出高电平；在触发信号上升为高电平时，输出为低电平，并开始计数；当计数器减为零时，输出为高电平。定时器输出负脉冲的宽度由定时器的计数值决定。